毕业设计（论文）-四工位梁式称重传感器蠕变加载机控制系统设计.docx

陕西理工学院本科毕业设计任务书院(系) 机械工程学院 专业班级 机械设计 学生姓名 一、毕业设计题目 四工位梁式称重传感器蠕变加载机控制系统设计 二、毕业设计工作自 2015 年 11 月 9 日 起至 2016 年 5 月 18 日止三、毕业设计进行地点: 四、毕业设计应完成内容及相关要求： 梁式应变称重传感器存在蠕变误差，蠕变误差影响传感器的应用，为此梁式应变传感器在出厂前必须对每台传感器进行蠕变误差标定。本课题是对工位梁式称重传感器蠕变压力机设计一套控制系统，实现标定过程的自动加载、自动采集、记录和控制的工作。要求系统工作稳定、可靠，操作方便，人机界面友好。 具体任务如下: 1、了解梁式应变称重传感器的结构、蠕变参数标定程序和蠕变测试加载机的相关情况，完成开题报告和英文资料翻译。 2、 研究蠕变测试工艺流程，传感器信号特点，完成控制系统总体方案和整体布局。绘制总体布局图1张。 3、根据蠕变测试流程和传感器信号，设计传感器采集电路、电源电路、控制电路，选择相关元器件，绘制电路图1张，搭建系统电路。 4、设计采集系统和控制系统人机界面，编写相关程序，并调试程序。 5、 编写设计说明书1份，格式和字数满足学校要求。 五、毕业设计应收集资料及参考文献： （1）查阅有关应变式传感器制造规范和参数标定国标、欧洲标准； （2）查阅传感器设计手册以及传感器信号处理方面的资料； （3）查阅应变式传感器信号处理电路的设计方面和数据采集方面的资料； （4）查阅计算机数据处理方法、数据存储方法和人机界面设计方面的资料。 六、毕业设计的进度安排： 1、 2015.12.9-2016.2.28 查阅相关资料，撰写开题报告,完成外文资料翻译； 2、2016.2.28-2016.3.20 设计传感器信号采集电路、电源电路和蠕变测试加载机控制电路，完成电气原理图，搭建硬件电路； 3. 2016.3.20-2016.4.20 完成蠕变压力机采集、控制和测试人机界面的软件设计，调试软件； 4. 2016.4.20-2016.5.18 提交毕业设计资料(设计图纸、设计说明书等资料)和准备答辩资料，完成答辩工作. 指导教师签名 专业负责人签名 学院领导签名 批准日期 四工位梁式称重传感器蠕变加载机控制系统设计摘要： 关键词：应变式传感器 蠕变参数 自动测试Design of control system for four position beam type weighing sensor creep loading machineAbstract:Mainly with strain type sensor measurement range wide, high precision, the error is small and the linear characteristics and advantages, and can in the harsh environment in force, pressure and weight test has a very wide application, force sensor has the advantages that the structure is simple, the volume small, weight light, long life and other excellent characteristics. Therefore, the strain sensor is manufacturing a variety of electronic devices, sensor accuracy directly affect the electronic quality. It has been making good strain type sensor of creep parameters is a main index. Creep is in force and temperature effect and atomic diffusion related slow changing process. The resistance strain sensor, the creep Is the change in some of the following according to the effect of synthesis: 1. The metal elastic element dominated elastic aftereffect of the diffusion effect. The strain gauge of organic substrate and adhesive viscous flow. The strain gauge metal materials due to the diffusion of atomic redistribution. 4. Rapid loading leads to an attached with heat induced side. Therefore, creep characteristics is sensor accuracy level is one of important technical index evaluation.Key words: strain gauge transducer creep parameter automatic test目录引言7第一章 绪论81.1选题目的81.2课题相关研究现状81.3传感器的发展趋势9第二章 传感器的工作原理及蠕变特性102.1传感器的工作原理102.1.1金属丝电阻应变片的称重原理102.1.2传感器输出信号的特点112.2 传感器的蠕变特性及鉴定要求122.3 传感器的标定132.4 梁氏称重传感器蠕变加载机132.4.1蠕变加载机的工作原理132.4.2 蠕变加载机的的测试过程132.4.3 蠕变加载机的模拟仿真图14第三章 蠕变加载机的总体设计方案143.1传感器的选择143.1.1产品示图143.1.2技术指标与特性153.1.3外形尺寸163.1.4传感器的结构及特点163.2放大模块的选型163.3A/D转换器163.4主控制器模块的选型163.5数据显示模块的选型173.6报警模块的选型173.7电源电路设计173.8系统整体设计173.8.1系统组成173.8.2系统原理18第四章 蠕变加载机的硬件设计184.1 STC90C516RD+单片机简介184.1.1性能特点184.1.2 管脚说明194.1.3单片机最小系统设计204.2放大电路204.3A/D转换器214.3.1 A/D转换器简介214.3.2PCF8591引脚及说明224.3.3PCF8591工作时序和使用234.4显示电路的设计244.4.1管脚说明244.4.2LCD指令说明及时序254.3 报警模块26第五章 软件设计及检测程序设计275.1主程序设计275.2A/D转换285.3称重值转换295.4传感器检测电路选择305.4.1直流电桥305.4.2交流电桥315.5蠕变测试程序设计31第六章 控制系统软件的设计与仿真336.1 keil的使用336.1.1 Keil C51编译器的简介336.1.2 keil软件开发流程346.2 Proteus仿真软件356.2.1 Proteus简介356.2.2 Proteus的应用领域366.2.3 Proteus设计流程366.2.4 Proteu的基本操作376.4 绘制硬件电路图376.5 系统程序源代码386.6 仿真与调试38总结与展望39致谢：40参考文献41附录一41引言自古以来，人们一直将称重技术作为一种很重要的计量方式并且流传至今一直沿用，该技术不但应用于科研、贸易、工农业、交通等各个领域，而且紧密相连着人民的生活。与人民生活密切相关的，电子衡器包括电子秤。各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高和衡器产品技术水平的高低密不可分。50年代中期衡器制造业渐渐加入了电子技术。60年代初期出现了机电结合式电子衡器。经过40多年的不断完善和改进，现在的全电子型和数字智能型已经早已摆脱最初的机电结合型。现如今制造电子衡器的技术及其应用得到了更快更好更迅速的发展。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。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。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。第一章 绪论1.1选题目的重传感器系统中得到并检测到称重信息。梁氏应变传感器的工作原理是所测量的物体受重力压力后变形所产生的应变，再将机械物体构件上应变的变化转换为电阻的变化。梁氏应变传感器最常采用电阻应变片作为传感元件。电子称质量的高低由传感器的精度直接决定。1.2课题相关研究现状随着数字信息时代的到来，在工业过程检测和称重计量与控制系统中，数字化电子衡器和数字称重系统的应用越来越多，这就要求数字式智能称重传感器及相关技术、配套仪表尽快发展。我国许多称重传感器企业已具备开发整体型和分离型智能称重传感器的技术基础，只要增加一些投入和加强研究试验，完全可研制出符合要求的数字式智能称重传感器。应变式称重传感器的技术课题来自两方面，一方面来自称重传感器本身主要是特性上和生产上的问题，也可以说是技术上和工艺上的问题。特性上是准确度、稳定性和可靠性的问题，生产上是制造技术与制造工艺的问题。一方面来自电子称重技术和电子衡器产品的需要，这是称重传感器永久的课题。应变式称重传感器本身的技术课题，主要是深入研究共性的基础理论和关键的基础技术。包括利用现代科学技术和分析手段，对各种结构的弹性元件建立较为复杂的有限元模型进行计算和力学分析，编制仿真软件对其进行动态仿真，以确定优化设计参数；在制造工艺流程中，采用计算机控制和人机一体化工序，在网络软件管理下实现工艺流程网络化和大批量生产的统计制程管理等。 我国称重传感器生产企业与工业发达国家处于市场引导地位的企业相比，主要差距是：产品结构类型偏少，品种规格不全，特种用途产品奇缺；准确度等级较低，C3级成功率不高；稳定性和可靠性较差，返修率高，工作寿命较低；产品标准化、工程化水平和企业产业化程度较低，产品技术指标的均一性差；外观质量虽有提高。但仍有差距；不少企业的工艺装备和检测仪表，尚不能满足OIML R60国际建议和国家标准的需要； 创新产品少，低水平重复产品多，贴牌加工多、直接出口产品少；企业没有核心竞争技术和产品，市场影响速度太慢，无法与国际市场融合，产生上述差距的原因很多，其中最主要的是制造工艺落后，大约落后5-10年。进人21世纪以来，我国称重传感器已开始批量的进入国际市场，参与国际竞争。参与国际竞争，首先就要有国际水平的内在和外观质量，具次还要有适应国际市场需要的产品结构和包装模式。为此就必须有国际水平的制造技术与制造工艺，先进的工艺装备和检测手段，特别要有适应国际市场变化，及时满足国际市场需求的现代管理技术和方法。我们必须要按照2010年长远规划中提出的“称重传感器应向着分度数高、综合性能好、抗干扰能力强、长期可靠性好的方向发展”。1.3传感器的发展趋势称重传感器技术的发展趋势:梁氏称重传感器的发展趋势，可用“四化”来概括，制造技术柔性化，生产工艺网络化，企业管理信息化。设计技术虚拟化：包括弹性结构设计的拟实技术和工艺设计的虚拟技术。结构设计的拟实技术，是指面向弹性体的结构和性能分析技术，包括动态仿真、动力学分析、强度和刚度的有限单元法计算、敏感区应变大小与分布等，以达到优化设计的目的。工艺设的虚拟技术：是指面向弹性体生产过程的模拟和实验，检验弹性体的可加工性，加工方法和工艺的合理性，保证制造工艺的最佳化。技术设计虚拟化的核心是有限单元计算和计算机的动态仿真。通过仿真技术来模拟真实受载情况，发现并及时处理设计和工艺的缺陷或错误，以确保结构设计和生产工艺的合理性。制造技术柔性化：是指在多品种、大批量生产的弹性体加工中，纳入先进的制造技术，柔性制造单元（FMC)、柔性制造系统（FMS)和计算机集成制造系统。他是计算机技术、信息技术、自动控制技术等与生产工艺的合理性。生产工艺网络化：是指在生产工艺全过程中，通过通讯线路和设备把各生产工序具有独立操作和控制功能的计算机系统相互连接起来，在网络软件管理下，实现信息的收集存储和处理。与传统的“作坊手艺”生产工艺相比，大大的减小了手工操作，最大限度的排除了人为因素对产品质量的影响。企业管理信息化：是指按计算机处理的要求，依据结构化系统分析和设计方法，建立企业信息系统，实现企业管理全面现代化。包括CAD、CAM系统，生产管理系统，商务决策系统和经营管理系统等。 第二章 梁式传感器的蠕变特性和标定2.1传感器的工作原理 删除 圆形的金属膜片是应变式压力传感器的敏感元件，在有力作用到其上面时候，就会发生应变，应变有径向应变与切向应变这两种。在中心处，两者同时到达最大正值；在边缘处，径向应变有最大负值，切向应变为零。应变式压力传感器就是在两个最大正值和两个最大负值处分别贴上四个应变片，组成全桥电路来测量压力。这种贴片式应变压力传感器结构简单，精度不高，全桥电路却能起到温度补偿作用。传感器中电阻应变片有金属应变效应，也就是说在外力作用下会产生机械形变，从而使电阻值也发生相应变化。电阻应变片主要有金属与半导体这两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式三种。半导体应变片有横向效应小和灵敏度高等优点。半导体体材料制成的应变片，主要有金属电阻应变片与半导体应变片两类。本文仅分析金属电阻应变片。2.1.1金属丝电阻应变片的称重原理金属电阻应变片(简称应变片或应变计)是将弹性体的应变量转化成电阻值的变化量的元件。其基本机构如图3-1所示，它由敏感栅、基底、钙片（覆盖层）、引线和黏结剂组成。这部分所选的材料直接影响应变片的性能。使用应变片测量应变或应力时，是将应变片牢固地粘贴在被测量的弹性体上面，当弹性体受到应力应变，应变片的敏感栅随之相应变形，从而引起应变片的电阻变化。通过弹性敏感元件的作用，将位移、力、压力、加速度等参数转化成相应的应变。而我们研究所采用的就是将物体的重力通过应变转化成电压信号，在利用测量电路和仪器把物体的质量显示出来。 1.敏感栅2.基底3.引线4.覆盖层图1.1 金属丝电阻应变片基本构造图3.2所示为电阻应变片的基本构造，将一高电阻率的金属丝绕成栅形，粘贴在绝缘基片上，并引出导线到电路中。设该均匀的金属丝长度为 L，横截面为 S，电阻率为，则未受外力作用的情况下，它的电阻值为 R，且 (3.1)每当这个金属丝受到力F作用的时候，因金属丝长度 L、截面积 S 以及电阻率都会随金属丝的形变发生变化，因此引起R变化。由式(2.1)的全微分可以求得电阻值的变化为 (3.2)用相对变化量表示，则有 (3.3)式中， ，为纵向应变； ，其中V 为泊松比，负号表示方向相反， 为压阻系数，与材质有关；E为杨氏弹性模量。因此可得 (3.4)令 ，则有 (3.5)可见，金属丝的电阻值变化量与纵向应变量呈比例关系。式(2.5)中 G 称为材料的压力灵敏度系数或者应变计因子，其物理意义是材料发生单位应变时的电阻变化量。在设计称重传感器时，一般考虑使重量与纵向应变量呈常数关系。可将G 的表达式为解成两部分，一部分是，它表示材料的几何尺寸的变化；另一部分为 ，表示材料受力后电阻率变化，即材料压力灵敏系数的两个组成因素。对于金属材料，的值很小，可以忽略，G 的值一般在 1.5-2 之间，而对于半导体材料，占主导作用，G 可高达 100 以上，但它受温度的影响也随之增大，因此电阻应变片设计时一般采用金属材料，其压力灵敏度系数选在 1.7-3.6 之间。2.1.2传感器输出信号的特点传感器输出信号的特点如下：.输出量为电压，电流，频率，电容，电阻，电感。即两种：数字量和模拟量。输出的电信号一般较微弱：电压-毫伏级、微伏级，电流-毫安级、纳安级。输出信号与噪声混在一起（传感器内部噪音）传感器信噪比小、输出信号弱。传感器的输出特性呈线性或者非线性。外界的环境变化会影响传感器的输出特性。2.2 传感器的蠕变特性保持温度恒定，在某一恒定机械应变长期作用下，传感器输出随时间变化的特性，称为传感器蠕变。在不承受载荷的条件下，传感器随时间变化的特性称为零漂。零漂是不承受载荷条件下的蠕变。蠕变分为两种，正蠕变和负蠕变。传感器的输出信号随着时间的延续而增加，最后趋于稳定的过程，称为传感器的正蠕变，传感器的输出信号随着时间的延续而减小，最后趋于稳定的过程称为传感器的负蠕变。我们这次主要研究传感器的正蠕变，传感器的负蠕变和正蠕变相似。称重传感器蠕变的特性曲线如图1.2所示，传感器加载特性曲线是其中的曲线L，曲线C是传感器卸载特性曲线。从图中我们可以清晰的看到，传感器加载曲线是由加载段L0与蠕变段L1共同组成。在加载段L0，传感器的输急剧的增加，迅速达到载荷真实的变化值W0，图中使用S1点表示，在这个时间段内，由于时间很短，传感器产生的蠕变比较小；进入L1段之后，传感器输出缓慢增加并逐渐趋于不变，蠕变值随着时间动态变化；传感器的卸载曲线C上，卸载曲线是由卸载段C0与蠕变恢复段C1组成，传感器输出值以很高的速度迅速衰减到了卸载曲线S2点，超过S2点后，传感器输出缓慢的回零，蠕变恢复值也是随着时间动态变化，并逐渐趋近零点保持不变。图1.2 传感器蠕变特性曲线在实际应用中，我们比较常见的是多次加载、多次卸载情况，如图1.3所示。图1.3 多次加载多次卸载蠕变曲线 依据我国称重传感器法制计量器具控制管理的要求，对称重传感器蠕变的鉴定均有明确的规定：衡量称重传感器的蠕变误差，实际要考核蠕变误差和蠕变恢复误差这两项指标，两者必须同等考核。称重传感器的蠕变误差可以为正，也可以为负，即综合测评时，不论是正蠕变，还是负蠕变，只以蠕变的变化量来评价，与变化的正负无关。2.3 传感器的标定方法称重传感器的目的是测量质量，在整个测量通道中从质量到重力，最后变成采样值，这个过程中经历了多次量纲变化，为了使显示结果与被测值一致，需要进行标度变换，对测量通道进行反映射。寻找测量通道的映射关系是非常麻烦的，因此应变式称重传感器中一般采用标定的方法得到系数。对于应变式称重传感器，有 （5.2） 其中，W为称重结果；Wx为未标定时的称重值；W0为皮重值；C1为标定系数。其中需要标定的两个参数是C1和W0，分别称为校准和去皮。当数字称重传感器接收到主机发来的标定命令时，对命令进行解析，并执行相应的操作，当命令为校准时，令W为法码值，为去皮操作时，令 Wx=W0。2.4 梁式称重传感器蠕变加载机修改2.4.1蠕变加载机的工作原理通过软件驱动载荷发生设备和数字模块按规定的方法、时间，对称重传感器进行加载、卸载和数据采集过程。操作者只需要将称重传感器的装上工装，放到载荷发生装备的指定位置，并确定软件开始运行。由单片机对采集后的数据进行处理，对称重传感器的蠕变和瞬时回零数据暗按照设计的标准判断是否合格。梁氏称重传感器蠕变加载机系统组成：（1） 采集与控制软件：软件启动后按照设定的步骤和时间运行，通过单片机通讯接口采集数字模块信息，通过控制硬件驱动载荷发生设备给传感器加载重量。（2） 单片机和控制硬件：执行软件发出的命令采集模块数据，驱动加载设备。（3） 数字采集模块：给称重传感器提供电源并接受输出信号。（4） 载荷发生设备：给称重传感器施加与量程相同的载荷。 2.4.2 蠕变加载机的的测试过程 蠕变特性是应变式力传感器的主要特性参数，在传感器生产中要对力传感器的蠕变回零进行测试。蠕变测试流程：测试零漂预加载三次预载恢复加载测试时间（记录数据）判断测试数据是否合格，如果不合格，重复上述测试流程，如果重新测试仍不合格，则该传感器就认定蠕变特性不合格，属于不合格产品。自动控制的工艺流程为：操作人员将传感器装夹在测力机上，打开计算机测试软件并自检通过，输入每个传感器的编号，点击测试开始，系统自动实现预载三次预载恢复（1min）各测力机加载（1min）卸载恢复（1min）判断数据是否合格，如果不合格重复上述动作。如果合格，记录数据并打印。2.4.3 蠕变加载机的模拟仿真图其蠕变加载机仿真图如图1.4所示。 图1.4 蠕变加载机仿真图第三章 蠕变加载机的总体设计方案3.1传感器的选择传感器现已广泛地应用在众多领域中。其中压力传感器的应用最为广泛。目前市场上压力传感器种类很多，各种传感器的规格和技术性能也不一样。分类如压阻式压力传感器、电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、电感式压力传感器、压阻式压力传感器、谐振式压力传感器和电容式加速度传感器等。其中应用最广泛的是电阻式压力传感器，电阻式压力传感器具有低价格和高的精度的优点。根据课题的具体要求，我们这次选择L6N传感器作为研究对象。其实物图如图1.5所示。3.1.1产品示图 图1.5 L6N传感器外形3.1.2技术指标与特性3.1.3外形尺寸图1.6 传感器外形尺寸 3.1.4传感器的结构及特点改为传感器输出电压范围该传感器具有剪应力测量方式，可承受拉、压力。输出对称性好，结构紧凑，安装方便，高精度、稳定性好。可用于制造吊钩秤、料斗秤，机电结合秤等衡器。具有以下特点：（1）可满足3kg-100kg量程范围内的测量。（2）铝合金材料，平行梁结构（3）硅橡胶密封，表面阳极化，耐腐蚀性佳。（4）整体结构，安装使用方便。（5）适用于电子计价秤、电子平台秤等各类电子称重设备。3.2放大模块的选型计算出放大倍数被测的非电量经传感器得到的电信号幅度很小，无法进行A/D转换，必须对这些模拟电信号进行放大处理。为使电路简单便于调试，本设计采用三级运算放大器。当共模电压的很大时，仪表放大器可以放大很微弱的差分电压信号，同时还具有很低的输入阻抗。前级放大器我们决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器:INA126。3.3A/D转换器根据精度选择随着集成电路飞速发展，A/D转换器的新设计思想和制造技术有了很多大的变化。为满足各种不同检测和控制需要，设计出了许多结构不同、性能各异的A/D转换器。结合课题的需要和现有条件，我们这里选择PCF8591 A/D转换器。3.4主控制器模块的选型单片机是一种现场控制计算机，相比于家用计算机它具有价格便宜、具有较强的抗干扰能力等优点。它拥有基于复杂指令集(CISC)的单片机内核，虽然其速度不快，12个振荡周期才执行一个单周期指令，但其端口结构为准双向并行口，可兼有外部并行总线，故使其扩展性能非常强大。51的内部硬件顶设，可用特殊功能寄存器对其进行编辑。结合上面所述与现有条件，我们选择STC90C516RD+单片机。3.5数据显示模块的选型写的太少我们选择LCD1602液晶显示屏幕。3.6报警模块的选型当测量值超过设定值时，就需要报警提醒，这里我们只需要普通的提示就可以。我们选用蜂鸣器和发光三极管来设计。3.7电源电路设计该设计中的电源采用整流滤波电跻和三端稳压电路LM17805和LM7905。LM17805CT芯片输入端电压约为9V,输出端电压为5V, LM7905芯片输入端电压约为-9V,输出端电压为-5V,输入端和输出端的压差绝对值都应大于2.5V，否则会失去稳压能力。但是考虑到功耗得问题，这个压差又不能过大，过大则会增加7805与7905的功率消耗，提升芯片的升温，并不安全。据变压器副边电压和经滤波之后输出电压的关系可以知道，副边电压约为9 V,根据这个来确定变压器原副边匝数比，这样就可以得到系统所需的5V电源。3.8系统整体设计3.8.1系统组成其系统控制框图如图1.7所示。放大器传感器 单片机显示器报警器A/D转换继电器电源电磁阀气缸图1.7 控制系统框图3.8.2系统原理本次设计是以单片机为核心的蠕变测试。通过螺栓连接，把传感器固定在夹具体上，依次放下砝码，在放下砝码的同时，传感器的应变片会产生不同的形变，每个应变片引出一个引脚，通过一个电桥测量电路，把电阻应变片的应变量转换成电信号，通过一个放大电路，把电信号变成一个标准信号，转换器把放大器传来的标准信号进行转换后，通过单片机处理，把数据通过显示器显示出来。我们主要做的是放大电路、A/D转换器、单片机和显示，选用的A/D转换器是PCF8591，单片机为STC90C516RD+，显示器为LCD12864显示屏。第4章 蠕变加载机的硬件设计第三、四章合并4.1 STC90C516RD+单片机简介STC90C516RD+系列单片机是STC推出的新一代单片机，具有超强抗干扰、高速、低功耗等优点，指令和代码完全兼容传统的8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以随意选择。内部集成MAX810专用复位电路，当时钟频率在6MHz时，该复位电路是可靠的；当时钟频率在12MHz时勉强可用。在要求不高的情况下，可在复位脚外接电阻电容复位。STC90C516RD+是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含61k 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STC90C516RD+可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。STC90C516RD+有以下特点:40个引脚，61kBytes Flash 片内的程序存储器，128Bytes随机存取数据存储器(RAM)，32个外部双向输入/输出(I/O)口，5个中断优先级以及2层中断嵌套中断，2个16位可以编程的定时计数器，2个全双工串行通信口，片内时钟振荡器。除此之外，STC90C516RD+设计并配置了振荡频率可为0Hz并可以通过软件设置省电模式。在空闲模式下，CPU会暂停工作，但是RAM定时计数器、串行口以及外部中断系统可以继续工作，掉电模式冻结振荡器并会保存RAM数据，还有停止芯片其它的功能直至外中断激活或者硬件复位。同时这个芯片具有TQFP 、PLCC和PDIP等三种封装形式，用来适应不同产品需求。STC90C516RD+单片机是40个引脚双列直插芯片，有四个I/O 口，P0、P1、P2和P3。MCS-51单片机共有4个8位I/O口(P0、P1、P2和P3)。每一条I/O线都能独立地作输出或输入。4.1.1性能特点1.增强型8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以随意选择，指令代码完全兼容传统8051单片机。2.工作电压：5.5V-3.3V（5V单片机）、3.6V-2.0V（3V单片机）。3.工作频率范围：0-40MHz，等同于普通8051单片机的0-80MHz，实际工作频率可以达到48MHz。4.用户应用程序空间：4K/8K/13K/16K/32K/40K/48K/56K/61K字节。5.片上集成1280字节或512字节或256字节RAM。6.通用I/O口（35/39个）复位为：P1/P2/P3/P4为准双向口/弱上拉（普通8051的传统I/O口）；P0口为开漏输出，作为总线扩展的时候用，不加上拉电阻，作为I/O口用时得加上拉电阻。7.ISP（在系统可以编程）/IAP（在应用可以编程），不需要专用编程器，不需要专用仿真器。可以通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接去下载用户程序，几秒就可以完成一片。8.有EEPROM功能。9.看门狗定时器。10.当外部晶体在12M以下时，可以省去外部复位电路，其复位脚可直接接地，因其内部集成了MAX810专用复位电路。11.共三个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用。12.外部中断共有4路，下降沿中断或者由低电平触发中断，Power Down模式可以由外部中断低电平来触发中断方式唤醒。13.通过异步串行口（UART），还可以用定时器软件实现多个UART。14.工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）4.1.2 管脚说明 图1.8 单片机的引脚主要管脚说明：P0口：P0口是一个8位漏级开路双向的输入输出口，每个脚可吸收8TTL门的电流。当P1口管脚第一次写入1时，就会定义其为高阻输入。P0可以用于外部程序数据存储器，它能被定义成数据/地址的低八位。在FIASH编程的时候，P0 口会作为原码的输入口，当FIASH进行校验的时候，P0会输出原码，此时P0外部必须要被拉高。P1口：P1口是一个由内部提供上拉电阻的8位双向输入输出口，P1口的缓冲器可以接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1之后，被内部上拉成高，可以用来输入，P1口被外部下拉为低电平的时候，输出电流，是由于内部上拉缘故。在FLASH编程校验的时候，P1口当作低八位地址接收。P2口：P2口是一个内部上拉电阻8位双向输入输出口，P2口缓冲器可以接收，输出4TTL门电流，当P2口被写1时，它的管脚被内部上拉的电阻拉高，并且作为输入。当因此作为输入的时候，P2口的管脚会被外部拉低，将电流输出。这是因为内部上拉缘故。当P2口用于外部程序存储器或者16位地址外部的数据存储器来进行存取时，P2口的输出地址高八位。在给地址“1”时，它会利用内部上拉优势，每当对外部八位地址数据存储器来进行读写的时候，P2口会输出其特殊功能寄存器当中的内容。P2口在FLASH编程与校验时接收高八位控制信号与地址信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向输入输出口，可接收输出4TTL门电流。当P3口写入“1”之后，它们被内部上拉成为高电平，并且用作输入。当作为输入时，因为外部下拉为低电平，P3口将会输出电流（ILL）这是因为上拉的原因。P3口除了作普通输入输出口还有第二功能：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（T0定时器的外部计数输入）P3.5 T1（T1定时器的外部计数输入）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口同时为编程校验与闪烁编程接收一些控制信号。I/O口作为输入口的时候会有两种工作方式，就是读端口与读引脚。读端口的时候上并不会从外部读入数据，只是将端口锁存器内容读入到内部总线中，经过一些运算或者变换之后再写回端口锁存器。只有在读端口时才把外部的数据读入到内部总线中。89C51的P0、P1、P2和P3口当作输入的时候都是准双向口。除了P1口以外P0、P2、P3口都还有其他功能。RST：复位输入端，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。XTAL1：内部时钟电路反相放大器的输入端，接通外部晶振的一个引脚。当直接使用外部时钟源时，此引脚是外部时钟源的输入端。XTAL2：内部时钟电路反相放大器输出端，接外部晶振的一个引脚。当直接使用外部时钟源时，此引脚可浮空，此时XTAL2实际将XTAL1输入的时钟进行输出。VCC：电源正极。GND：电源负极，接地。4.1.3单片机最小系统设计中央处理单元选用我们熟悉的单片机，即STC公司的90C516RD+单片机。 单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对STC90C516RD+系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路。设计者必须仔细选择晶振频率，确保标准的通讯波特率(1200 、4800、9600, 19.2K等)。不妨先列出可供选择的用晶振所能产生的波特率，然后根据需要的波特率和系统要求选择晶振。有时也不必过分考虑晶振问题，因为可以定制晶振。当晶振频率超过20M时，必须确保总线上的其它器件能够在这种频率工作。当工作频率增加时，功耗也会增加，这点在使用电池作为电源的系统中应充分考虑。单片机采用90C51单片机可以满足编程的要求。P0口和P2口用于数码管的显示。用I2Mhz的晶振，时钟周期为1 us。采用按键复位。4.2放大电路称重检测及放大电路如图1.9所示，电阻应变片和3个120的电阻组成电桥检测电路，通过调节RPI在称重时使电桥平衡。运算放大器A1、A2和A3组成仪表放大器，差动输出，单端输出。A1、A2的反馈电阻相等，工模增益、失调、漂移等得到了相互补偿。电路对信号进一步放大。本系统测量精度要求不高，仪表放大器使用的运算放大器可以使用LM324或OP07等芯片按图所示连接即可。图1.9 称重检测放大电路4.3 A/D转换器单片机不能识别模拟量，必须将模拟量转换为能识别的标准量。模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量。能够完成这一任务的器件称之为模数转换器，简称A/D转换器。将放大器输出的模拟信号转换成数字量进行输出，就是选择我们A/D转换器的作用。本次我们选用PCF8591转换器。4.3.1 A/D转换器简介PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0,A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。其实物图如图2.1所示。 图2.1 PCF8591实物图在PCF8591器件上输入输出的地址，允、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行方式传输。器件功能包括了多路复用模拟输入、片上跟踪、保持功能、8位数模（模数）转换。最大转换速率取决于I2C总线的最高速率。其内部框图如图2.2。图2.2 PCF8591内部系统框图4.3.2PCF8591引脚及说明其引脚图如图2.3所示。 图2.3 PCF8591引脚图PCF8591引脚（图4-4（b）功能如下： （1）AIN0AIN3：模拟信号输入端。 （2）A0A2：引脚地址端。 （3）SDA、SCL：总线的数据线、时钟线。 （4）OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端。 （5)EXT：内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时 EXT 接地。(6)AGND：模拟信号地。(7)AOUT：D/A 转换输出端。(8)VREF：基准电源端。PCF8591的特性： （1）单独供电 （2）PCF8591的操作电压范围2.5V-6V （3）低待机电流(4)通过I2C总线串行输入/输出(5)PCF8591通过3个硬件地址 引脚寻址(6)PCF8591的采样率由I2C总线速率决定(7)4个模拟输入可编程为单端型或差分输入 （8）自动增量频道选择(9)PCF8591的模拟电压范围从VSS到VDD(10)PCF8591内置跟踪保持电路(11)8-bit逐次逼近 A/D转换器(12) 通过1路模拟输出实现DAC增4.3.3PCF8591工作时序和使用PCF8591工作时序图如图3.5所示。D/A转换器是PCF8591关键单元，除了作为D/A转换使用之外，还会用到A/D转换中。D/A转换器的工作是用I2C总线的写入方式操作完成的，它的数据操作格式如图2.4所示。图2.4 PCF8591工作时序图图2.5 D/A转换器数据操作格式4.4显示电路的设计本次试验采用的是LCD1602液晶显示屏。它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。 LCD1602是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。LCD1602液晶显示屏如图2.6所示。 图2.6 LCD1602实物图4.4.1管脚说明LCD1602仿真模拟图如图2.7所示。 图2.7 LCD模拟仿真图1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：VSS为电源地第2脚：VCC接5V电源正极第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。第714脚：D0D7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。LCD1602显示屏的特性：（1)3.3V或5V工作电压，对比度可调；(2)内含复位电路；(3）提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；（4）有80字节