毕业设计（论文）-基于单片机的控制电子秤.doc

1 目目 录录 第第 1 章章 绪绪 论论 .3 1.1 引言引言3 1.2 选题背景和意义3 1.3 国内外电子称发展及成果.4 1.4 本论文的研究内容及结构安排.5 第第 2 章章 系统方案设计系统方案设计6 2.1 系统总体设计方案比较与论证.6 2.2 硬件的方案设计与论证.8 2.2.1 传感器8 2.2.2 前级放大器部分12 2.2.3 信号转换14 2.2.4 控制单片机的选型16 2.2.5 显示模块17 2.2.6 键盘输入20 2.2.7 电源模块21 2.3 具体实施方案简介具体实施方案简介.23 2.4 本章小结本章小结.24 第第 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计25 3.1 基于 at89c51 的主控电.25 3.1.1 at89c51 简介25 3.1.2 引脚说明25 3.1.3 电路具体设计如下图 3.2 所示.27 3.2 信号放大电路信号放大电路.28 3.2.1 芯片 ina126 简介 28 3.2.2 ina126 特点及引脚说明 .28 3.2.3 具体电路设计如下图 3.4 所示.29 3.3 信号转换电路信号转换电路.29 3.3.1 芯片 lm331 应用29 3.3.2 lm331 功能介绍.30 3.3.3 具体电路设计如下图 3.6 所示.31 3.4 本章小结本章小结.31 2 第第 4 章系统软件设计章系统软件设计32 4.1 c 语言在单片机中的应用.32 4.2 电子称的软件设计与实现.33 4.3 主程序流程图33 4.4 子程序设计.34 4.4.1 v/f 转换启动及数据读取程序设计.35 4.4.2 显示子程序设计.35 4.4.3 键盘扫描子程序的设计.36 4.5 本章小结本章小结.37 结结 论论38 参考文献参考文献.39 致致 谢谢40 3 第第1 1章章 绪绪 论论 1.1 引言 在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是就用到秤，但是随着社会的进步、科 学的发展，我们对其要求操作方便、易于识别。随着计量技术和电子技术的发展，传统纯 机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等 以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。电子秤向提高精度和降 低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。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。 1.2 选题背景和意义 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 重装置不仅是提供重量数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组 成部分，推进了工业生产的自动化和管理的现代化，它起到了缩短作业时间、改善操作条 件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的 作用。称重装置的应用已遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效益。电子秤是称重 技术中的一种新型仪表，广泛应用于各种场合。电子秤与机械秤比较有体积小、重量轻、 结构简单、价格低、实用价值强、维护方便等特点，可在各种环境工作，重量信号可远传， 易于实现重量显示数字化，易于与计算机联网，实现生产过程自动化，提高劳动生产率。 例如标签秤在超市中的应用已经是耳闻目睹的了。一张小小的标签包含着：品名、价格、 重量等，一一列表在这小小的电子标签上。标签机的使用大大加快了销售速度，也方便了 顾客。顶尖条码标签称有着许多卓越的特点，以太网功能使管理更加方便。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，随着时代科技的迅猛发展，微电子 学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的 4 影响。经过 40 多年的不断改进与完善，衡器技术也在不断进步和提高。从世界水平看，衡 器技术已经经历了四个阶段，从传统的全部由机械元器件组成的机械称到用电子线路代替 部分机械元器件的机电结合秤，再从集成电路式到目前的单片机系统设计的电子计价秤。 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。常规的测试仪器仪表和 控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自 动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科 学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。 1.3 国内外电子称发展及成果 随着第二次世界大战后的经济繁荣，为了把称重技术引入到生产工艺过程中去，对称 重技术提出了心动要求，希望称重过程自动化，为此电子技术渗入衡器制造业。在 1954 年 使用了带新式打印机的倾斜式秤，其输出信号能控制商用结算器，并且用电磁铁机构与人 工操作的按键与办公机器联用。在 1960 年开发出了与衡器相联的专门称重值打印机。当时 带电子装置的衡器其称量工作是机械式的，但与称量有关的显示、记录、远传式控制器等 功能是电子方式的。电子称的发展过程与其他事物一样，也经历了由简单到复杂、又粗糙 到精密、由机械到机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。特别是近 30 年以 来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都离不开能输 出信号的电子衡器。这是由于电子衡器不仅给出质量或重量信号，而且也能作为总系统中 的一个单元承担着控制和检验功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。近 年来电子称已愈来愈多地参与到数据的处理和控制过程中。现代称重技术和数据系统已经 成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可或缺的组成部分。 随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子称的发展奠定了基础，国外如美国、西欧等 一些国家在 20 世纪 60 年代就出现了 0.1%称量准确度的电子称，并在 70 年代中期约对 75%的 机械称进行了机电结合式改造。 我国的衡器在 20 世纪 40 年代以前还全是机械式的，40 年代开始发展了机电结合式的 衡器。50 年代开始出现了以称重传感器为主的电子衡器。80 年代以来，我国通过自行研究 引进消化吸收和技术改造。已由传统的机械式衡器步入集传感器、微电子技术、计算机技 术与一体化的电子衡器发展阶段。目前，由于电子衡器具有称量快、读数方便、能在恶劣 条件下工作、便于与计算机技术相结合而实现称重技术和过程控制的自动化特点，已被广 泛应用于工矿企业、能源交通、商业贸易和科学技术等各个部门、随着称重传感器技术以 5 及超大规模集成电路和微处理器的进一步发展，电子称重技术及其应用范围将更进一步的 发展，并被人们越来越重视。电子衡器产品量大面广、种类繁多，从通用的各种规格的电 子称到大型的电子称重系统，从单纯的称重、计价到生产过程检测系统的一个测量控制单 元，其应用领域不断地扩大。根据近些年来电子称重技术和电子衡器的发展情况及电子衡 器市场的需求，电子称的发展动向为：小型化、模块化、智能化、集成化；其技术性能趋 向于速率高、准确度高、可靠性高；其应用性趋向综合性、组合性。 1.4 本论文的研究内容及结构安排 首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号 通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经 v/f 转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器， 从而显示出被测物体的重量。按照设计的基本要求，系统可分为三大模块，数据采集模块、 控制器模块、人机交互界面模块。其中数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和 v/f 转换部分组成。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。此部分对软件的设计要求比较高，系统的大部分功 能都需要软件来控制。在扩展功能上，本设计增加了一个过载报警提示。 本文的结构安排如下： 第 1 章绪论，简单介绍了本课题电子称的研究背景、研究目的、意义及国内外的研究 状况。 第 2 章系统方案设计，本章主要内容是电子称的方案设计，首先是对整体的方案进行 选择与设计，再针对各个模块（传感器、放大模块、信号转换模块、电源模块、人机交界 模块）进行具体的方案论证及设计。 第 3 章系统硬件设计，在选定各个模块的方案中，对各方案的用到的主要芯片进行简 单功能介绍及应用，并且给出了本次电路设计的具体电路图。 第 4 章系统软件设计，本章主要是介绍电子称的软件设计，给出了本次设计的主程序 流程图及一些模块的子程序图。 最后，对本次的研究课题的主要工作及结果做出了总结与讨论，并且指出了本次研究 工作中存在的不足和发现的一些问题。 6 7 第2章 系统方案设计 2.1 系统总体设计方案比较与论证 在设计系统时，针对各个模块实现的功能来设计电子秤的方案有以下几种： 方案一 数码管显示： 结构简图如下图 2.1 所示： 图 2.1 数码管显示方案 此方案利用数码管显示物体重量，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片 机。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，无法根据实际情况灵活地设定 各种控制参数。由于数码管只能实现简单的数字和英文字符的显示，不能显示汉字以及其 他的复杂字符，不能达到显示购物清单的要求。又因为采用了具有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。 方案二 在前一种方案的基础上进行扩展，增加一键盘输入装置，增加外界对单片机内部 的数据设定，使电子称实现称重计价的功能。 结构简图如下图 2.2 所示： 图 2.2 带有键盘输入的结构简图 8 此方案设计的电子秤，可以实现称物计价功能，但是局限于数码管的功能，在显示时 只能显示单价、购物总额以及简单的货物代码等。在显示重量时，如果数码管没有足够的 位数，那么称量物体重量的精度必受到限制，所以此方案需要较多的数码管接入电路中。 这样在处理输入输出接口时需要另行扩展足够多的 i/o 接口供数码管使用，比较麻烦。 方案三 前端信号处理时，选用放大、信号转换等措施，尤其在显示方面采用具有字符图文 显示功能的 lcd 显示器。这种方案不仅加强了人机交换的能力，而且满足设计要求，可以 显示购物清单、所称量的物体信息等相关内容。 结构简图如下图 2.3 所示： 图 2.3 lcd 显示的方案 目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由 单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出被测物体的重量。单片机控 制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术 成熟等优点。但其缺点是外围电路比较复杂,编程复杂。使用这种方案会给系统设计带来一 定的难度。 方案四 采用现场可编程门阵列(fpga)为控制核心 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。 采用 fpga 测频测量精度高，测量频率范围大，而且编程灵活、调试方便，设计要求 的精度较高，所以要求系统的稳定性要好，抗干扰能力要强。 从下图中可以看到系统的基本工作流程和各单元电路所用到的核心器件。其中控制器 采用 xilinx 公司可编程器件 fpga 为核心，基于 ise 软件平台，采用 vhdl 编程实现数据 处理、led 和 lcd 驱动、时钟芯片的 i2c 通讯、键盘控制等模块。 结构简图如下图 2.4 所示： 9 图 2.4 电子称系统的组成结构图 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 了第三种设计方案。 2.2 硬件的方案设计与论证 2.2.1 传感器 传感器的定义：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。 现代科技的快速发展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人们的社会活动将主要依靠 对信息资源的开发和获取、传输和处理，而传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知 获取与检测信息的窗口；传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生 产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号。因此，传感器的地位与 作用特别重要。 传感器的作用是人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠 人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远 远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官 的延长，又称之为电五官。 传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋 探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之 泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂 10 d a c or 的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。 传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间 所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关 系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横 坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静 态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。 传感器动态特性是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作 中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传 感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响 应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定 后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态 特性也常用阶跃响应和频率响应来表示3。 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。 方案二 电容式传感器 电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它有结构简单、 灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容传感器可用来检 测压力、力、位移以及振动学非电参量。 电容传感器的基本工作原理可用最普通的平行极板电容器来说明。两块相互平行的金 属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化） 时，其电容量为 （2.1） 式（2.1）中 两极板间的距离；d a两平行极板相互覆盖的有效面积； 介质的相对介电常数； r 11 真空中介电常数。 o 若被测量的变化使式中、a、三个参量中任一个发生变化，都会引起电容量的变d r 化，通过测量电路就可转换为电量输出4。 虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素： （1）小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法 至几十皮法。因 c 太小，故容抗=1/c 很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因其视 c x 在功率 p=c ，c 很小，则 p 也很小。故易受外界干扰，信号需经放大，并采取抗干 2 o u 扰措施。 （2）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。 方案三 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传 感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效 应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传 感器。 导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应 变信号转换为r/r 后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量， 且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的r/r 变化转换成电压或电流变化。其转 换电路常用测量电桥。 直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强， 但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。 如下图 2.5 所示直流供电的平衡电阻电桥，接直流电源 e in e 12 )( 43 4 21 1 rr r rr r e )( 4321 4231 rrrr rrrr e 3 4 2 1 r r r r )()()()( )()( 22 rrrrrrrr errrr uo e r r 图 2.5 传感器结构原理图 当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥， 即只有电压输出。 当忽略电源的内阻时，由分压原理有： adabbdo uuuu = （2.2） 当满足条件 r1r3=r2r4时，即 （2.3） =0，即电桥平衡。式（2.3）称平衡条件。 o u 应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应 变所引起的电阻变化有关。 若差动工作，即 r1=r-r,r2=r+r,r3=r-r，r4=r+r,按式（2.2） ，则电桥输 出为 (2.4)ek 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5。 通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第三种方案。题目要求称重范围 05kg, 满量程量误差不大于0.005kg，考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传 13 感器，所以传感器量程必须大于额定称重 5kg。我们选择的是电阻应变片压力传感器，量 程为 5kg，精度为 0.01% ，满足本系统的精度要求。 2.2.2 前级放大器部分 经由传感器或敏感元件转换后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、控制或进行信号转换。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。因此，一般对放大器有如下一些要求： 1、输入阻抗应远大于信号源内阻。否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。 2、抗共模电压干扰能力强。 3、在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以 保证要求的信噪比。从而保证放大器输出性能稳定。 4、能附加一些适应特定要求的电路。如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程 切换、极性自动变换等。 我们考虑了以下几种方案： 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。 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 2.6 所示： 图 2.6 利用普通运放构成的放大器 14 电阻 r1、r2 和电容 c1、c2、c3、c4 用于滤除前级的噪声，c1、c2 为普通小电容， 可以滤除高频干扰，c3、c4 为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。 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12。 方案三 采用专用仪表放大器，如：ad620，ina126 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。 以接口图: ina126 为例图 2.7 所示 图 2.7 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 125v；频带宽 15 度为 120khz（在 g=100 时） 。 基于以上分析，我决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器 ina126。 2.2.3 信号转换 方案一 采用 a/d 转换 a/d 转换原理： 1、逐次逼近法 逐次逼近式 a/d 是比较常见的一种 a/d 转换电路，转换的时间为微秒级。 采用逐次逼近法的 a/d 转换器是由一个比较器、d/a 转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路 组成。基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝 码进行试探。逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时， 先