数字电子称论文正文(3)

3 系统硬件设计

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3.1 主控芯片STC89C52单片机基本系统

3.1.1 STC89C52单片机性能介绍

STC89C52[10]是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K的在系统可编程闪烁存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上flash允许程序存储器在线可编程，也适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统上可编程闪烁存储单元，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。

STC89C52具有以下标准功能：8K字节闪烁存储器，256字节读写存储器，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许读写存储器、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，读写存储器内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

3.1.2 STC89C52单片机引脚功能

VCC：电源。GND：地。

P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在闪烁编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送“1”。在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在闪烁编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4

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个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

RST：复位输入。当晶振工作时，RST引脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接Vcc。在闪烁编程期间，EA也接收12伏VPP电压。

XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。

3.1.3 复位电路

单片机上电时，当振荡器正在运行时，只要持续给出RST引脚两个机器周期的高电平，便可完成系统复位。外部复位电路是为提供两个机器周期以上的高电平而设计的。系统采用上电自动复位，上电瞬间电容器上的电压不能突变，RST上的电压是Vcc上的电压与电容器上的电压之差，因而RST上的电压与Vcc上的电压相同。随着充电的进行，电容器上的电压不断上升，RST上的电压与Vcc上的电压相同。随着充电的进行，电容器上的电压不断上升，RST上的电压就随着下降，RST脚上只要保持10ms以上高电平，系统就会有效复位。电容C1可取10~33μF，R取10kΩ，充电时间常数为10×10-6×10×103=100ms。

复位电路的实现可以有很多种方法，但是从功能上一般分为两种：一种是电源复位，即外部的复位电路在系统通上电源之后直接使单片机工作，单片机的起停通过电源控制；另一种方法是在复位电路中设计按键开关，通过按键开关触发复位电平，控制单片机的复位。本设计使用了第二种方法，其电路图如图3-1所示。

图3-1 STC89C52单片机复位、晶振电路图

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3.1.4 晶振电路

STC89C52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端，外接石英晶体或陶瓷振荡器以及补偿电容C2、C3构成并联谐振电路。当外接石英晶体时，电容C2、C3选30pF±10pF；当外接陶瓷振荡器时，电容C2、C3选40pF±10pF。STC89C52系统中晶振频率一般在1.2~12MHz选择。外接电容C2、C3的大小会影响振荡器频率的高低、振荡频率的稳定度、起振时间及温度稳定性。在设计电路板时，晶振和电容应靠近单片机，以便减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠工作。在本系统中，选择了12MHz石英晶振，电容C1、C2为30pF。其电路图如图3-1所示。

3.2 A/D转换芯片HX711接口电路的设计

根据设计要求，系统要求输出的电流信号为20~1000mA，步进为1mA，且要求显示数值，因此，给定量的执行元件A/D转换器至少需要10位的转换精度。结合系统的设计要求，并考虑到单片机的I/O接口资源紧张等因素，最终确定选用HX711量化精度能达到1/4096<1/1000，完全能达到设计的精度要求。HX711接口电路如图3-2所示。

图3-2 HX711接口电路图

HX711是一款专为高精度称重传感器而设计的24位A/D转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点、降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取

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通道A或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。通道B则为固定的64增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接部件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。

3.2.1 HX711引脚功能

HX711引脚功能如表3-1所示。

表3-1 HX711引脚功能

管脚号 名称 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

VSUP BASE AVDD VFB AGND VBG INA INA+ INB INB+ PD-SCK DOUT X0 X1 RATE DVDD

性能 电源 模拟输出 电源 模拟输入 地 模拟输出 模拟输入 模拟输入 模拟输入 模拟输入 数字输入 数字输出 数字输入 数字输入 电源

描述

稳压电路供电电源：2.6-5.5V（不用稳压电路时接AVDD） 稳压电路控制输出（不用稳压电路时为无连接） 模拟电源：2.6-5.5V

稳压电路控制输入（不用稳压电路时应接地） 模拟地 参考电源输入 通道A负输入端 通道A正输入端 通道B负输入端 通道B正输入端

断电控制（高电平有效）和串口时钟输入 串口数据输出

外部时钟或晶振输入，0：使用片内振荡器 输出数据速率控制，0：10Hz；1：80Hz 数字电源：2.6-5.5V

数字输入输出 晶振输入（不用晶振时为无连接）

3.2.2 HX711管脚说明

模拟输入

通道A模拟差分输入可直接与桥式传感器的差分输出相接。由于桥式传感器输出的信号较小，为了充分利用A/D转换器的输入动态范围，该通道的可编程增益较大，为128或64。这些增益所对应的满量程差分输入电压分别±20mV或±40mV。通道B为固定的增益，所对应的满量程差分输入电压为±40mV。通道B应用于包括电池在内的系统参数检测。

供电电源

数字电源（DVDD）应使用与MCU芯片相同的数字供电电源。HX711芯片内额稳压电路可同时向A/D转换器和外部传感器提供模拟电源。稳压电源的供电电压（VSUP）可与数字电源（DVDD）相同。稳压电源的输出电压值（VAVDD）由外部分压电阻R1、R2和芯片的输出参考电压VBG决定（图1），VAVDD=VBG（R1+ R2）/ R2。应选择该输出

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电压比稳压电源的输入电压（VSUP）低至少100mV。如果不使用芯片内的稳压电路，管脚VSUP和管脚AVDD应相连，并接到电压为2.6~5.5V的低噪声模拟电源。管脚VBG上不需要外接电容，管脚VFB应接地，管脚BASE为无连接。

时钟选择

如果将管脚XI接地，HX711将自动选择使用内部时钟振荡器，并自动关闭外部时钟输入和晶振的相关电路。这种情况下，典型输出数据速率为10Hz或80Hz。如果需要准确的输出数据速率，可将外部输入时钟通过一个20pF的隔直电容连接到XI管脚上，或将晶振连接到XI和XO管脚上。这种情况下，芯片内的时钟振荡器电路会自动关闭，晶振时钟或外部输入时钟被采用。此时，若晶振频率为11.0592MHz，输出数据速率为准确的10Hz或80Hz。输出数据速率与晶振频率以上述关系按比例增加或减少。使用外部输入时钟，外部时钟信号不一定需要为方波。可将MCU芯片的晶振输出管脚上的时钟信号通过20pF的隔直电容连接到XI管脚上，作为外部时钟输入。外部时钟输入信号的幅值可低至150 mV。

HX711管脚说明如图3-3所示

稳压电路电源 VSUP 稳压电源控制输出 BASE 模拟电源 AVDD 稳压电源控制输入 VBF 模拟地 AGND 参考电源输出 VBG 通道A负输入端 INNA 通道A正输入端 INPA 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 AVDD 数字电源 RATE 输出数据速率控控制输入 XI 外部时钟或晶振输入 XO 晶振输入 DOUT 串口数据输出 PD_SCK 断电和串口时钟输入 INPB 通道B正输入端 INNB 通道B负输入端

图3-3 HX711管脚说明

串口通讯

串口通讯线由管脚PD-SCK和DOUT组成，用来输出数据，选择输入通道和增益。当数据输出管脚DOUT为高电平，表明A/D转换器还未准备好输出数据，此时串口时钟输入信号PD-SCK应为低电平。当DOUT从高电平变低电平后，PD-SCK应输入25至27个不等的时钟脉冲（图二）。其中第一个时钟脉冲的上升沿将读出输出24位数据的最高位（MSB），直至第24个时钟脉冲用来选择下一个A/D转换的输入通道和增益，

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