数字化称重仪表.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）数字化称重仪表摘 要早期的称重仪表由于数字电路和模拟技术的发展水平较低，结构复杂并且操作繁琐，已经不能满足当前市场对称重系统的要求，称重的功能、速度及精度对于飞速发展的数字化称重行业已经相对落后。数字化称重仪表是在模拟式称重仪表的基础上发展起来的。当今，由于微计算机与嵌入式系统在称重领域中的局限应用，使称重仪表在集成化、数字化上没有实现其要求。因此，为了满足当今市场对称重技术的要求，本设计结合微计算机技术与称重技术提出了一种不仅具有系统参数设定、自动清零、数据处理、故障自我诊断、自动修正误差功能等特点，而且具有结构简单、体积小、成本低、现场适应能力强、称重准确、可靠性高、动态响应好等多功能新型数字化称重仪表。本论文在深入对数字化称重仪表设计方法研究的基础上，主要完成了新型数字化称重仪表的总体方案设计；完成了数字化称重系统的主控硬件流程图；完成了由等臂全桥电阻应变式传感器电路、三运放仪表放大电路和a/d转换电路组成的系统数据采样电路；完成了系统主控程序的软件程序设计及系统初始化、参数设定、a/d转换和故障报警处理等模块的程序软件设计。关键词：电阻应变式传感器；stc89c52单片机；a/d转换；led显示内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）digital weighing instrumentabstractas a result of the early digital circuits and analog technology, the lower level of development, the complex structure and cumbersome operation,weighing instruments have been unable to meet current market requirements for the weighing system.the features of weighing, weighing speed and weighing accuracy for the rapid development of digital weighing industry have been lagging behind.digital weighing instruments are developed on the basis of analogue weighing instrument. today, as a result of limitated usness of micro-computers and embedded systems in the weighing field, so that weighing instrument does not achieve its demands in the aspects of integration and digital. therefore, in order to meet todays market requirements of the weighing technology, the design with micro-computer and weighing technology is a kind of new multi-functional digital load meter. it not only has features of setting system parameters, automatically clearing, data processing, fault self-diagnosising,automatically correctting errors,etc,but also gets simple structure, small size, low cost,on-site adaptability, weighing accuracy,high reliability and good dynamic response.in this paper, in-depth on the design of digital weighing instrument on the basis of the methods, a new type of digital weighing instrument of the overall program design is completed primarily; hardware control system flow chart is completed; the arm and so the whole resistance strain sensor bridge circuits, the three op amp instrumentation amplifier circuit and a/d conversion circuit system data sampling circuit are completed; the system of control procedures, system design software program initialization,parameter settings, a/d conversion and failure alarm processing software module design is completed.key words: resistance strain sensor; single-chip stc89c52; a/d conversion; led display内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要iabstractii第一章 绪论11.1 课题研究背景与意义11.2 本设计主要任务21.3 论文的总体结构21.4 数字化称重仪表的历史与现状31.5 数字化称重仪表的特点与基本性能41.5.1 数字化称重仪表的特点41.5.2 数字化称重仪表的基本性能4第二章 数字化称重仪表总体方案设计52.1 数字化称重仪表的基本结构52.1.1 系统硬件结构52.1.2 系统软件结构62.2 重量数据采集电路与算法72.3 系统基本性能探析9第三章 系统硬件设计与实现113.1 系统硬件概述与工作原理113.1.1 系统硬件概述113.1.2 系统硬件组成及工作原理113.2 等臂全桥差动电阻应变式传感器123.3 三运放仪表放大器133.4 a/d转换器（tlc0832）153.5 stc89c52单片机163.6 三极管驱动数码管led显示电路193.7 声光报警电路203.8 2*2键盘21第四章 系统软件设计与实现234.1 系统软件设计概述234.2 系统软件主程序及子程序流程234.2.1 系统主程序流程234.2.2 a/d转换（0832）程序流程244.2.3 led显示程序流程254.2.4 键盘扫描程序流程264.3 系统c51语言的选用27第五章 抗干扰分析与系统调试295.1 抗干扰分析295.1.1 干扰产生原因295.1.2 抗干扰措施315.2 系统调试325.2.1 系统调试概述325.2.2 系统硬件调试325.2.3 系统软件调试345.2.4 整机调试37第六章 结论与展望386.1 设计结论386.2 未来展望39参考文献41附录a 硬件原理图43附录b 源程序44致 谢52 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 绪论1.1 课题研究背景与意义当前市场电子称重技术的出现，极大促进了现代化制造技术的发展，特别是称重数字化技术和产品，在工业生产过程应用中，既提高了产品的质量，又提高了生产效率。早期的称重仪表基于早期单片机技术，对称重信号的放大和转换处理，但由于数字电路和模拟技术的发展水平较低，导致仪表结构复杂而且操作繁琐，参数设置依靠数十个dip开关的位置来确定，多只传感器需要串连接入仪表，以补偿放大电路的不足，而由此带来的角差调整问题一直无法解决。到上个世纪八十年代末九十年代初的时候,普遍使用的称重仪表基本成型,通过按键和按钮可设置各种参数，并进行各种操作，再加上放大电路和高速高精度a/d转换技术的突破，多称重传感器并联接入称重仪表，有效解决了传感器角差问题，使得计量更准确、可靠。上世纪九十年代末的时候，数字式称重传感器开始逐渐在国外应用，出现了相应的数字化称重仪表；可将多路数字传感器的信号同时输入仪表，在检测总重量的同时可分别看到各传感器的资料，带来了更换传感器免标定、总量数据更稳定、传输距离更远等一系列优点。数字化称重技术的研究方兴未艾,是科学技术的发展方向,数字化称重仪表的发展将会越来越快,为我国科学的发展作出更大的贡献。目前国内外称重技术已经较初期有了很大的发展，但主要发展趋势可以概括为功能多样，体积减小和使用方便等三个方面。当前，由于微电子技术、计算机技术、测控技术和称重技术的迅速发展，我国工农业生产也得到了长足的发展，对数字化技术和称重技术的要求也越来越高。然而今天的称重技术远远没有达到我们理想所要求的状态，所以在过去称重仪表发展的基础上，利用新技术设计一种新型的数字化仪表来满足当今市场需求已是我们专业人员不得不面对的重大责任。通过将近三年多对仪表的学习认识和近半年多对称重仪表的探讨，使我对称重仪表在微处理器中的应用有了一个新的认识，并且结合自己的观点和想法概括出了一种新型数字化称重仪表。1.2 本设计主要任务1.分析市场对称重仪表的功能要求，概括系统总体设计方案。对数字化称重仪表的总体概述，以及画其原理结构框图，并确定设计仪表完成的功能。2.系统硬件设计完成系统微处理器的选用，称重传感器的选用，仪表放大器的选用，a/d转换器的选用，三极管以及驱动led显示的选用，以及它们的连接方式和工作原理，并用protel 99se画出原理图（sch图）和简单的pcb图。3.系统软件设计确定系统称重算法，制定软件程序流程图，并根据软件程序流程图，选用合适的编程语言编写源程序，进而进行软件程序调试以及程序优化，最终实现软件运行。4.对设计系统抗干扰分析以及软硬件调试，并进行整机功能演示。5.根据设计过程与现象，分析和概括设计结论，并对称重系统未来发展进行展望。1.3 论文的总体结构第一章是绪论部分。介绍课题的研究背景及意义、主要工作与任务，称重仪表的特点与基本功能。并通过分析称重仪表的历史和现状，指出国内称重技术的不足。第二章是系统总体设计方案分析。分析称重系统软硬件的设计方案，实现称重数据采集系统的电路图以及算法，并对系统性能进行探析。第三章是系统的硬件设计与实现。本章详细介绍系统硬件的组成和特点，各功能硬件模块的选用，主要包括微处理器模块、数据采集模块、参数设置模块、a/d转换模块、led 显示模块和声光报警模块。第四章是系统的软件设计与实现。本章软件设计内容包括系统主程序、数据采集与数据处理模块和声光报警等模块的设计，详细描述了数据采集模块的采集和处理，设计了系统主程序和数据采集处理程序。第五章是抗干扰分析与系统调试。介绍在工业现场中仪表可能遇到的各种干扰以及抗干扰措施和系统软硬件调试过程。第六章是结论与展望。总结论文整体内容，概况毕业设计阶段所有的学习成果，探讨论文的局限性和待改善之处，并且对今后工作进行展望。1.4 数字化称重仪表的历史与现状早期的称重仪表由于数字电路和模拟技术的发展水平较低，结构复杂并且操作繁琐，现在我们所说的数字化称重仪表是将微处理器技术应用于称重仪表，使其具有类似人的智能特性或功能特点，它已不再是以前的硬件实体，而是硬件与软件相结合的，由软件系统在数字化高低方向起决定作用的新型数字化称重仪表。近年来，由于我国改革开放的不断推进，微型计算机技术和嵌入式系统迅速发展，称重仪表对数字化要求越来越高。当前的称重仪表是以单片机或嵌入式系统为主体，由编程软件、各种特殊而复杂的功能模块、简化的用户组态编程功能以及各种典型应用的控制策略包等模块组成的软件，实现了称重仪表在数字化上具有自动称量、在线称量、综合称量的能力，并可通过微处理器的数据处理实现系统自动校准、自动补偿、数字滤波、统计分析、数字处理等，从而在很大程度上提高了系统的精度，拓宽了称重仪表在称重领域中的应用范围。也实现了预期称重自动配料、人机对话、故障诊断、掉电保护、数据处理及远距离显示等许多功能。在外观和操作界面上，也更具有人性化和个性化。1.5 数字化称重仪表的特点与基本性能1.5.1 数字化称重仪表的特点1.具有系统参数设定、自动清零、数据处理、故障自我诊断、自动修正误差功能等特点。2.具有结构简单、体积小、成本低、现场适应能力强、称重准确、可靠性高、动态响应好等特性。1.5.2 数字化称重仪表的基本性能近年来,由于微型计算机技术和嵌入式系统迅猛发展,当前的称重仪表是以单片机或嵌入式系统为主体,由编程软件、各种特殊而复杂的功能模块、简化的用户组态编程功能以及各种典型应用的控制策略包等模块组成的软件,来完成众多的数据处理和控制任务,取代传统的模拟称重仪表，并展现出一些新的功能。（1）操作自动化。数字化称重仪表的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用微处理器来控制操作,实现测量过程的全部自动化。（2）具有自测功能,包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等，并它能自动检测出故障的部位，甚至故障的原因。（3）具有数据处理功能。数字化称重仪表都是采用微处理器进行系统控制，所以可以用软件编程灵活地解决过去的硬件逻辑问题。（4）具有独特的人机对话能力。数字化称重仪表通过键盘输入命令实现某种测量功能，同时也通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时反映给操作人员,使仪表的操作更加方便直观。第二章 数字化称重仪表总体方案设计2.1 数字化称重仪表的基本结构数字化称重仪表实际上是一个专用的微处理器称重系统，设计过程主要包括分析当前市场对称重仪表的功能要求和概括其总体设计方案，确定硬件结构和软件算法，研制逻辑电路和编制程序,以及对仪表各模块、整机安装调试和性能功能测试等。在设计结构上，主要由硬件设计和软件设计两大部分。2.1.1 系统硬件结构硬件结构主要包括称重传感器、仪表放大器、a/d转换器、微机系统以及显示与声光报警装置，其基本组成如图 2.1 所示，现对图中主要部分分别表述如下：图2.1 硬件结构原理方案图1.称重传感器与仪表放大器称重传感器是整个数字化称重系统采集重量信号的源头，是一种将被测物质量信号变换为与其质量成比例的电信号的装置。也有人称其为数字化称重系统的“心脏”。它具有称量响应速度快、灵敏度高、性能稳定可靠、机械结构简单、传输距离远、体积小、重量轻、机械磨损小、输出信号大、使用寿命长、维修及操作使用简单、环境适应性强等特点。然而，由于它在称重现场采集并变换的各种参量信号都很微弱，通常只有 uv 或 mv，不能满足微机系统输入的要求，必须用高输入阻抗的仪表放大器对它们进行放大，使其达到一定的幅度（通常为几伏）。2.a/d转换器a/d转换器是整个数字化称重系统的重要组成部分。它能把称重传感器与仪表放大器采集并放大的模拟信号转化为相应的数字信号，从而为微机系统对称重数据存储、运算、逻辑判断提供了保障。3.微机系统单片机芯片配以必要的外部器件就能构成最小微机系统。对于较复杂的数字化称重仪表，需较大的存储器容量和较多的 i/o 接口，单片机能提供很强的扩展能力，可以直接与外部存储器和 i/o 接口电路相连接，构成功能较强、规模较大的微机系统。它可以将称重传感器和a/d转换器采集转换获得的数字信号进行存储、运算并处理，最终将结果显示和报警等。4.人机对话通道系统数字化称重仪表中的人机对话通道是用户为了对称重仪表进行干预及了解该仪表运行状态所设置的通道。它所配置的设备主要有：键盘、显示器、电源与复位开关、报警器等。2.1.2 系统软件结构数字化称重仪表软件结构主要包括实现采集重量数据的算法、各模块程序设计流程以及系统c51编程程序等。（1）采集重量数据算法。算法顾名思义，即计算方法，也就是为求得重量数据显示的计算结果，而使用的方法和步骤。算法是解决问题的基本环节，是程序设计的核心。（2）系统软件模块流程主要包括主程序流程、a/d转换流程、键盘与显示等流程。主程序流程是面向称重仪表软件整体设计，其内容包括：在工作电源激励下，通过键盘扫描程序，对仪表的功能、操作方式与工作参数进行设置、控制；根据仪表设置的功能和工作方式，控制i/o接口电路进行数据采集、存储；按照仪器设置的参数，对采集的数据进行报警等相关处理，并以数字形式显示测量结果和仪表的工作状态。a/d转换流程是面向模拟信号与数字信号的对应转换管理，其内容是接收并分析来自称重传感器和仪表放大器的电压信号，通过自身功能转换为数字信号，并送给微处理器进行有关的数据存储、运算等，进而送入显示接口显示测量结果、数据处理结果及仪表的现行工作状态。键盘和显示流程主要完成超载数据设定、人机对话等任务，使工作人员能及时实施系统操作，以至系统在称量过程中能得到准确值。（3）系统使用c51编写软件程序，不仅具有易理解性、易维护性，而且在编程过程中，可以对各个模块单独进行调试，调试通过后再进行整体调试。2.2 重量数据采集电路与算法随着称重技术以及微计算机技术的迅速发展，重量数据采集系统取得了巨大的进展，主要得益于硬件集成电路的不断发展。当前，单片机和大规模集成电路的组合，加上用软件管理，使重量数据采集系统不仅具有成本低，体积小，功能多等特点，而且系统采样率、分辨率、存储深度、数字信号处理速度、抗干扰能力等许多技术指标都有了前所未有的变化。重量数据采集系统的发展是整个称重系统实现自动化的最前端，所以必须有测试精度高、数据处理速度快以及实现这些功能的成本低等特性。重量数据采集通常是指将重量信号转换为计算机能显示的数字信号、并由计算机存储以及数据处理显示的过程，其相应的系统称为重量数据采集系统。它综合应用了数据采集技术、称重传感器技术、信号处理技术、微计算机等技术，实现了高精度、高可靠性、响应速度快、现场适应能力强的称重系统。采集电路如图2.2所示图2.2 系统数据采集电路图在图1电路中，由于设计设定r1=r2=r3=r4=r ，电桥电路构成了等臂全桥差动电路，即输出电压u0=u , 根据电阻应变片的灵敏度k=,（为电阻丝纵向应变）。所以输出电压u0=ku ,而对于相同材质的电阻应变片经过伸缩后，有=，=，即等臂全桥差动电路组成的称重传感器输出电压 （2.1）k为称重传感器的灵敏度，gf为称重传感器的满量程值，u为传感器工作电压(即设计系统为+5v)，gx为被测重量值。称重传感器的输出电压加在三运放仪表放大器的反相和同相输入端，并且系统设定电阻r5=r6，r7=r8，r11=r12后，使三运放仪表放大器完全成为对称结构，即输出电压 （2.2）由式（2.1）和(2.2)可得 （2.3）又因为tlc0832a/d转换器的参考电压 (2.4)tlc0832a/d转换器最终输出数字读书为 （2.5） 采样系统采用“电压比率测量法”，可减轻对激励源高精度和高稳定性的要求和压力。a/d转换器采用单一的+5v电源工作，对01.5v范围内的单端信号进行变换，它功耗比较低，适用于电池供电和远程测量。2.3 系统基本性能探析数字化称重仪表就其本身的结构而言，主要具有变换、比较、显示装置三部分。而从其结构原理图可知，系统是由多个环节串联而成，所以从属开环结构，即系统全部信息变换只沿着一个方向进行，其灵敏度与精度由开环特性可表示如下形式。1.灵敏度 （2.6）式中k为称重仪表的灵敏度；为开环各环节的灵敏度。2.精度 （2.7）式中为称重仪表的相对误差，为开环各环节的相对误差。 由式（2.6）与（2.7）可知：若要增加称重仪表灵敏度k，必须增加环节的个数或增大环节的灵敏度。增加环节个数，称重仪表的相对误差必增大；若不增加环节个数，而提高环节灵敏度，则对应较小的输入信号，就能得到相同的输出显示，故仪表对应的测量范围必减小；若绝对误差不变，称重仪表相对误差必将随着增大。因此在增加系统灵敏度的同时，称重仪表的相对误差也相应增大，从而降低了仪表精度。另外在这种结构中，在增加灵敏度的同时，称重仪表的稳定性也在大大的降低。因此，在本设计系统中主要采用等臂全桥差动电路提高其灵敏度，采用三运放仪表放大器提高其精度，保证了设计仪表在当今市场的适用性。 第三章 系统硬件设计与实现3.1 系统硬件概述与工作原理3.1.1 系统硬件概述数字化称重仪表在硬件设计中，根据称重任务、应用场合的不同，选择不同的硬件体系，但主要根据称重系统的规模大小、控制功能性质及复杂程度、实时响应速度及检测控制精度等专项指标和通用指标决定。设计从使用称重仪表现场出发，应用stc89c52单片机组成的硬件平台，开发了一台具有独立性、创造性、先进性的数字化称重仪表，与以往称重仪表相比，提高了称重精度、可靠性、可维护性和可测试性，增强了其性能和功能。而硬件设计系统是由称重传感器、模/数信号调理、数字信号处理、重量数据显示、声光报警控制等几部分组成。3.1.2 系统硬件组成及工作原理本设计是以等臂全桥差动电阻应变式称重传感器、三运放仪表放大器、tlc0832a/d转换器、stc89c52单片机、三极管驱动的led显示器、声光报警器以及2*2矩阵键盘等构成的一个简易的数字化称重仪表，结构原理图如图3.1所示 图3.1 系统结构原理图其简单的工作原理为载荷作用在工作电源激励下的电阻应变式称重传感器上，经称重传感器检测变换为与质量成比例的电信号，该信号首先经三运放仪表放大器放大，然后通过tlc0832a/d转换器转换成数字信号后进入stc89c52单片机，由单片机软件自动调节控制，同时将处理后的称量数据送至led显示器进行显示。在称重过程中一旦遇到超载等故障，由单片机软件自动判断故障,并进行相应的声光报警处理。3.2 等臂全桥差动电阻应变式传感器本设计使用等臂全桥差动电路构成的电阻应变式传感器实现重力、弹性应变、电阻变化、电信号变化四个转换环节。电路图如图3.2所示图3.2 等臂全桥差动电路图由上图可知，当r1r4=r2r3时，电桥处于平衡，输出电压u0=0。若电桥各臂均有相应的电阻增量,和，则可得 (3.1)由于系统采用等臂全桥差动电路，即r1=r2=r3=r4=r,=-=-=, (为正值)，所以输出电压 (3.2)这种称重传感器是一种用金属弹性体作为力转换为应变的功能元件，它通过粘贴在弹性体敏感表面的电阻应变计及其等臂全桥差动电路组成的电桥网络，具有稳定性、线性度好等特点的传感器。它在粘贴应变片时，分别使电桥中的两个相对应变片受拉，两个受压，应变符号相反，工作时将应变片接入电桥相邻两臂，使应变片产生的应变转换为电阻的变化，然后转换为电压（或电流）的变化，即电桥输出电压/输出电流，最后通过模/数转换进入单片机实现数据处理控制。系统使用该电路不仅消除了传感器自身带来的非线性误差，而且提高了电桥的输出灵敏度，同时还起到温度补偿作用。3.3 三运放仪表放大器三运放仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、低漂移、低功耗、低输出阻抗、高输入阻抗和高共模抑制比、宽电源供电范围及小体积等特点。它在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑制比cmr。电路图如图3.3所示图3.3 三运放仪表放大器电路图由图3.3可知，三运放仪表放大器是由三个集成运算放大器、一个增益电阻器和几个固定电阻构成。在该电路中，由于每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压，所以整个差分输入电压现在都呈现在rx两端。因为输入电压经过放大后（在a1 和a2的输出端）的差分电压呈现在r11，rx和r12这三只电阻上，所以差分增益通过仅改变外接电阻rx实现由1到上万倍的增益精确设定，减少了由于增益相关误差带来的数据采集误差。系统设定r11r12，r5r6和r7r8，并可知a1和a2两端输出电压为 (3.3)根据理想运算放大器的特征有 (3.4)由于rx两端的电压等于ux(ux为正值)，根据分压定理得 (3.5)根据反向放大器原理可得 (3.6)由式(3.3)、(3.4)、(3.5)和(3.6)可知 (3.7)在这种电路中应注意:因为加到放大器输入端的共模电压在rx两端具有相同的电位，从而不会在rx上产生电流，（由于没有电流流过rx）也就无电流流过r11和r12，所以放大器a1 和a2将作为单位增益跟随器而工作。另外，这种电路由于结构上的对称性，输入放大器的共模误差将被输出级的减法器消除。但在使用它时需注意几点：首先，由于该电路结构放大差分信号，去除共模信号，所以两级电路之间的中间节点载荷着大约一半的差分信号再加上共模信号，须确保这个信号处于运放的工作范围之内，当改变输入电压的共模成分时，如果看到类似于饱和的现象，则应首先检查这里。其次，流过rx的电流。当把仪表放大器的增益设置得很高时，rx就会很小，这意味着差分电压很大的时候，rx上产生的电流也会相当大，一般情况下，它对系统有负面作用。 3.4 a/d转换器（tlc0832）模拟量转换成数字信号需经采样量化编码三个基本过程（数字化过程）。由于实验室条件有限，本设计采用tlc0832作为模/数转换的基本器件，芯片引脚图如图3.4所示图3.4 tlc0832芯片引脚图由图3.4可知，tlc0832与单片机的接口有4条数据线，分别是cs、clk、do、di。cs为片选使能，低电平芯片使能；ch0为模拟输入通道0，作为in+/-使用；ch1为模拟输入通道一，作为in+/-使用；gnd芯片参考0电位（地）；di为数据信号输入，选择通道控制；do为数据信号输出，转换数据输出；clk为芯片时钟输入；vcc/ref为电源输入及参考电压输入。但由于do端与di端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将do和di并联在一根数据线上使用。其功能见表3.1所示表 3.1 a/d采样单端模式选择表由上表可知，设计系统采用单通道输入模拟信号，即在模式选择中，当2位数据为“1”、“0”时，只对ch0进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对ch1进行单通道转换。tlc0832的工作过程：当它处于未工作状态时，cs应为高电平，clk和d0/d1的电平可以任意。当要进行a/d转换时，必须先将cs置于低电平，并保证在一次转换结束时置于高电平。在开始转换过程中，由微处理器向tlc0832的clk输入时钟脉冲，do/di端则使用d1端输入通道功能选择的数据信号。在第一个时钟脉冲的下沉之前di端必须是高电平，表示起始信号。在第2、3个脉冲下沉之前di端应输入2位数据用于选择通道功能，到第3 个脉冲的下沉之后di端的输入电平就失去输入作用，此后do/di端则开始利用数据输出do进行转换数据的读取。从第4个脉冲下沉开始由do端输出转换数据最高位dat7，随后每一个脉冲下沉do端输出下一位数据，直到第11个脉冲时发出最低位数据dat0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个脉冲的下沉输出dat0，随后输出8位数据，到第19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次a/d转换的结束。最后将cs置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。3.5 stc89c52单片机微处理器是整个数字化称重仪表的核心，它具有基本的存储、运算、逻辑判断能力，其稳定性和可靠性直接影响到产品的性能、成本及设计开发的进度。在称重系统中，主要功能模块都集中在所选微处理器功能中，微处理器不仅接受a/d转换器输出的数字信号、进行数据处理，而且输出重量显示数据并进行声光报警等自动控制。在称重系统中选用合适的微处理器，能在很大程度上降低系统的成本,提高可靠性，减小体积，本设计通过对stc系列单片机的了解，从产品性能上比较以及从开发装置的适宜角度考虑，最终选择了stc89c52单片机。stc89c52是一个低电压，高性能cmos 8位单片机，它具有可靠性高、电磁辐射量小、响应速度快、抗干扰性和控制功能强等特点，片内含8k的可反复擦写的flash只读程序存储器和256k的随机存取数据存储器（ram），器件采用stc公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和flash存储单元，功能强大的stc89c52单片机可以实现称重系统的所有功能，其芯片引脚图如图3.5所示图 3.5 单片机芯片引脚图stc89c52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（i/o）端口，内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口，stc89c52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的flash存储器可有效地降低开发成本。各引脚功能如下所示：p0口：p0口为一个8位漏极开路双向i/o口，也即地址数据总线口。作为输出口时可以驱动8个ttl逻辑门电路，对端口p0写“”时，可做为高阻抗输入端用。p1口：p1口是内部带有弱上拉电阻的准双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4个ttl门电流。p1口锁存器写入1后，p1口引脚被上拉为高电平时，可用作输入，p1.0和p1.1引脚除了可以作为一般使用外，还具有第二输入/输出功能：p1.0：定时器t2的计数输入端或定时器t2的时钟输出端。p1.1：定时器t2的外部触发输入端。 p2口：p2口是内部带有弱上拉电阻的准双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写入“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，作为输入。在读/写外部存储器时，p2口输入高八位地址信号a15-a8。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。在flash编程和校验时p2口接收高八位地址信号和控制信号。p3口：p3口是内部带有弱上拉电阻的准双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。作输入引脚使用前，先向p3口锁存器输入1，使p3口引脚被上拉成高电平。p3口除了作为一般的i/o引脚使用外，还具有第二功能。p3口作为一些特殊功能口，如下所示：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（计时器0外部输入）p3.5 t1（计时器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。rese t：复位信号输入端，高电平有效。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/prdg：低八位地址锁存信号。在访问外部存储器时，用ale/prdg下降沿从p0口输出的低八位地址信息a7-a0,以便随后将p0口作为数据总线使用。在正常情况下，ale/prdg输出信号恒为1/6振荡频率，并可用作外部时钟或定时信号。psen：外部程序存储器的读选通信号。在由外部程序存储器取指令期间，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：外部程序存储器选择信号，低电平有效。在复位期间cpu检测并锁存ea/vpp引脚电平状态，当该引脚为高电平时，从片内程序存储器取指令，只有当程序计数器pc超出片内程序存储器地址编码范围时，才转到外部程序存储器取指令；当该引脚为低电平时，一律从外部程序存储器取指令。x1：片内晶振电路反向振荡放大器的输入端，接cpu内部时钟工作电路。x2：片内晶振电路反向振荡器的输出端。3.6 三极管驱动数码管led显示电路led数码管实际上是由7个发光管组成“8”字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮。它具有体积小、抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长，工作电压低，功耗小，响应速度快等优点。led数码管常用的显示方法有两种，分别为静态显示和动态显示，并且根据led数码管内各笔段led发光二极管的连接方式，可将led数码管分为共阴极和共阳极两大类。本设计中采用的是共阳极的动态显示电路，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划（a,b,c,d,e,f,g,dp）的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极com增加位选通控制电路，位选通由各自独立的i/o线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通com端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮，通过分时轮流控制各个数码管的的com端，就使各个数码管轮流受控显示。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示能够节省大量的i/o端口，而且功耗更低，三极管驱动led显示连线图如图3.6所示图3.6 三极管驱动led显示连线图设计系统用单片机外界三极管驱动共阳极数码管显示称重数据，这里使用的三极管为pnp型，并且只是当开关用，工作在截止状态或饱和状态。每个共阳数码管的com段通过三极管接电源，三极管的基极通过一个4.7k的电阻接控制i/o，集电极接电源com，发射极接vcc.要选通哪一位数码管显示由i/o控制，相当于扫描，然后段码端（即a，b，c，d，e，f，g )输出要显示的数据，此时为低电平有效。3.7 声光报警电路设计中有上限报警，用一个蜂鸣器和一个红色发光二极管显示报警。当被测重量正常时，蜂鸣器不响，发光二极管不亮，当被测重量高于设定值时，p2.0为“1”，蜂鸣器不停地发出声音，发光二极管一直点亮，这种报警电路有助于不同类型的人使用，并且能使工作人员及时解除超载，有利于延长仪器仪表的寿命。硬件连线图如图3.7图3.7 报警硬件连线图在图3.7中可以看出，系统报警电路主要由一个1k的固定电阻、一个蜂鸣器、一个发光二极管和一个pnp三极管组成。3.8 2*2键盘键盘是最常用也是最主要的输入设备，在称重系统中主要用它将设定超载最小值输入到计算机中，在称重过程中一旦遇到称重传感器超载问题，计算机将以警报的方式向工作人员发出命令。图 3.8 2*2矩阵式键盘上图为2*2矩阵式键盘，它由行线和列线组成，按键设置在行、列结构的交叉点上，行列线分别连在按键开关的两端，与微型计算机的连接采用i/o接口直接接入p2口。在这种键盘中，每个按键的状态同样需变成数字量“0”和“1”，在软件编程上也容易实现。设计系统采用的2*2键盘为活动式键盘，它作为一个独立的输入部件，直接采用按键焊接联结实现键盘硬件设计。在整机调试中可以看到：2*2键盘实现了系统设定值的各位设定,并且在按键被按下瞬间，蜂鸣器和发光二极管瞬时响起并且点亮，这样避免了在设定过程中产生错误。2*2键盘扫描连线图如图3.8所示注：硬件原理流程图见附录a。第四章 系统软件设计与实现4.1 系统软件设计概述在实际称重控制系统中，系统能否正常可靠地工作，除了硬件的合理设计外，还与功能完善的软件设计是分不开的，数字化称重仪表的软件设计主要是基于结构化程序设计的思想，采用模块化设计，对系统每个子程序模块单独进行设计、编制和调试，使程序避免重复性且具有清晰的总体结构，从而满足实时测量和数据处理的要求。数字化称重仪表的系统软件不是单一的控制程序，而是使仪表正常运行必不可少的软件系统，从而实现人机对话与系统资源的合理的有效使用。设计系统采用c51语言编程，充分利用c51语言编程的优点，使程序效率满足实时性要求。4.2 系统软件主程序及子程序流程4.2.1 系统主程序流程系统控制软件模块主要由主程序、数据采集程序、数据处理程序、键盘处理程序、数据显示程序、超载报警程序等几部分组成，主程序流程图如图4.1所示图4.1 系统软件主程序流程图（1）主程序主要完成称重系统的初始化、初始化自诊断、显示及键盘扫描等功能。（2）称重数据采集程序主要完成对称重传感器信号的采集、放大以及a/d转换等功能。（3）称重数据处理程序主要运用一定的数学模型对采集数据进行计算，最终得到被测物的真实重量值（由微处理器完成）。（4）键盘处理程序主要完成键盘信号的输入，重量参数设定、重量数据核定等功能。（5）比较与超载报警程序主要对被测物的真实重量与系统设定的最大重量值进行比较，对超载重量数据进行声光报警。（6）称重数据显示程序主要完成对被测物重量数据进行显示，便于工作人员能及时对称重系统实施整体控制。4.2.2 a/d转换（0832）程序流程在本设计系统中，a/d转换器与微处理器连接编程时，运用中断查询法，因0832a/d转换器不提供片选逻辑电路，因此地址译码主要由微处理器来实现。a/d被作为i/o设备来对待，工作过程是：微处理器对a/d所占用的i/o口地址执行一条输出指令，用wr和片选信号cs结合起来所产生的启动信号去启动a/d转换（cs=0）。然后执行延时循环程序，待一固定时间（这个时间应安排得比转换时间稍长些，以保证结果的正确性），延时结束后，对用于启动转换的同一地址执行一条输入指令，用rd和cs结合所产生的允许输出信号do读出转换结果数据。当转换结束时，a/d产生转换结束信号（cs=1）。a/d程序流程序如图4.2所示图4.2 a/d转换子程序流程图4.2.3 led显示程序流程设计系统运用9012三极管扩展的4 位共阳极led 动态显示接口电路已被成功地应用到以stc89c52 单片机为核心的数字化称重仪表中，系统定义p1.0、p1.1、p1.2和p1.3端口分别控制数码管的千位、百位、十位和个位的供电，当相应的端口变成低电平时，驱动相应的三极管会导通，+5v通过驱动三极管给数码管相应的位供电，这时只要p0口送出数字的显示代码，数码管就能正常显示数字，在实验调试运行过程中表明,led 显示清晰稳定不闪烁。 其程序流程图如图4.3图 4.3 led显示流程图4.2.4 键盘扫描程序流程系统采用2*2键盘实现超载最小值的设定，它的扫描程序任务是：键盘初始化，确定有无键按下，判断哪一个键按下，定义键的功能，并消除按键在闭合或断开时的抖动。2*2键盘连接中，有两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查询主函数定义的功能键，查出该键的功能，键盘扫描流程图如图4.4所示图4.4 键盘扫描流程图在设计系统中，微处理器采用中断扫描法对2*2键盘进行行扫描，cpu 响应中断后，立刻转到响应的中断服务程序，对键盘进行扫描，判别键盘上闭合键的键号，并做相应的处理，这样节省了大量的空扫描时间，进而提高了计算机的工作效率。4.3 系统c51语言的选用随着单片机的普及应用，单片机控制系统的软件开发语言也在不断地发展更新。目前，开发单片机控制系统的软件可以用汇编语言编程，也可以用pl/m-51单片机程序设计语言，还可以用c一51编制控制软件。c一51语言是一种结构化语言，与标准c语言完全兼容，具有代码效率高、可移植性强、库函数丰富、支持浮点运算、可直接操作硬件资源和实时性强等特点。根据本系统的控制任务及考虑到实时性等情况，设计系统的软件程序采用c一51编制语言编程，它具有很强的功能性和结构性，可以缩短单片机控制系统的开发周期，而且易于调试和维护，已经成为目前单片机语言中最流行的编程语言。称重系统对仪表性能有着严格要求，因此在编程时必须对系统性能起决定作用的关键程序重点编写，设计系统根据以下方法进行编写。（1）对局部变量、函数参数和返回值使用 void 和 unsigned char 类型，避免在编程过程中类型转换。（2）循环体形式采用for或while 循环体进行循环。（3）函数参数个数定义少，并利用全局变量传递参数，以此提高函数调用的效率。（4）使用各种逻辑操作替代位操作运行，使用左移和右移的方法代替除法操作运行。（5）使用switch与break语句联用构成多分支选择结构的执行流程，实现了系统参数设定功能，并且减少了运行时间，加快了运行速度。注：系统软件c51源程序见附录b。第五章 抗干扰分析与系统调试5.1 抗干扰分析工业生产中称重仪表的使用条件很复杂，形形色色的干扰存在。针对于灵敏度高的数字化称重仪表，外界干扰对其十分敏感，如果不采取有效的措施，将出现使称重仪表显示误差增大、灵敏度降低、指示不稳定现象，严重时称重仪表将无法工作。因此在称重过程中有必要考虑干扰来源及其消除的方法。5.1.1 干扰产生原因干扰产生的原因是多种多样的，针对称重仪表干扰来源主要有电磁感应、静电感应、漏电、不等电位接地等产生的干扰。1.电磁感应在大功率变压器、交流电机、强电流电力线等周围存在较强的交变磁场，如果称重仪表信号线在其附近通过，就会受到交变磁场影响而产生交变电动势，形成工频干扰。 雷击、接触器触点发生火花，具有电容或电感的回路断开或闭合时，均会产生高频的无线电波，同样会在称重仪表回路产生高频干扰，如图5.1所示图 5.1 电磁感应产生干扰2.静电感应静电感应是由于两条支电路或元件之间存在着寄生电容，使一条路上的电荷通过寄生电容传到另一条支路上去因此又称为电容性耦合。静电感应一般产生串模干扰（如图5.2 所示），因此此干扰对系统影响比较大，应予抑制。图5.2 静电感应产生干扰3.不等电位接地同一信号回路多点接地，“大地”成为信号回路的一部分。由于实际大地电阻不为零，因此当大地中流过电流时，在不同点上就会产生不等电位传播的现象。如果称重仪表输入回路中存在两个或多个接地点，就可能出现因接地点不等电位而产生共模干扰e，特别是出现接地故障电流或有直接雷击电流时，将出现强大的大地杂散电流，大地上不同接地点可能出现明显的电位差e，如图 5.3 所示。这个电位差信号线路所产生的干扰电流i，在导线电阻上产生压降，转换为串模干扰电压，影响仪表信号准确性。图5.3 地电位干扰4.漏电由于电子线路内部的元件接线柱、印刷电路板、电容内部介质或外壳等绝缘不良，特别是称重传感器的应用环境湿度较大，绝缘体的绝缘电阻下降，导致漏电电流增加引起的干扰，当漏电电流流入测量电路的输入级时，会给信号线路引入共模干扰电压。5.1.2 抗干扰措施针对称重仪表工作环境复杂等原因，除了在仪表内部电子线路中采取必要的抗干扰措施外，还应该分析干扰来源和形成途径，设法消除干扰源、切断干扰传播途径，提高称重仪表抗干扰能力。本设计提供如下方法：1.隔离为防止高电压、大电流、大功率等强电产生的各种干扰信号进入称重仪表内部，影响正常的工作，应使信号线路的路径在电气上无连接，使称重仪表线路与电力线路尽量远，各个干扰对信号线路的干扰尽可能的小。2.屏蔽(1)干扰源屏蔽，机电设备、电源开关等