电气工程及其自动化毕业论文基于单片机at89s52的数显电子秤的设计

摘 要本设计选择单片机AT89S52作为控制核心，实现电子秤的基本控制功能。设计的硬件部分包括单片机最小系统模块、模拟信号放大模块、模/数转换模块、液晶显示模块、超重报警模块五大部分。软件部分采用51单片机汇编语言实现了电子秤的基本称重功能以及超重报警功能。本文设计的电子秤量程为4Kg,最小称量为0.2g。该电子秤具备了系统设计简单、使用方便直观、性能价格比高、功耗低、速度快，自动化程度高、环境适应性强等特点。关键词 电子秤；单片机AT89S52；模/数转换；液晶显示AbstractThis design selects the MCU AT89S52 for controller realizing the basic control function of electronic scale. The design hardware part includes MCU minimum system module, analog signal amplification module, A/D conversion module, LCD display module, overweight alarm module five main parts. The software part adopts 51 series MCU assembly language realizing the basic weighing function and overweight alarm function. This electronic scales measuring range is 4Kg, minimum weighting is 0.2g. It has many characteristics such as system design simple, easy-to-use and intuitive, cost-effective, low power consumption, high speed, high degree of automation, strong adaptability to environment and so on.Key words Electronic Scale, MCU AT89S52, A/D Conversion, LCD Display目 录1引言12方案设计与论证22.1总体设计方案与比较22.2元器件的选择32.2.1控制器32.2.2称重传感器32.2.3放大器32.2.4A/D转换器42.2.5显示器43模块电路的实现与介绍53.1单片机最小系统模块53.2信号的采集与放大模块63.2.1双孔梁式传感器63.2.2放大器AD62383.3A/D转换模块93.3.1A/D转换器ICL713593.3.2基准源MC1403113.3.3分频器CD4017123.4LCD显示模块133.5超重报警模块144系统软件设计155测试及结果分析176结论18参考文献19谢辞20附件21 1引言称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。称重装置的应用已遍及到国民经济各个领域，取得了显著的经济效益。因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。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。现今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，特别是对快速称重的研究与应用。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。科学技术的发展，对称重技术提出了更高的要求，尤其是微处理技术和传感技术的巨大进步，大大加速了这个进程。目前，电子秤在商业销售中的使用已相当普遍，但在市场上广泛使用的各式电子秤还有很大的局限性。这些电子秤体积大、成本高，需要工频交流电源供电，且又不能随身携带。市场上流行的便携秤大都采用杆式秤或以弹簧压缩、拉伸变形来实现计量的弹簧秤等，计量误差较大，一旦超过弹簧弹性限度，就会产生很大误差，以至损坏。杆式秤则是目前就要淘汰的计量器械。因此，一种小型化的、能够在未来取代杆秤和弹簧秤的普及型电子秤的发展受到了人们的高度重视，设计一种重量轻、携带方便、计量准确、读数直观的民用电子秤迫在眉睫。2方案设计与论证2.1总体设计方案与比较方案一：图2-1方案一方框图通过秤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CC7107进行A/D转换1，由于此芯片可直接用于数字显示，故转换后的数字量直接用数码显示器进行显示。此方案的优点是外部电路非常简单，而且能实现较高的精度。缺点是无法对A/D转换进行控制。故我们不采用。其电路方框图如图2-1所示。方案二：图2-2方案二方框图压力传感器采集因压力变化产生的电压信号，经过信号放大电路后，再通过模/数转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机。单片机经过相应的数据处理后，得出当前所称物品的重量，显示在LCD屏幕上。如果物体超出所限定的重量，蜂鸣器就会发出报警的声音。此方案的优点是可控制性好，电路简单，故我们采用此方案。其电路方框图2如图2-2所示。2.2元器件的选择重要元器件包括控制器、称重传感器、放大器、模/数转换器、显示器。对这些元器件的选择与比较是非常有必要，选择合适的元器件才能做出性能更佳的电子秤。2.2.1控制器本设计基于51系列单片机来实现，51系列单片机是最普遍的单片机，在我国出现的时间最早，有大量的书籍、资料供我们参考。而且设计需要大量的控制液晶显示。不宜采用大规模可编程逻辑器件：CPLD、FPGA来实现。（因为大规模可编程逻辑器件一般是使用状态机方式来实现，即所解决的问题都是规则的有限状态转换问题。本系统状态较多，难度较大。）另外系统没有其它高标准的要求，因此，我们最终选择了现在比较常用的AT89S52单片机来实现系统设计。2.2.2称重传感器在电子秤系统中，称重传感器是最关键的部件，被喻为电子秤的心脏，也是电子秤设计中最难处理的部分。它的性能好坏直接决定了电子秤的准确度和稳定性。小量程称重传感器的结构、型式及种类较多。为了使称重传感器具有良好的线性、较高的输入灵敏度及较强的抗侧向载荷能力，我们采用了双孔平行梁式荷重传感器3。本设计选用的双孔平行梁式传感器量程为4Kg，灵敏度为2mV/V。2.2.3放大器称重传感器输出的电压信号为毫伏级，不能满足A/D转换器对输入信号电平的要求。因此，利用放大器来获得足够的增益以提高信号幅度。我们考虑以下几种方案：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A/D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，此方案不宜采用。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。优点：输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗。缺点：实际测量，每一级运放都会引入较大噪声，对精度影响也较大。方案三：采用专用仪表放大器，如：AD623，AD620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。如AD623放大器增益，通过改变的大小来改变放大器的增益。基于以上分析，我们决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器AD623。2.2.4A/D转换器方案一：逐次逼近型A/D转换器，如：ADS7805、ADS7804等。逐次逼近型A/D转换，一般具有采样/保持功能。采样频率高，功耗比较低，是理想的高速、高精度、省电型A/D转换器件。高精度逐次逼近型A/D转换器一般都带有内部基准源和内部时钟，基于AT89S52构成的系统设计时仅需要外接几个电阻、电容。但考虑到所转换的信号为一慢变信号，逐次逼近型A/D转换器的快速的优点不能很好的发挥，所以此方案并不是理想的选择。方案二：双积分型A/D转换器，如：ICL7135、ICL7109等。双积分型A/D转换器精度高，但速度较慢(如：ICL7135),具有精确的差分输入，输入阻抗高（大于），可自动调零，超量程信号，全部输出于TTL电平兼容。双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50HZ的工频干扰抑制能力较强，对高于工频干扰（例如噪声电压）已有良好的滤波作用。只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。故而采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。作为电子秤，系统对AD的转换速度要求并不高，精度上14位的AD足以满足要求。另外双积分型A/D转换器较强的抗干扰能力，精确的差分输入，低廉的价格。综合的分析其优点和缺点，我们最终选择了ICL7135。2.2.5显示器数据显示是电子秤的一项重要功能，是人机交换是主要组成部分，它可以将测量电路测得的数据经过微处理器处理后直观的显示出来。数据显示部分可以有以下两种方案供选择：一是LED数码管显示，二是LCD液晶显示两种选择。LED要显示多位数字就要占用大量的单片机口，而且只能显示数字。LCD液晶显示器是一种极低功耗显示器，而且可以显示大量字符和少量的中文，因此我们选择了比较常用的LCD1602液晶显示器。3模块电路的实现与介绍本设计的硬件部分包括单片机最小系统模块、模拟信号放大模块、模/数转换模块、液晶显示模块、超重报警模块五大部分。3.1单片机最小系统模块图3-1 单片机最小系统如图3-1所示，单片机AT89S52最小系统模块由单片机AT89S52、P0口的上拉电阻、复位电路、时钟电路四部分组成。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，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。本设计中引脚的使用情况如下：P0口：与LCD1602液晶显示器的数据线引脚D0-D7相连接，控制液晶显示器的数据传送，作普通口使用，需接上4.7K的上拉电阻。P1.0,P1.1,P1.2：做普通口使用，分别与LCD1602的RS,RW,E口相连接，控制显示器的读写状态。P3.4/T0：接ICL7135的CLK口，使用T0的外部计数功能，计数CLK口的脉冲。P3.5/T1：作普通口使用，接ICL7135的BUSY口，控制T0计数器的开始和停止。P3.6/WR：作为普通口，接ICL7135的OR口，接收超重时产生的高电平信号。P3.7/RD：作为普通口，接报警电路，控制蜂鸣器的鸣叫和LED灯的发光。RST：接复位电路，本设计采用开关复位，当单片机运行时，RESET为低电平，而按下复位键后松开，能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。根据实际操作的经验，复位电路的电容、电阻参考值：C610uF，R7l00，R810K。ALE/PROG：输出频率为石英振荡频率的1/6的脉冲信号。因为使用6MHz的晶振，所以此端输出1MHz脉冲。接8分频电路,提供125KHz的脉冲信号给ICL7135。/EA/VPP：因为使用内部程序存储器，所以此端接高电平。XTAL1，XTAL2：接时钟电路。单片机内部有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲宣接送入内部时钟发生器，外接晶振时，C4、C5值通常选择为30PF左右，而晶振的频率也不需要和高，6MHz的晶振就足够了。3.2信号的采集与放大模块3.2.1双孔梁式传感器图3-2双孔梁式传感器双孔梁式传感器属于电阻应变片式传感器，如图3-2左所示，4片电阻应变片1、2、3、4粘贴在双孔梁的应变区，称重时双孔梁在由被称物体产生的压力P和系统底盘对双孔梁的支持力N的作用下产生平行四边形形变。由这4片应变片接成的惠斯通电桥在供桥电压的激励下随重量不同而输出不同的电压信号。如图3-2右所示是一般使用双孔梁式称重传感器构成称重系统的结构示意图。它主要由1-秤盘，2-称重传感器，3-底盘三部分组成。带有秤盘的双孔梁式称重传感器型秤有以下基本特点：同样载荷情况下梁的应变量和电桥的输出电压是个常量且与载荷在秤盘的位置无关；梁的应变量和电桥的输出电压与载荷成正比。图3-3传感器内部原理图如图3-3所示为传感器内部原理图，称重传感器内部线路采用惠更斯电桥，采用全桥的接法，即, 。当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由式给出：4。即为灵敏度，一般取2mV/V,输入电压在本方案中为10V,故输出电压最大为20mV。理论上，传感器输出电压信号与重量关系曲线如图3-4所示。 图3-4 传感器输出电压信号与重量关系曲线图3.2.2放大器AD623图3-5 AD623引脚示意图如图3-5所示为AD623引脚示意图。引脚4、7分别接正负5V电压，参考端5接地，在引脚1跟8之间接一个可调电阻，通过调节的阻值来改变放大倍数。微弱信号分别从引脚2、3进入放大器放大后从引脚 6脚输出。A/D转换器ICL7135的输入电压变化范围是-2V+2V，传感器的输出电压信号在020mv，因此放大器的放大倍数为100倍。根据公式：，可将接成10K的滑动变阻器。再调阻值到1.01K,使其放大100倍。为了减少对进入放大电路的有用信号的干扰，在放大电路之前，一般会有滤波电路。两路信号都采用RC滤波电路形式，电阻R1、R2，电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声，C1、C2为普通小电容，取0.1uF,可以滤除高频干扰，C3、C4为大的电解电容，取220uF,主要用于滤除低频噪声。电路图如图3-6所示。图3-6 滤波电路3.3A/D转换模块图3-7 A/D转换电路如图3-7所示，A/D转换电路由A/D转换器ICL7135、基准源MC1403、分频器CD4017三部分组成。3.3.1A/D转换器ICL7135图3-8 ICL7135管脚图美国Intersil公司的ICL7135是较流行的双积分A/D转换器，其具有4位半的精度（相当于14位A/D转换器），自动校零，自动极性输出，单基准电压，动态字位扫描BCD码输出，价格低等特点5。其管脚图如图3-8所示。ICL7135管脚说明6:V- 负电源端REF外接基准电压输入端AGND模拟地INT积分器输出，外接积分电容（Cint)端AZ外接调零电容（Caz)端BUF缓冲器输出，外接积分电阻（Rint)端Rr+、Rr-外接基准电压电容（Cr)端INTO、INHI被测电压（低、高）输入端V+正电源端D5、D4、D3、D2、D1位扫描选通信号输出端B8、B4、B2、B1BCD码输出端，采用动态扫描方式输出BUST指示积分器处于积分状态的标志信号输出端CLK时钟信号输入端DGNG数字电路接地端R/H转换/保持控制信号输入端ST选通信号输出端，主要用作外部寄存器存放转换结果的选通控制信号OR过量程信号输出端UR欠量程信号输出端图3-9 ICL7135的INT 与BUSY端的输出波形ICL7135与单片机连接方式包括并行接法和串行接法，并行接法又包括并行9线制接法7和6线制接法8。为了节省单片机端口。本设计采用串口连接的方式。进一步分析ICL7135的时序发现，在模拟输入积分阶段和对基准电压反积分阶段，ICL7135的BUSY端输出均为高电平，其余均为低电平，如图3-9所示,同时，模拟输入积分阶段的时间是固定的，为10000个时钟周期（10000 s）。如果应用单片机的定时/计数器检测出BUSY为高电平的时间(或计数值)，再减去输入积分阶段和一个时钟周期（其中在反积分阶段最早时有一个时钟脉冲是“无效”的）的时间之和（10001 s）或计数值之和（10001），即得到基准电压反积分的时间或计数值9。基准电压反积分阶段的计数值(设为N)则，由此可得。由于基准电压是已知的，因此求出N后，就不难计算出模拟输入信号的大小。由于ICL7135 的输入电压的范围为最大即-2 V+2 V；能够分辨电压变化的最小值为0.1 mV，即。如上所述的原理，当BUSY为高电平，此时启动T0计数器开始计数；当BUSY为低电平时，中断计数停止，此时的计数值（设为N），则电压可知。其中POL端为极性判断，当存在双极性情况，就需要用到此端口10-11。R/ H 始终悬空或接高电平，则ICL7135按自动转换方式工作，若要控制转换，可以将R/ H 端接入单片机一个I/O口加以控制。3.3.2基准源MC1403图3-10 基准源MC1403ICL7135还需要外接基准电源，这是因为芯片内部的基准源一般容易受到温度的影响，而基准电源的变化会直接影响转换精度。所以当精度要求较高时，应采用外接基准源。在ICL7135应用中最常用的是将输入电压范围接为最大即为-2V-+2V,此时基准电压源应该选择1/2满量程电压，即+1V12。利用基准源MC1403可以准确达到1V电压，MC1403是美国摩托罗拉公司生产的高精度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源。一般用作8-12bit的D/A芯片的基准电压等一些需要精准的基准电压的场合。其具有极佳的温度稳定性，长期稳定性和低噪音，为了配置8P插座，还专门设置了5个空脚。其电路接法如图3-10所示，电路非常简单，1端输入5V电压，3端接地，输出端2端输出固定2.5V电压，再由10K滑动电阻分压得到1V电压。3.3.3分频器CD4017图3-11 分频电路由于ICL7135内部没有振荡器，所以需要外接。ICL7135的时钟频率典型值为200kHz，最高允许为1200kHz，时钟频率越高，转换速度越快。每输出一位BCD码的时间为200个时钟周期，选通脉冲位于数据脉冲的中部，如果时钟频率太高，则数据的接受程序还没有接受完毕，数据就已经消失了。为了使50Hz或60Hz干扰的抑制为最大，应当选择时钟频率以便在信号积分相期间内50Hz或60Hz的周期按整倍数13。考虑到此系统频率要求不是太高，且单片机的工作频率也不是很高，因此我们取时钟频率的典型值：125kHz。转换速度为3次/s左右。在本设计中我们采用单片机口ALE产生的1MHz的时钟频率再经过分频器CD4017的8分频产生准确的125KHz供给A/D转换器的。如图3-11为CD1407分频电路, CD4017 是5 位Johnson 计数器，具有10 个译码输出，CP，CR，INH 输入端。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制，INH 为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之计数功能无效。CR 为高电平时，计数器清零。其波形图如图3-12所示。图3-12 CD1407波形图3.4LCD显示模块图3-13 LCD1602电路图液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。LCD可分为两种类型，一种是字符模式LCD，另一种是图形模式LCD。由于LCD的控制需要专用的驱动电路，一般不会单独使用，而是将LCD面板、驱动与控制电路组合成LCD模块（简称LCM）一起使用。LCD1602是162行字符型LCM14，专门用来显示字母、数字、符号等。每行可显示16个字，可以显示2行，有16只引脚。LCD1602的外接电路图图3-13所示，引脚说明如表3.1所示。表3.1 LCD1602引脚说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极3.5超重报警模块图3-14 超重报警电路当电路检测到称重的物体超过仪器的测量限制时，将产生一个信号给报警电路。使报警电路报警从而提醒工作人员注意，超限报警电路如图3-14所示。它是由AT89S52的P3.7口来控制的，当超过设置重量（4Kg）时，ICL7135的OR端产生一个高电平给单片机，单片机载通过程序使P3.7口值为低电平，从而使三极管导通，报警电路接通，使蜂鸣器发出报警声，同时使报警灯LED发光。4系统软件设计图4-1 主程序流程图程序设计是一件复杂的工作，为了把复杂的工作条理化，就要有相应的步骤和方法，其步骤可概括为以下三点：1、分析系统控制要求，确定算法。2、根据算法画出流程图。3、编写程序。系统软件设计包括主程序设计和子程序设计。主程序流程图如图4-1所示。由于数据处理比较简单，本程序采用汇编语言。具体主程序设计见附件5。子程序设计包括LCD显示程序设计、A/D转换与数据读取程序设计、数制转换程序设计、报警程序设计。图4-2 数制装换流程图十六进制转十进制15：在二进制数值中，没向左移一位表示数乘二倍。以每四位作为一组对数分组，当第四位向第五位进位时，数由8变到16，若按十进制数制规则读数，则丢失6，所以应当进行加六调整。DA指令可完成这一调整。其中，移出数据的保存可以通过自乘再加进位的方法实现，因为乘二表示左移一位，左移后，低位进一，则需加一，否则，加零。而通过移位已将要移入的尾数保存在了进位中，所以能实现。其程序流程图如图4-2所示。图4-3 LCD显示流程图LCD1602显示器初始化显示“The weight is 0000.0”,输入数据后，0000.0就会变成相应的数据。其显示流程图如图4-3所示。5测试及结果分析测试的仪器：总重1Kg的砝码，数字万用表，示波器测试的方法：逐步增加20g的重量，共测25组数据测量的环境：温度：20C，湿度：65%rh,大气压：1.01pa误差的原因：传感器和其他器件本身并非理想线性误差的处理：对实测数据进行了线性补偿数据的记录：如表5.1所示数据的分析：在误差的允许范围内，数据基本达到要求表5.1 测试结果砝码重量（g）实际显示重量（g） 砝码重量（g） 实际显示重量（g）2019.6520495.24038.6540514.26057.4560533.68076.4580551.410095.2600570.6120114.2620589.4140133.4640608.0160152.0660628.0180171.2680647.2200190.4700666.2220209.4720685.4240228.6740704.6260247.8760723.0280266.0780742.2300285.0800761.2320305.2820780.2340324.4840799.2360343.0860818.6380362.4880837.6400381.4900856.6420400.2920875.2440419.4940894.8460438.4960913.6480457.0980932.6500476.01000950.26结论我首先用Protel 99 SE16绘图软件进行了各个模块的绘制，并且分别把各个模块单独制作出来进行调试，这样避免各个模块之间有相互的干扰而导致调试不出来。各个模块调试成功后，我再把各个模块用跳线连接起来进行调试，逐步排除各种干扰直到整体调试成功。最后我把各个模块绘制成一个总的电路原理图。把总的电路板做在一个板上。在设计软件时也一样，分别先各个模块调试，再整体调试。但由于缺乏实践经验，电路中还有些功能不够完善，有些参数不够精确，而且抗干扰能力也不够好。19 参考文献1 Katsuhiko Ogata.Discrete-Time Control Systems J, China Machine Press, 2004, (56), 40-422阳鸿钧电子秤与电子天平技术问答J北京：中国电力出版社，2009，21-233郁有文，常健，程继红传感器原理及工程应用J西安：西安电子科技大学出版社，2009，50-554 郭新耀飞机械电子秤的研制J华侨大学学报，1991，(1)，80-865 林嵘，秦华旺，孙金生，戴跃伟数据转换与接口技术M北京: 北京航空航天大学，1994，57-596 戴梅萼，史嘉权微型计算机及应用M北京: 清华大学出版社，2001，15-207 徐新民单片机原理及应用（应用型本科）M杭州:浙江大学出版社，2006，63-708 张毅刚，彭喜元单片机原理及接口技术M北京:人民邮电出版社，2008，27-289 李振胜浅谈单片机应用系统抗干扰技术J工业仪表与自动化装置，2004，55-5610 李朝青单片机原理及串行外设接口技术M北京: 北京航空航天大学，2008，16-1811 任志玲，孟庆春异步电机功率因数自动控制变频调速系统J辽宁:辽宁工程技术大学学报，2003，635-63712 Chunbao Shen,Changchun Bao,Shiguang Liu, et al. 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