中南林业科技大学毕业论文正文、结论、参考文献等

引言 1.1 电子秤国内外发展现状 1.1.1 国内发展 50 年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。60 年代初期出现 机电结合式电子衡器以来，经过 40 多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最 初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。电子衡器制造技术及应 用得到了新发展。电子称重技术从静态称重向动态称重发展：计量方法从模拟 测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快 速称重和动态称重的研究与应用。电子称重技术基本达到国际上 20 世纪 90 年 代中期的水平,少数产品的技术已处于国际领先水平。国内的电子秤市场中, 1009 左右量程的电子秤精度一般为 0.019 即 10mg。在研究方法上,电子称重系 统的工作原理一般是将作用在承载器上的质量或力的大小,通过压力传感器转换 为电信号,并通过控制电路来处理该电信号。但就总体而言，我国电子衡器产品 的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不 够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功 能不全、稳定性和可靠性较差等。 1.1.2 国外发展 在国际上,一些发达国家在电子称重力一面已经达到了较高的水平。特别 是在准确度和可靠性等方面有了很大的提高。在称重传感器方面,国外电子秤产 品的品种和结构又有创新,技术功能和应用范围不断扩大。 1)美国 Revere 公司研制出 PUS 型具有大气压力补偿功能的拉压两用的称 重传感器,用于高准确度检验平台,称重平台,准确度可达 5000d； 2)德国 HBM 公司研制成功 C2A、 C16A 两种不同结构的 1-100t 具有耐压外 壳保护的防爆称重传感器,其防爆性能符合欧洲 EN50014 和 EN50018d 级标准； 3)美国斯凯梅公司研制出新一代高准确度不锈钢 F6Ox 系列 5-5000kg 称重 传感器,准确度 6000d。用于湿度大,腐蚀性强的环境中,而且防水； 4)德国塞特内尔公司研制出以被青铜为弹性体材料,快速称重用 200 型称 重传感器。其特点是线性好,固有频率高,动态响应快，独创油阻尼装置与过载 2 保护装置一体化,保证称量时速度快,工作寿命长。组装 3 一 30kg 电子平台秤, 准确度可达 4000d。 1.2 电子秤发展趋势 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 系统总设计与方案 2.1 设计任务 1) 设计一个电子秤，用数字显示被测重量，小数点位置对应不同的量程显 示； 2) 最小分辨率为 0.1Kg。 2.2 电子秤工作原理 当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器， 传感器随之产生力电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数 关系(一般成正比关系)的电信号(电压或电流等)。此信号由放大电路进行放大、 经滤波后再由模/数（A/D）转换器进行转换，单片机对转换后的数字信号进行 必要的判断、分析，再送到显示电路，同时，根据输出，自动判断出所加压力 的大小来改变量程，实现自动换挡。语音播报模块通过单片机对语音芯片地址 的访问，实现语音播报的功能。 2.3 电子秤设计方案与论证 电子称设计过程中，按照设计的基本要求，系统一般由由单片机最小系统、 数据采集、系统电源、语音播报几部分组成。其中数据采集模块由称重传感器、 前端信号放大器件、A/D 转换组成。转换后的数字信号送给控制器处理，由控 制器完成对该数字量的处理，驱动显示模块完成人机间的信息交换。在扩展功 中 南 林 业 科 技 大 学 本 科 毕 业 论 文 基于 AT89C52 单片机电子秤的设计 第 3 页 能上，采用 ISD1420 语音电路，通过单片机对其寻址访问实现语音播报功能。 为此设计以下两种方案。 2.3.1 方案一 由此设计出的电子秤系统，硬件部分简单，接口电路易于实现，并且在编 程时大大减少程序量，在电路结构上只有简单的输出输入关系。缺点是：硬件 部分简单，虽然可以实现电子称基本的称重功能，但是不能实现外部数据的输 入，模数转换功能的单片机，系统电路过于简单，系统硬件的扩展必受到限制， 电子秤的功能过于单一，达不到设计的标准。 图 2.3.1 方案一方框图 2.3.2 方案二 通过称重电桥产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入 A/D 转换芯片 进行数据转换，再将得到的数字信号送至单片机进行处理并送入数码管显示。 此方案的优点是可控制性好，电路简单，原理思路清晰，数码管设计方便，编 程简单, 数码管具有高亮度，使最终所测得的数据更可靠、参考性更强，经济 耐用。其中自动换挡部分采用软件实现。 4 图 2.3.2 方案二方框图 2.3.3 方案三 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 Spartan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。结构简图如下图所示： 图 2.3.3 方案三方框图 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 传感器采集数据 放大电路 A D 转 换 单 片 机显示电路 自动换挡电路 中 南 林 业 科 技 大 学 本 科 毕 业 论 文 基于 AT89C52 单片机电子秤的设计 第 5 页 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，采用了第二种设计方案。 3 系统硬件选取方案 3.1 单片机的选取 单片机的选择在整个系统设计中至关重要，要满足大内存、高速率、通用 性、价格便宜等要求，本课题选择 AT89S52 作为主控芯片。 3.2 电源选取 集成三端稳压芯片 LM7805 具有比较高的精确度，加上电容的滤波，对电路 可以提供比较稳定的电压，为此选取 LM7805 作为电源。 3.3 传感器的选取 在本设计中，传感器是一个十分重要的元件，因此对传感器的选择也显的 特别的重要，不仅要注意其量程和参数，还要考虑到与其相配置的各种电路的 设计的难易程度和设计性价比等等。所谓传感器就是能感受规定的被测量，并 按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转 换元件组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指 传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。通过以上 系统总体方案设计，确立了以下两种传感器方案： 3.3.1 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。 6 3.3.2 方案二 电阻应变式传感器 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，最终选择了第二种方案。 3.4 运算放大器的选取 称重传感器输出的信号一般电平较低，经由电桥等电路变换后的信号亦难 以直接用来显示、记录、控制或进行 A/D 转换。为此，测量电路中常设有模拟 放大环节。这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种 特性的放大器来完成。放大器的输入信号一般是由传感器输出的。传感器的输 出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。为此确立以下两种放 大器方案： 3.4.1 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。 3.4.2 方案二 由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器 差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放(如 OP07) 做成一个差动放大器，如下图所示： 中 南 林 业 科 技 大 学 本 科 毕 业 论 文 基于 AT89C52 单片机电子秤的设计 第 7 页 图 3.4.2 利用普通运放构成的放大器 优点：输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路， 滑动变阻器 R6 可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满 足满量程要求。输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用 要求。 缺点：此电路要求 R3、R4 相等，误差将会影响输出精度，难度较大。实 际测量，每一级运放都会引入较大噪声，对精度影响较大。 3.4.3 方案三 采用专用仪表放大器 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 3.4.3 INA126 仪表放大结构图 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 11000 范围内的任意增益；工作电源范围为2.318V ；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） 。 基于以上分析，决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器 INA126。 3 .5 模数转换(A/D)芯片的选取 8 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。 3.5.1 方案一 ADC0832 ADC0832 为 8 位分辨率 A/D 转换芯片，其最高分辨可达 256 级，可以适应 一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟 电压输入在 05V 之间。芯片转换时间为 32S，据有双数据输出可作为数据校 验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。其设计多使用 A/D 为 ADC0832 逐次比较型 AD，逐次比较型的具体原理图如下： D / A 转换器 N 位寄存器 控制 逻辑 V I N S T A R T E O C V N V R E F 锁 存 缓 存 器 D 7 D 0 D 3 D 5 D 1 D 2 D 4 D 6 O E 中 南 林 业 科 技 大 学 本 科 毕 业 论 文 基于 AT89C52 单片机电子秤的设计 第 9 页 图 4.5.1 逐次比较型 AD 原理图 3.5.2 方案二 HX711 HX711 是一款专为高精度电子秤而设计的 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。 通过以上的比较分析，最终选择了第二种方案。 3.6 显示器的选取 3.6.1 方案一 LCD 液晶显示 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。 用点阵字符型 LCD 液晶显示，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰 富等特点，但采取 LCD 液晶显示的每一个字符都有一个固定的代码，它的读写 操作、 屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的，会使编程难度增加，显 示出字符较小，同时采用 LCD 液晶显示会造成设计成本增加。 3.6.2 方案二 LED 数码管显示 LED 就是 light emitting diode ，发光二极管的英文缩写，简称 LED。数 码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。数码管按段数分为七 段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多 一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为 1 位、2 位、4 位等等数码管； 且数码管控制方便，并且经济耐用。同时数码管具有高亮度，高刷新率的优点， 能提供宽达 160的视角，可以在较远的距离上看清楚。按发光二极管单元连 接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管 的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极 COM 接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当 10 某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二 极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公 共极 COM 接到地线 GND 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字 段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 通过以上对放大器的比较分析，最终选择了第二种方案。 4 系统硬件模块的具体实现方案 4.1 单片机模块 AT89S52 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器， 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令 系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储 单元，功能强大的微型计算机的 AT89S52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高 性价比的解决方案。AT89S52 芯片具有以下特性： 1）时钟频率为 033MHz； 2）128 字节片内随机读写存储器（RAM）； 3) 32 个可编程输入/输出引脚； 4) 2 个 16 位定时/计数器； 5) 6 个中断源，2 级优先级； 6) 全双工串行通信接口； 7) 监视定时器； 8)2 个数据指针。 9)AT89S52 单片机的 40 个引脚中有 2 个专用于主电源引脚，2 个外接晶振 的引脚，4 个控制或与其它电源复用的引脚，以及 32 条输入输出 I/O 引脚 中 南 林 业 科 技 大 学 本 科 毕 业 论 文 基于 AT89C52 单片机电子秤的设计 第 11 页 图 4.1 AT89C52 原理图 4.2 电源模块 4.2.1 电源原理 稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图 4.2.1 图 4.2.1 电源方框及波形图 1) 整流和滤波电路：整流作用是将交流电压 U2变换成脉动电压 U3。滤波 电路一般由电容组成，其作用是脉动电压 U3中的大部分纹波加以滤除，以得到 较平滑的直流电压 U4。 2) 稳压电路：由于得到的输出电压 U4受负载、输入电 压 和 温度的影响 不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压 U0。 12 3) LM7805 的特点有： （1）最大输出电流为 1.5A，输出电压为 5V； （2）热过载保护，短路保护； （3）输出晶休管安全工作区保护； 4.2.2 电源电路图 图 4.2.2 LM7805 原理图 4.3 传感器模块 电阻应变式传感器就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化 , 再经相 应的测量电路而最后显示或记录被测量值的变化。在这里，我们用电阻应变式 传感器作为测量电路的核心。并应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范 围度。 4.3.1 电阻应变式称重传感器原理 电阻应变式称重传感器是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，然后以适 当方式组成电桥的一种将力（重量）转换成电信号的传感器。 电阻应变式称重传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件：利用它 将被测的重量转换为弹性体的应变值；另一个是电阻应变计：它作为传感元件 将弹性体的应变，同步地转换为电阻值的变化。电阻应变片所感受的机械应变 量一般为 ，随之而生的电阻变化率也大约在 数量级之间。这样小的电2610 阻变化用一般测量电阻的仪表很难测出，必须采用一定形式的测量电路将微小 中 南 林 业 科 技 大 学 本 科 毕 业 论 文 基于 AT89C52 单片机电子秤的设计 第 13 页 的电阻变化率转变成电压或电流的变化，才能用二次仪表显示出来。在电阻应 变式称重传感器中通过桥式电路将电阻的变化转换为电压变化。 当传感器不受 载荷时，弹性敏感元件不产生应变，粘贴在其上的应变片不发生变形，阻值不 变，电桥平衡，输出电压为零；当传感器受力时，即弹性敏感元件受载荷 P 时， 应变片就会发生变形，阻值发生变化，电桥失去平衡，有输出电压。 图 4.3.1.1 桥式测量电路 图 4.2.1.2 应变式传感器安装示意图 4.4 差动放大电路模块 目前的电子称重装置大都使用电阻应变桥式传感器,其核心是由电阻应变 计(应变片)构成的电桥电路,这类传感器具有成本低、精度高且温度稳定性好的 特点。但其检测原理决定该类传感器输出电压低,要经过差分放大电路放大数百 倍才能用于 A/D 转换。一般说来，传感器输出的电压值都非常小，基本上都是 毫伏级甚至微伏级。在设计高精度电子秤时，需要外部放大电路来获得足够的 增益。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 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 14 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 A/chan 宽电压范围： 1.35V to 18V 低偏移电压： 250 V max 低温度漂移： 3 V/ C max 低噪声： 35nV/ Hz 低输入偏移电流： 35nV/ Hz INA126 引脚图如下 图 4.4.1 INA126 引脚图 （2）引脚说明 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 中 南 林 业 科 技 大 学 本 科 毕 业 论 文 基于 AT89C52 单片机电子秤的设计 第 15 页 图 4.4.2 内部电路原理图 4.5 A/D 转换模块 HX711 芯片特点： 两路可选择差分输入 片内低噪声可编程放大器，可选增益为 64 和 128 片内稳压电路可直接向外部传感器和芯片内 A/D 转换器提供电源 片内时钟振荡器无需任何外接器件，必要时也可使用外接晶振或时钟 上电自动复位电路 简单数字控制和串口通讯：所有控制由管脚输入芯片内寄存器无需编程 可选择 10Hz 或 80Hz 的输出数据速率 同步抑制 50Hz 和 60Hz 的电源干扰 耗电量（含稳压电源电路）： 典型工作电流： 26 #include #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit ADDO=P15; sbit ADSK=P14; sbit w1=P24; sbit w2=P25; sbit w3=P26; sbit w4=P27;