第二章 硬件設(shè)計(jì)與原理

STC12C5A60S2單片機(jī)作為核心，控制整個(gè)電路系統(tǒng)以及價(jià)格的計(jì)算。電路包括STC12C5A60S2最小系統(tǒng)電路、LCD1602顯示電路、鍵盤(pán)輸入電路、過(guò)載報(bào)警電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、放大電路、傳感器電路。

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圖2-1

   核心控制器主要用于對(duì)質(zhì)量測(cè)量、價(jià)格計(jì)算、超載報(bào)警、鍵盤(pán)輸入、以及顯示單元進(jìn)行控制，涉及輸入、計(jì)算、輸出等方面，功能相對(duì)復(fù)雜，所以核心控制器的選擇非常重要，其選擇方案有以下兩種：

    方案一：采用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)列陣）作為系統(tǒng)的控制器。FPGA可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩(wěn)定性。但由于本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度要求不高，F(xiàn)PGA的高速處理的優(yōu)勢(shì)得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時(shí)由于芯片的引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。

方案二：采用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器的作為其核心的方案。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)、軟件編程靈活、自由度大，可以用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

基于以上分析，本次設(shè)計(jì)采用了方案二。

    鍵盤(pán)是單片機(jī)不可缺少的輸入設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的紐帶。鍵盤(pán)按結(jié)構(gòu)形式可以分為非編碼鍵盤(pán)和編碼鍵盤(pán)，前者用軟件方法產(chǎn)生鍵碼，而后者則用硬件方法來(lái)產(chǎn)生鍵碼。在單片機(jī)中使用的都是非編碼鍵盤(pán)，因?yàn)榉蔷幋a鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，非編碼鍵盤(pán)的類(lèi)型很多，常用的有獨(dú)立式鍵盤(pán)，行列式鍵盤(pán)等

方案一：獨(dú)立式鍵盤(pán)

獨(dú)立式鍵盤(pán)接口中使用幾根I/O線，就有幾個(gè)按鍵，這種類(lèi)型的鍵盤(pán)，其按鍵比較少，且鍵盤(pán)中各按鍵的工作互不干擾。因此可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)鍵盤(pán)中的按鍵靈活編碼。獨(dú)立式鍵盤(pán)的缺點(diǎn)是需要占用比較多的I/O口線，當(dāng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)鍵盤(pán)中需要的按鍵比較少或I/O口線比較富余時(shí)，可以采用這樣類(lèi)型的鍵盤(pán)。

方案二：行列式鍵盤(pán)

行列式鍵盤(pán)是用N條I/O線作為行線，M條I/O線作為列線組成的鍵盤(pán)，按鍵在行線和列線的每個(gè)交叉點(diǎn)上。這種形式的鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)，能夠有效地提高單片機(jī)系統(tǒng)中I/O的利用率。

CPU對(duì)鍵盤(pán)的掃描可以采用取程序控制的隨機(jī)方式，即只有在CPU空閑是時(shí)才去掃描鍵盤(pán)，響應(yīng)操作人員的鍵盤(pán)輸入,即利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器每隔一定時(shí)間對(duì)鍵盤(pán)掃描一次，這樣控制方式，不管鍵盤(pán)上有無(wú)鍵閉合，CPU總是定時(shí)的關(guān)心鍵盤(pán)狀態(tài)。在大多數(shù)情況下，CPU對(duì)鍵盤(pán)可能進(jìn)行空掃描。

根據(jù)以上的論述，本設(shè)計(jì)采用方案一。

   單片機(jī)設(shè)計(jì)中有數(shù)碼管顯示和液晶屏顯示兩種，本設(shè)計(jì)中需要顯示單價(jià)信息、重量信息、總價(jià)信息、以及文字信息，顯示信息較多，且包含漢字，不能使用數(shù)碼管顯示，故本設(shè)計(jì)使用液晶屏顯示。

    由于應(yīng)變式電阻傳感器發(fā)生形變時(shí)，產(chǎn)生的電流變化非常小，在傳輸過(guò)程中，容易受到影響導(dǎo)致失真，所以需要及時(shí)將電流放大，本設(shè)計(jì)中選擇了集成了HX711芯片的模塊,便于電路簡(jiǎn)化以及A/D采集。

    應(yīng)變式電阻傳感器發(fā)生形變時(shí)，產(chǎn)生的電流變化是模擬信號(hào)，而單片機(jī)處理數(shù)字信號(hào)更加可靠、方便，也便于后面的程序編寫(xiě)，本設(shè)計(jì)中選擇了HX711芯片進(jìn)行模擬信號(hào)采集以及A/D轉(zhuǎn)換處理。

  質(zhì)量測(cè)量是本設(shè)計(jì)中另一個(gè)重要的模塊，而能夠測(cè)量質(zhì)量的傳感器有應(yīng)變式電阻傳感器、電容傳感器等多種傳感器，所以本設(shè)計(jì)準(zhǔn)備了以下三種方案：

   方案一：電容傳感器。它利用電容器振蕩電路的振蕩頻率f與極板間距d 的正比例關(guān)系工作(圖6 )。極板有兩塊，一塊固定不動(dòng)，另一塊可移動(dòng)。在承重臺(tái)加載被測(cè)物時(shí)，板簧撓曲，兩極板之間的距離發(fā)生變化，電路的振蕩頻率也隨之變化。測(cè)出頻率的變化即可求出承重臺(tái)上被測(cè)物的質(zhì)量。電容式傳感器耗電量少，造價(jià)低，準(zhǔn)確度為1/200～1/500。但它有以下缺點(diǎn)：

缺點(diǎn)一：輸出阻抗高，負(fù)載能力差

缺點(diǎn)二：輸出特性非線性

缺點(diǎn)三：寄生電容影響大。

方案二：應(yīng)變式電阻傳感器。電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器是基于這樣一個(gè)原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減小），再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過(guò)程它的缺點(diǎn)是對(duì)于大應(yīng)變有較大的非線性、輸出信號(hào)較弱，但可采取一定的補(bǔ)償措施。

   根據(jù)以上所訴，本設(shè)計(jì)采用了應(yīng)變式電阻傳感器。

2.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

51單片機(jī)是對(duì)目前所有兼容intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱(chēng)。該系列單片機(jī)的始祖是intel的8031單片機(jī)，后來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展，成為目前廣泛應(yīng)用的八位單片機(jī)之一。單片機(jī)是在一塊芯片內(nèi)集成了CPU、RAM、ROM、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器和多功能I/O口等計(jì)算機(jī)所需要的基本功能部件的大規(guī)模集成電路，又稱(chēng)為MCU。51系列單片機(jī)內(nèi)包含以下幾個(gè)部件：

一個(gè)８位CPU；一個(gè)片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路；

8KB的ROM程序存儲(chǔ)器；

一個(gè)256B的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；

尋址64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64KB外部程序存儲(chǔ)空間的控制電路；

32條可編程的I/O口線；

兩個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器；

一個(gè)可編程全雙工串行口；

５個(gè)中斷源、兩個(gè)優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu)。

如圖2-2所示為單片機(jī)基本構(gòu)造，其基本性能介紹如下：

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圖2-2

本設(shè)計(jì)采用的STC12C5A60S2單片機(jī)基本特點(diǎn)介紹如下：

STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。

1.增強(qiáng)型8051 CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051;

2.工作電壓：STC12C5A60S2系列工作電壓：5.5V-3.3V(5V單片機(jī))STC12LE5A60S2系列工作電壓：3.6V-2.2V(3V單片機(jī));

3.工作頻率范圍：0 - 35MHz，相當(dāng)于普通8051的 0～420MHz;

4.用戶(hù)應(yīng)用程序空間8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字節(jié);

5.片上集成1280字節(jié)RAM;

6.通用I/O口(36/40/44個(gè))，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉(普通8051傳統(tǒng)I/O口)，可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開(kāi)漏，每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過(guò)120mA;

7. ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應(yīng)用可編程)，無(wú)需專(zhuān)用編程器，無(wú)需專(zhuān)用仿真器 可通過(guò)串口(P3.0/P3.1)直接下載用戶(hù)程序，數(shù)秒即可完成一片;

8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無(wú)內(nèi)部EEPROM);

9.內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路(外部晶體12M以下時(shí)，復(fù)位腳可直接1K電阻到地);

10.外部掉電檢測(cè)電路:在P4.6口有一個(gè)低壓門(mén)檻比較器，5V單片機(jī)為1.32V，誤差為±5%,3.3V單片機(jī)為1.30V，誤差為±3%;

11.時(shí)鐘源：外部高精度晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器(溫漂為±5%到±10%以?xún)?nèi)) 1用戶(hù)在下載用戶(hù)程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/時(shí)鐘，常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：5.0V單片機(jī)為：11MHz～15.5MHz，3.3V單片機(jī)為：8MHz～12MHz，精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，以實(shí)際測(cè)試為準(zhǔn);

12.共4個(gè)16位定時(shí)器 兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,16位定時(shí)器T0和T1，沒(méi)有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器 做串行通訊的波特率發(fā)生器 再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器;

13. 2個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時(shí)鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時(shí)鐘;

14.外部中斷I/O口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的PCA模塊， Power Down模式可由外部中斷喚醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通過(guò)寄存器設(shè)置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通過(guò)寄存器設(shè)置到P4.3);

15. PWM(2路)/PCA(可編程計(jì)數(shù)器陣列,2路)：

——也可用來(lái)當(dāng)2路D/A使用

——也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器

——也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn)2個(gè)外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持);

16.A/D轉(zhuǎn)換, 10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S(每秒鐘25萬(wàn)次)，通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時(shí)器或PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口;

17. STC12C5A60S2系列有雙串口，后綴有S2標(biāo)志的才有雙串口，RxD2/P1.2(可通過(guò)寄存器設(shè)置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通過(guò)寄存器設(shè)置到P4.3);

18.工作溫度范圍：-40 - +85℃(工業(yè)級(jí)) / 0 - 75℃(商業(yè)級(jí))21.封裝：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48 I/O口不夠時(shí)，可用2到3根普通I/O口線外接 74HC164/165/595(均可級(jí)聯(lián))來(lái)擴(kuò)展I/O口, 還可用A/D做按鍵掃描來(lái)節(jié)省I/O口，或用雙CPU,三線通信，還多了串口。

STC12C5A60S2是8051系列單片機(jī)，與普通51單片機(jī)相比有以下特點(diǎn)：

1、同樣晶振的情況下，速度是普通51的8~12倍

2、有8路10位AD

3、多了兩個(gè)定時(shí)器，帶PWM功能

4、有SPI接口

5、有EEPROM

6、有1K內(nèi)部擴(kuò)展RAM

7、有WATCH_DOG

8、多一個(gè)串口

9、IO口可以定義，有四種狀態(tài)

10、中斷優(yōu)先級(jí)有四種狀態(tài)可定義 [1]

引腳功能：

VCC：供電電壓;

GND：接地;

P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每個(gè)管腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P0口的管腳寫(xiě)“1”時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FLASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FLASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部電位必須被拉高;

P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入“1”后，電位被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收;

P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳電位被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。作為輸入時(shí)，P2口的管腳電位被外部拉低，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào);

P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入時(shí)，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流(ILL)，也是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口：

P3.0 RXD(串行輸入口)

P3.1 TXD(串行輸出口)

P3.2 INT0(外部中斷0)

P3.3 INT1(外部中斷1)

P3.4 T0(記時(shí)器0外部輸入)

P3.5 T1(記時(shí)器1外部輸入)

P3.6 WR (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通)

P3.7 RD (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)

同時(shí)P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào);

RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高平時(shí)間;

ALE / PROG ：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令時(shí)ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效;

PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取址期間，每個(gè)機(jī)器周期PSEN兩次有效。但在訪問(wèn)內(nèi)部部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的PSEN信號(hào)將不出現(xiàn);

EA/VPP：當(dāng)EA保持低電平時(shí)，訪問(wèn)外部ROM;注意加密方式1時(shí)，EA將內(nèi)部鎖定為RESET;當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，訪問(wèn)內(nèi)部ROM。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源(VPP);

XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入;

XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出;

2.4  按鍵輸入電路

按鍵是由一組按壓式或觸摸式開(kāi)關(guān)構(gòu)成的陣列，是一種常用的輸入設(shè)備。鍵盤(pán)可分為編

碼式鍵盤(pán)和非編碼式鍵盤(pán)兩種。

1.編碼鍵盤(pán)通過(guò)硬件電路產(chǎn)生被按按鍵的鍵碼，這種鍵盤(pán)所需程序簡(jiǎn)單，但硬件電路復(fù)

雜、價(jià)格昂貴通常不被單片機(jī)系統(tǒng)采用。

2.非編碼鍵盤(pán)常用一些按鍵排列成行列矩陣，其硬件邏輯與按鍵編碼不存在嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)

關(guān)系，而要由所用的程序來(lái)決定。非編碼鍵盤(pán)的硬件接口簡(jiǎn)單，但是要占用較多的 CPU 時(shí)間，通常采用可編程鍵盤(pán)管理芯片來(lái)克服這個(gè)缺點(diǎn)。 在接線時(shí)由于有四個(gè)引腳，連接時(shí)需要用萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量，然后接通兩個(gè)引腳，原理圖如下。

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圖2.4-1 按鍵電路

要進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算就必須先進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入，也就必須確定按鍵輸入的數(shù)值是什么，這

就需要對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描，從而確定究竟是哪個(gè)鍵按下。

    這些常開(kāi)開(kāi)關(guān)組成了調(diào)節(jié)按鍵，硬件電路簡(jiǎn)單，在程序設(shè)計(jì)上也不復(fù)雜，只要在程序中

消除在按鍵過(guò)程中產(chǎn)生的“毛刺”現(xiàn)象就可以了。這里采用最常用的方法即延時(shí)法，其的原