电子称控制电路的设计

摘要：随着单片机技术的飞速发展，在其推动下，现代的电子产品几乎渗透到了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高。

根据近些年来电子称重技术和电子衡器的发展情况及电子衡器市场的需求，电子称的发展动向为：小型化、模块化、智能化、集成化；其技术性能趋向于速率高、准确度高、可靠性高；其应用性趋向综合性、组合性。

关键词：单片机，电子称， 89C51

1引言

在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是就用到秤，但是随着社会的进步、科学的发展，我们对其要求操作方便、易于识别。随着计量技术和电子技术的发展，传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。

2 系统方案设计

方案一单片机为控制核心：

前端信号处理时，选用放大、信号转换等措施，尤其在显示方面采用具有字符图文显示功能的LCD显示器。这种方案不仅加强了人机交换的能力，而且满足设计要求，可以显示购物清单、所称量的物体信息等相关内容。

结构简图如下图所示：

图1 LCD显示的方案

目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出被测物体的重量。单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点。但其缺点是外围电路比较复杂,编程复杂。使用这种方案会给系统设计带来一定的难度。

方案二采用现场可编程门阵列(FPGA)为控制核心

采用现场可编程门阵列(FPGA)为控制核心，利用EDA软件编程，下载烧制实现。系统集成于一片Xilinx公司的SpartanⅡ系列XC2S100E芯片上，体积大大减小、逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点，可实现大规模和超大规模的集成电路。

采用FPGA测频测量精度高，测量频率范围大，而且编程灵活、调试方便，设计要求的精度较高，所以要求系统的稳定性要好，抗干扰能力要强。

从下图中可以看到系统的基本工作流程和各单元电路所用到的核心器件。其中控制器采用Xilinx公司可编程器件FPGA为核心，基于ISE软件平台，采用VHDL编程实现数据处理、LED和LCD驱动、时钟芯片的I2C通讯、键盘控制等模块。

结构简图如下图所示：

图2 电子称系统的组成结构图

FPGA的逻辑容量密度大，集成度高，可大大减少印刷电路板的空间，减低系统功耗，同时还可以提高设计的工艺性和产品的可靠性。

虽然以FPGA为核心的电子称系统很优化，但只有在大规模和超大规模集成电路中其高集成度才能更好得以体现。其主要在PC机接口卡的总线接口、程控交换机的信号处理与接口、雷达声纳系统的成像控制与数字处理、数控机床的测试系统等方面有广泛应用。鉴于本电子称的设计并不太复杂，单片机完全能实现所需功能，所以在具体设计时，采用了第一种设计方案。

3 .分电路设计和论证

3.单片机最小系统的设计

3.1.180c51的介绍

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

(1)引脚说明

AT89C51芯片图如下：

图3 AT89C51 的引脚图

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL 门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.4 T0（记时器0外部输入）

P3.5 T1（记时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE

只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

（2）电路具体设计

图4 AT89C51 最小系统电路图

3.1.2时钟电路

方案一：

直接采用单片机定时计数器提供秒信号，使用程序实现年、月、日、星期、时、分、秒计数。采用此种方案虽然减少芯片的使用，节约成本，但是，实现的时间误差较大。所以不采用此方案。

方案二：

采用DS1302时钟芯片实现时钟，DS1302芯片是一种高性能的时钟芯片，可自动对秒、分、时、日、周、月、年以及闰年补偿的年进行计数，而且精度高,工作电压2.5V～5.5V范围内，2.5V时耗电小于300nA。

3.2测量电路

3.2.1侧重电路

d A C o r εε=方案一 压电传感器

压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是

基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。

压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测

量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力

或压力的测量。压电器件的弱点：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，

电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。

方案二 电容式传感器

电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它有结

构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电

容传感器可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。

电容传感器的基本工作原理可用最普通的平行极板电容器来说明。两块相互

平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引

起电容量的变化）时，其电容量为

式中

d ——两极板间的距离；

A ——两平行极板相互覆盖的有效面积；

r ε——介质的相对介电常数；

o ε——真空中介电常数。

若被测量的变化使式中d 、A 、r ε三个参量中任一个发生变化，都会引起电

容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。

虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因

素：

（1）小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一

般仅几皮法至几十皮法。因C 太小，故容抗

C X =1/ωC 很大，为高阻抗元件，负

载能力差；又因其视在功率P=2o u ωC ，C 很小，则P 也很小。故易受外界干扰，

信号需经放大，并采取抗干扰措施。

（2）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。

方案三 电阻应变式传感器

电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的

结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于

材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元

结合弹性元件构成力学量传感器。

)(434211R R R R R R E +-+=))((43214231R R R R R R R R E ++-?3

421R R R R =导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片

把机械应变信号转换为△R/R 后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难

以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的△R/R 变化转

换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。

直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干

扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。

下图为一直流供电的平衡电阻电桥，in E 接直流电源E ：

图5 传感器结构原理图

当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为

电压桥，即只有电压输出。

当忽略电源的内阻时，由分压原理有：

AD AB BD o u u u u -==

=

当满足条件R1R3=R2R4时，即

o u =0，即电桥平衡。式（2.3）称平衡条件。

应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变

片感受的应变所引起的电阻变化有关。

应变片式传感器有如下特点：

（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。

（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。

（3）结构轻小，对试件影响小， 对复杂环境适应性强，可在高温、高压、

强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。

（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量[。

通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第三种方案。考虑到秤台自重

振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定称重5Kg。我们选择的是电阻应变片压力传感器，满足本系统的精度要求。

3.2.1侧高电路

传感器通过声波的波长和发射声波以及接收到返回声波的时间差就能确定人体的身高，在发送脉冲的同时，接收器的计数器启动并计数，直至接收传感器接收反射回波后，计数停止，该时间差相当于测量的距离，从而可测算出测量仪与头顶之间的距离，即人体的身高。

超声波测量仪的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

测量的公式表示为：

L=C×T

式中：L为测量的距离长度；

C为超声波在空气中的传播速度；

T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。

超声波测距误差分析

根据超声波测量公式L=C×T，可知测量的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。

对于超声波测量精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0℃时超声波速度是332m/s, 30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m 距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。发射电路的设计74HC04内部集成了六个反向器，具有放大的功能。74HC04的管脚如图6所示。

图6 74HC04管脚图

由单片机产生的40kHz的方波需要进行放大，才能驱动超声波传感器发射超声波，发射驱动电路其实就是一个信号放大电路，本课题所选用的是74HC04集成芯片，图7为发射电路图。

图7 发射电路。

接收电路的设计

超声波接收头接收到超声波后，转换为电信号，此时的信号比较弱，必需经过放大。本系统采用了LM741对接收到的信号进行放大，接收电路如图8所示。

图8接收电路

超声波探头接收到超声波后，通过声电转换，产生一正弦信号，其频率为传感器的中心频率，即40kHz。该信号通过C1高通滤波后经LM741放大，最后经二极管整形后输出到单片机中断口。

3.3 信号放大电路

方案一利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。

普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于信号转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以，此种方案不宜采用。

方案二采用专用仪表放大器，如：AD620，INA126等。

此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。

以 INA126为例,接口如下图所示：

图9 INA126芯片

放大器增益，通过改变RG的大小来改变放大器的增益。INA126 具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点。其最大输入偏置电流为20nA，这一参数反映了它的高输入阻抗。INA126在外接电阻RG时，可实现1~1000范围内的任意增益；工作电源范围为±2.3~±18V；最大电源电流为 1.3mA；最

大输入失调电压为125 V；频带宽度为120kHz（在G=100时）。

芯片INA126简介

INA126 是精密低噪声差分信号采集仪表放大器，内部采用两个运放设计，使之具有非常低的静态电流 (175 μ A) 和有很宽电源供电范围(±1. 35 ～± 18V) ，可用于便携式仪表和数据采集系统。 INA126 的增益通过外部电阻设置，增益范围从 5V/V to 10000V/V 。激光平衡输入电路提供低偏移电压、低温漂偏移电压和良好的共模抑制比。

INA126特点及引脚说明

（1）INA126 器件特点：

低静态电流： 175 μ A/chan

宽电压范围：± 1.35V to ± 18V

低偏移电压： 250 μ V max

低温度漂移： 3 μ V/ ° C max

低噪声：35nV/ √ Hz

低输入偏移电流：35nV/ √ Hz

（2）引脚说明图

图10 INA126 引脚

1、8脚：接电位器，控制放大倍数

2脚：差分输入负端

3脚：差分输入正端

4脚：电源输入负端，-5V

5脚：接地端

6脚：单端输出端

7脚：电源输入正端，+5V

3.1.3.3具体电路设计

图11 INA126 电路设计图

基于以上分析，我决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器INA126。

3. 4 信号转换电路

方案一采用A/D转换

A/D转换原理：

逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。

采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，

经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为Ｖo，与送入比较器的待转换的模拟量Ｖi进行比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的Ｖo再与Ｖi比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。

采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。双积分法A/D转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量Ｖi，Ｖi采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间Ｔ的正向积分，时间Ｔ到后，开关再接通与Ｖi极性相反的基准电压ＶＲＥF，将ＶＲＥF输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。Ｖi越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Ｖi所对应的数字量，实现了A/D转换。

A/D转换器选用的原则：

1、A/D 转换器的位数。A/D 转换器决定分辨率的高低。在系统中，A/D 转换器的分辨率应比系统允许引用误差高一倍以上。

2、A/D 转换器的转换速率。不同类型的A/D 转换器的转换速率大不相同。积分型的转换速率低，转换时间从几豪秒到几十毫秒，只能构成低速A/D 转换器，一般用于压力、温度及流量等缓慢变化的参数测试。逐次逼近型属于中速A/D 转换器，转换时间为纳秒级，用于个通道过程控制和声频数字转换系统。

3、是否加采样/保持器。

4、A/D 转换器的有关量程引脚。有的A/D 转换器提供两个输入引脚，不同量程范围内的模拟量可从不同引脚输入。

5、A/D 转换器的启动转换和转换结束。一般A/D 转换器可由外部控制信号启动转换，这一启动信号可由CPU提供。转换结束后A/D 转换器内部转换结束信号触发器置位，并输出转换结束标志电平。通知微处理器读取转换结果。

6、A/D 转换器的晶闸管现象。其现象是在正常使用时，A/D 转换器芯片电流骤增，时间一长就会烧坏芯片。为防止这种现象，可采取如下措施：（1）加强抗干扰措施，尽量避免较大的干扰电流进入电路；

（2）加强电源稳压滤波措施，在A/D 转换器电源入口处加退耦滤波电路，为防止窄脉冲波窜入在电解电容上再接一高频滤波电容；

（3）在A/D 转换器的电源端接一限流电阻，可在出现晶闸管现象时，有效地把电流限定在允许范围内，以防止烧坏器件。

方案二采用V/F转换

V-F控制的原理是产生一个震荡频率的电路叫做压控震荡器，是一个压敏电容，当受到一个变化的电压时候它的容量会变化，变化的电容引起震荡频率的变化，产生变频。

当前，12位以上的A/D转换器的价格仍较昂贵，用V/F变换器来代替A/D转换器，在要求速度不太高的场合是一种较好的选择。。从传感器来的毫伏级的电压信号经低温漂运算放大器INA126放大到0～10V后加到V/F变换器LM331的输入端，从频率输出端f0输出的频率信号加到单片机的输入端T1上。

LM331功能介绍

V/F 变换和 F/V 变换采用集成块 LM331，LM331是美国 NS 公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器用。LM331线性度好，最大非线性失真小于 0.01％，工作频率低到0.1Hz 时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达 12 位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F 或 F/V 等变换电路，并且容易保证转换精度。

图12 LM331 组成的电压频率变换电路

LM331 内部由输入比较器、定时比较器、R－S 触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，当电容 C2 两端充电电压大于 Vcc 的2/3时，定时比较器输出一高电平，使 R－S 触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端 f0为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容 C2 通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容 C3 对电阻 R3 放电。当电容 C3放电电压等于输入电压 Vi 时，输入比较器再次输出高电平，使 R－S 触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。输出脉冲频率 f0 与输入电压 Vi 成正比，从而实现了电压－频率变换。

具体电路设计

图13 LM3331电路设计图

3.5显示电路

方案一 LED显示

LED就是light emitting diode ，发光二极管的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

LED显示器结构：

基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片排列而成的。可实现0～9的显示。其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等

LED显示器与显示方式:

LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。通常使用的是七段LED。这种显示块有共阴极与共阳极两种。共阴极LED显示块的发光二极管阴极共地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接。

在设计中使用LED显示块构成N位LED显示器。N位LED显示器有N根位选线和8*N根段选线。根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。段选线控制字符选择，位选线控制显示位的亮、暗。

LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。我们使用的为动态显示方式。在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由响应的I/O口线控制。其中两片74LS244分别用于段信号和位信号的驱动，74LS273用于段信号的锁存，其锁存地址为7FFFH。

方案二 LCD显示

LCD 液晶显示器是 Liquid Crystal Display 的简称，LCD 的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。比LED 要好的多，但是价钱较其贵。

在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，在前面章节已经介绍过，在此不作介绍，本章重点介绍字符型液晶显示器的应用。

在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：

（1）显示质量高：由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。

（2）数字式接口：液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。

3）体积小、重量轻：液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上显示器要轻得多。

（4）功耗低：相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动

IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。

1601字符型LCD简介

字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。我们以1601LCD字符型液晶显示器为例。1601LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，1602LCD主要技术参数：显示容量:16×2个字符，芯片工作电压:4.5—5.5V，工作电流:2.0mA(5.0V)，模块最佳工作电压:5.0V，字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm。

由于本次设计的显示模块需要显示多位数字，如果采用数码管显示的话将会占用多个单片机I/O口,使得电路变得更为复杂。所以选用液晶显示，1601LCD 符合基本条件，能够采用。

3.6按键电路

方案一专用芯片式设计

专用键盘处理芯片一般功能比较完善，芯片本身能完成对按键的编码、扫描、消抖和重键等问题的处理，甚至还集成了显示接口功能。列如Intel8279是一种为8位微处理器设计的比较成熟的通用键盘/显示器接口芯片，其功能有：接收来自键盘的输入数据，并作预处理；数据显示的管理和数据显示器的控制。专用键盘处理芯片的优点很明显，可靠性高，口简单，使用方便，适合处理按键较多的情况。但在很多应用场合，考虑成本因素，可能并不是最佳选择。

方案二矩阵式键盘设计

矩阵式键盘又叫行列式键盘。用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。例如，用2×2的行列结构可构成4个键的键盘，4×4行列结构可构成16个键的键盘。因此，在按键数量较多时，可以节省I/O口线。相对于专用芯片式可以节省成本，且更为灵活。缺点就是需要用软件处理消抖、重键等问题。

图14 4×4矩阵键盘

考虑到成本方面，我决定采用矩阵键盘。

3.7语音电路

方案一语音芯片ISD2590

信息储存器件ISD2590是单片，高质量，短周期的录放音电路。采用CMOS 工艺，内部包含片上时钟，麦克前置放大器，自动增益控制，带通滤波器，平滑滤波器和功率放大器。由ISD2590组成的最小应用系统仅包含一个麦克，喇叭，几个阻容元件，两个开关和电源。录制的信息存放在内部不挥发单元中，断电后可以长久保存。

基本操作

ISD2590由一个单录音信号REC实现录音操作，两个放音信号其中的一个实现放音操作，PLAYE（触发放音），PLAYL（电平放音）。ISD2590可以配置成单一信息的应用。如果使用地址线也可以用于复杂信息的处理。

在放音操作中，当信息结束时器件自动进入掉电模式；在录音操作中，REC 信号释放变为高电平时器件进入掉电模式。

管脚描述

REC信号优先于放音信号（PLAYE 和PLAYL）。如果在放音过程中REC被拉低，放音将立即终止，录音开始。

当REC变高或内部存储器已录满信息，录音操作结束。录制完毕后在结束处会记录一个结束标志，这样在分段放音时会结束放音。

当REC变高后，器件会自动进入掉电模式。PLAYE 触发放音

当此管脚上检测到低电平跳变时，将开始放音操作。遇到结束标志（EOM）或存储器的尾部放音将停止。

结束放音后，器件自动进入掉电等待模式。在放音过程中将PLAYE变高不会终止当前的放音操作。

PLAYL 电平放音

当此管脚的信号由高变为0时，将开始放音操作。PLAYL变为高电平，遇到结束标志（EOM）

电源输入（VCCA，VCCD）

地输入（VSSA，VSSD）

同VCCA VCCD 类似，ISD2590内部模拟地和数字地也使用不同的回路。这些管脚在尽可能靠近器件处连接接地。

录音LED输出（RECLED）

当处于录音操作时，RECLED输出为低电平，它可以驱动一个LED，显示表明现在正处于录音状态。另外在放音中如果遇到结束标志（EOM），RECLED将输出一个短的低脉冲。

麦克输入（MIC）

麦克输入将信号传送到前置放大器，增益由自动增益电路（AGC）控制，增益在-15dB到24dB。外部的麦克必须是AC耦合，通过一个电容连接到该脚。电容的数值和该管脚器件内部的电阻（10K）决定ISD2590输入的低频截止了的频率。

麦克基准（MIC REF）

MIC REF是麦克前置放大的反向输入。当器件使用该输入脚并以差分形式连接到麦克时，能减低噪声和实现共模抑制。

方案二语音芯片ISD1420

语音录放模块

图15 ISD1420的原理框图

语音集成块的功能说明

ISD1420录音时间为20S，它最多可录160个语音段，语音段最短时间可达到0. 图16 ISD1420芯片

A0-A7———地址输入端，当A6.和A7不全为高电平时，A0-A7为分段录音信息地址线，不同的地址对应不同的录音片断，A6和A7全为高电平时，A0-A5用于选择操作模式。

IC———话筒输入端，话筒输入信号通过电容交流耦合至此引脚并传给片上预放大器，片上自动增益控制（AGC）电路控制预放大器的增益在15-24dB之间。耦合电容值和该端内阻（10K）决定语音信号通频带下限频率。

MICREF———话筒参考输人端，MICREF是预放大器的反相输入端，配合外电路可使片上预放大器具有较高的噪声抑制比和共模抑制比。

ANA OUT引脚连接，若为外部输人信号，则要直接通过电容耦合到此端。耦合电容决定片上控制预放大器通频带的下限频率。

ANA OUT———预放大器的输出端，预放大器的电压增益取决于AGC电平，对于小信号输入电平，其增益最大为24dB，对于强信号，增益较低。

AGC———自动增益控制端，AGC 动态地调整预放大器增益，使加至MIC输入端的非失真信号的范围扩展。内阻抗（5欧）和外部电容决定AGC的响应时间，外部电容和外部电阻的RC时间常数决定AGC的释放时间。

SP+、SP-———喇叭输出端，该端可直接驱动16欧的喇叭。可采用双端输出驱动喇叭，也可采用单端输出驱动喇叭，不过双端输出信号的功率是单端的四倍，单端输出需要该脚与喇叭之间串接100uf 的交流耦合电容，录音期间该输出端保持高阻状态。

XCLK———外接时钟输入端，ISD1420具有内部时钟，一旦接人外部时钟，内部时钟会自动失去作用。如果不用外部时钟该引脚应当接地，一般不推荐使用外部时钟，除非要求时钟信号特别精确。

RECLED———工作状态指示端，在录音或放音时该端输出低电平，可驱动一个LED来指示状态。在录音过程中指示灯一直亮着，在放音结束时，指示灯闪烁一下。

PLAYE———边沿触发放音控制端，该端输人一低脉冲，芯片即进入放音状态，直至遇到信息结束标记（EOM）或到存储空间的末尾时回放过程结束，电路自动进入准备状态。回放过程中PLAYE变化不会影响回放过程。

PLAYL———电平触发放音控制端，该端电平变为低电平并保持，芯片进入放音状态，放音过程持续到该端电平由低变高或遇到信息结束标记（EOM），结束后电路进入准备状态。

REC———录音触发端，REC 一旦变为低电平，芯片就进入录音状态，REC 的权限优先于PLAYE和PLAYL，在放音期间若遇REC 接低电平时，放音就会立即停止并转入录音状态开始录音。

VCCD、VCCA———数字电源正端和模拟电源正端，为了减小片内噪声，芯片中模拟电路和数字电路在内部是分开的，应用时两个电源引脚应离电源尽可能的近，而且电源的去耦电容应离引脚越近越好。

VSSD、VSSA———数字地和模拟地。

4系统程序流程图

子称软件设计均采用模块化设计，整个程序包括主程序、定时中断程序、INTO 中断程序按键程序、数据处理子程序(双字节乘法、二一十进制转换程序及逆转换程序)、LCD十六位液晶静态显示子程序等模块。所有程序均采用C汇编语言编写。电子计价秤的软件设计思路说明如下：主程序的作用为程序初始化，计算单价木单重(单价和单重分别在定时中断程序和INT0外部中断程序中获得)，并时时显示十进制的单重，单价，总价。设定T0为计数工作方式，T1为定时工作方式。其中R0为标志位寄存器当为OOH时为正常显示方式。当为01H时为累计显示方式，在T1定时中断程序中。一秒钟采样物料重量(已转成脉冲频率)，并赋值重量计算RAM区和显示RAM区。在INTO外部中断程序中，采样单价并赋值单价计。

4.1主程序流程图

主程序流程图给出了系统工作的基本过程，描述了信号的基本流向，起到一个向导的作用。

图17 主程序流程图

4.4 子程序设计

系统子程序主要包括A/D转换启动及数据读取程序设计、键盘输入控制程序设计及显示程序设计等。

V/F转换启动及数据读取程序设计

V/F转换子程序主要是指在系统开始运行时，把称重传感器传递过来的模拟信号转换成数字信号并传递到单片机所涉及到的程序设计。设计流程图如下图所示。

图18 V/F信号读取及处理程序

显示子程序设计

显示子程序主要是来判断是否需要显示,以及如何去显示,也是十分重要的程序之一。设计流程图如图所示。

图19显示子程序流程图

键盘扫描子程序的设计

键盘电路设计成4X4矩阵式，在程序中可以先判断按键编码，然后根据编码将键盘代表的数值送到相应的存储单元，再进行功能选择或数据处理。设计流程图如图所示。