基于单片机的称重控制系统.doc

I 摘 要 本论文在分析了国内外称重技术发展的基础上，着重对一个用于工业控制且功能 较齐全的自动称重系统进行设计。随着自动化和管理现代化的进展，自动在线称重， 快速动态称重在整个称重系统中有了很大的发展。本称重系统除了有关于数据的收集， 处理，运行和通信之外，还有更多的其他辅助功能，最重要的是，该自动称重系统还 可以随时对资料库进行访问和查询。 本论文所设计的自动称重系统是应用于工业上的乳粉包装自动称重中的，它的实 现有两个过程，第一阶段由异步电机带动粗螺旋推进器给料，这一阶段可看成为粗调 过程，给料重量一定要小于额定重量。第二阶段由步进电机带动细螺旋推进器进料， 可看成是细调过程，使实际重量等于要求的额定重量。 本称重系统采用单片机AT89C51 为控制核心，实现称重仪的基本控制功能。系统的 硬件部分包括数据采集和数据处理两大部分，其中数据采集部分由称重仪模拟器、信 号的前级处理（采用仪表放大器 INA121）和 双积分 A/D 转换部分组成。由于称重仪 设计中电路的精度及抗工频干扰能力要求较高，故选用精度较高的仪表放大器 INA121 和抗工频干扰能力较强的双积分 A/D 转换器 MC14433。电源采用三端集成稳压电源， 显示模块用七段 LED 数码管显示。系统软件设计采用模块化编程，包含了三大模块： 主程序模块、功能实现模块、运算控制模块，并且设置了各种功能键能完成不同的功 能。 本系统通经过调试后，使次此设计基本达到了设计要求。 关键词 双积分 A/D 转换；仪表放大；AT89C51 单片机；数据采集 II Abstract Basis on the researching of the progress of the weighing technology, this paper introduces the development of automatic weighing system which has a complete function. With the progress of automation in industry and modernization in management, there is much progress in weighing online, fast and dynamic weighing and system of weighing.Adopting newer technology, developing diversified automatic weighing system, improving accuracy and enhancing network function are emphasized in every country nowadays. . Besides the function of collecting, processing, displaying and communication of data about weight, the automatic weighing system can also save data in database and print data in report form. It can also visit and query the records in database. The article introduced the automatic named weighing system which is applied in the industry, its realization has two processes, the first stage is the spiral propeller by the asynchronous machine belt to afford the material, this age which is worthy of looking at is because of the coarse adjustment process,certainly it must be smaller than the schedule weight for the material weight. The second stage is impetus which is much more precise than the first spiral propeller feeding, it may be regarded as the special process. This system has been applied in the sensor, each kind of chips and monolithic integrated circuits. This system is based on single chip AT89C51, it can make electronic scales basic control function come true. Systems hardware includes smallest system board and the acquisition of data. The smallest system part mainly realizes the demonstration of the diodes and the control of keyboard ,the part of datas acquisition is consists of the simulator of weighing meter , signal level processing (amplifier INA121) and the fraction of the double integral A/D conversion . Because of the high request in precision of the electric circuit of the weighing meter design and the ability of anti-power frequency disturbance, the selection of the high precision appliance such as the amplifier INA121 and double integral A/D switch III MC14433. The system would be stronger by using different elements,and it would have better performance in application of the industry. Key words double integral A/D transformation; measuring appliance enlargement; AT89C51 single chip; collection of data 1 目 录 摘 要 .I 目 录 .1 第 1 章 绪 论 .1 1.1 引言 .1 1.2 电子称重技术的发展趋势.1 1.2.1 承载器.2 1.2.2 称重传感器.2 1.2.3 称重仪表.3 1.3 论文研究的目的及意义.3 1.4 本课题研究的主 要内容 .4 1.5 乳粉包装称重的工艺流程.4 第 2 章 主要元器件选型 .6 6 2.1 转换电路芯片选择 .6 2.2 主控芯片选择 .7 2.3 仪表放大器选择 .8 2.4 电源选择 .10 2.5 显示模块选择 .10 第 3 章 硬件系统的设计 .1212 3.1 电路总体原理框图设计.12 3.2 主芯片引脚应用 .13 3.3 控制模块与转换模块的连接 .15 3.4 前级放大模块 INA121 .16 3.5 自动称重模块 .17 3.6 显示模块与控制模块的连接 .18 第 4 章 软件系统的设计 .2020 4.1 主程序模块.20 4.2 子程序模块.21 4.3 中断程序模块图 .22 4.3.1 T0 中断程序.22 4.3.2 T1 中断子程序.22 4.4 调零程序模块图 .23 2 第 5 章 系统测试 .2626 5.1 硬件抗干扰的设计 .26 5.2 电源的干扰以及抑制措施.26 5.3 空间干扰的防御措施.27 结 论 .2828 致 谢 .29 参 考 文 献 .30 附录 A 设计总电路图.31 附录 B 程序.32 基于单片机的称重控制系统设计 1 第 1 章绪 论 本章主要介绍电子称的发展趋势，已及此设计的目的和意义并介绍了课题的主要内容。 1.1 引言 电子技术和微型计算机的迅速发展，促进了微型计算机测量和控制技术的迅速发 展和广泛应用，从国防技术、航空航天等到日常生活中的电梯、微波炉等都采用到了 微机测控技术。工业生产中的自动称重系统就是微机测控技术的应用。自动称重系统 主要包括称重装置和数据的存储两大部分。 物料计量是工业生产和贸易流通中的重要环节。称重装置或衡量器是不可缺少的 计量工具。随着工农业生产的发展和商品流通的扩大，衡量器的需求也日益增多，过 去沿用的机械杠杆秤已不能适应自动化和管理现代化的要求。自六十年代以后，由于 传感器技术和电子技术的迅速发展，电子称重技术日趋成熟，并逐步取代机械秤。尤 其是七十年代初期，微处理机的出现使电子称重技术得到了进一步的发展。快速、淮 确、操作方便、消除人为误差、功能多样化等方面己成为现代称重技术的主要特点。 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 等多方面的作用。称重装置应用己遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效益。 但是，我国在这方面的产品少且功能不齐全，所以改善现有称重装置、开发研究功能 齐全的自动称重系统是势在必行的。 1.2 电子称重技术的发展趋势 自七十年代以来，发达国家在电子称重方面，无论从技术水平、品种和规模等方 面都达到了较高水平。在技术水平方面的主要标志是准确度、长期稳定性和可靠性。 目前作为贸易结算用的静态秤（如平台秤、汽车衡、静态轨道衡等）己能做到 O、l、M、L 规定的 3000d（分度） ，最高可做到 6000d。在稳定性方面要求一年内不允 许超差。在可靠性方面称重传感器在正常使用条件下的寿命一般在十年以上，仪表的 平均故障间隔时（MTBF）都超过 2000 小时，有些产品达到 5000 小时。在生产过程用 基于单片机的称重控制系统设计 2 电子秤方面，由于加强了应用技术开发，能够适应各种恶劣环境（高温、振动、粉尘、 电磁干扰、爆炸危险等）下使用；准确度一般能做到 0.10.3。 在品种方面随着生产发展的需要和新技木的应用，出现了新品种，如非连续式自 动累加秤、电脑组合包装秤、高速自动包装秤等、这些自动秤往往与生产过程紧密相 连，成为生产线的一个组成部分，或者与生产机械组合成一台机电一体化设备。 电子称重装置主要由承载器、称重传感器和称重仪表三部分组成，称重方式也是电子 称重技术不可分割的内容，下面分别叙述其进展和发展趋势。 1.2.1 承载器 承载器是承载重力并将力传递到称重传感器的机械结构。国外已较多的采用 CAD 进行承载器(秤台或秤架)的设计，在保证一定强度和刚度的前提下优化设计，从而达到 节省钢材，降低造价的目的。 据国外资料介绍，在电子称重装置中，称重传感器的价格这几年变动不大，仪表 价格随着电子器件价格下降而成下降趋势，而占成本比重比较大的承载器由于钢材和 加工费用的上涨使成本提高。因此要降低成本提高竞争力，重点是降低秤台造价，所 以优化设计，发展薄型结构己是制造厂向的主要目标。 1.2.2 称重传感器 称重传感器是电子称重的核心部件，它把重力转换成电压信号。称重传感器从原 理上分有很多种，包括电阻应变式、压磁式、电容式、振弦式、电感式、核辐射式等， 但从准确度、重复性、经济性、使用方便等方面综合考虑，目前大量生产的仍然是电 阻应变式传感器。它在称重传感器中所占的比例达 90以上。电阻应变式传感器近几 年在性能上又有了提高。 随着工业控制系统向数字化发展，近几年来数字式称重传感器也被开发和应用。 由干它直接输出数字量，大大提高了传输中的抗干扰能力，并使得与计算机的通信极 为方便。由于取消了仪表中的模拟放大、A/D 转换的环节，使仪表大为简化在计算机 中显示和控制的场合，可以不用称重仪表。目前这种传感器大致有两类：电阻应变式 数字称重传感器和新型数字式称重传感 基于单片机的称重控制系统设计 3 1.2.3 称重仪表 称重仪是电子衡器的一种，电子衡器是自动化称重控制和贸易计量的重要手段， 对加强企业管理、严格生产、贸易结算、交通运输、港口计量和科学研究都起到了重 要作用。电子衡器具有反应速度快、测量范围广、应用面广、结构简单、使用操作方 便、信号远传便于计算机控制等特点，被广泛应用于煤炭、石油、化工、电力、轻工、 冶金、矿山、交通运输、港口建筑机械制造和国防等各个领域。 称重仪表由于采用了低漂移高增益放大器、高分辨率 A/D 转换器、单片微型机、 电可擦存储器(EEPROM)和非易失性随机存储器(NOVRAM)，使其性能和功能都有了 很大提高1。近几年来称重仪表又增加了两项新技术：(积分的增量)调制型模数 转换器和印刷电路板的表面安装技术(SMT)。这些新技术的采用，进一步提高了仪表性 能和可靠性，井为仪表小型化创造了有利条件。在性能上已能做到：非线性优于 0.01灵敏度优十 0.2V/d，A/D 转换速度一般为 1030 次/秒，用于动态称重可达 100 次/秒以上。由于采用了比较方式测量，传感器供桥电源和 A/D 转换基准电源共用一个 电源，使电源波动的影响得到了补偿。 为了便于与计算机通信，现代称重仪表都配有各种输出接口供选用。如 RS232C、RS485 或 RS422A、20mA 电流环、模拟量(420mA)以及继电器接点输出。 有些制造厂为了加强仪表与计算机的通信，采用直接与工业控制机总线相连的方式5。 如西门子 SIWARE 称重仪的输出能直接与两门子 PLC 控制器的总线相连。 在工业现场和环境中干扰源是各种各样的，如噪音干扰、工频干扰等，抗工频干 扰能力成为衡量电子衡器性能的重要指标。为了具备这一性能，市场上的电子衡器的 电路普遍较复杂，相对地，成本也较高。而本产品电路简单，成本低，抗工频干扰强， 具有很好的推广价值。 为了适应各种应用的需要，当前称重仪表发展的一个趋势是：通过硬件或软件的 积木式组合来实现不同的功能需求。例如在仪表机箱内通过不同电路板的组合或更换 软件存储芯片，来实现不同的功能，以满足各种用途。 1.3 论文研究的目的及意义 随着工业自动化和管理现代化的进展，自动在线称重、快速在线称重和称重系统 基于单片机的称重控制系统设计 4 有了很大发展。进一步采用新技术，开发各种自动称重系统，提高动态称重的准确度， 加强网络功能是当今各国发展的重点。本课题正是从这一方面出发进行设计的，使得 本课题设计的自动称重系统既能获取称重信息，又能实现对称重信息的管理，而且其 稳定性好，称量速度快、精度高，可连续自动称重，显示称量结果，实现了称重数据 的存储，并且该自动称重系统还实现了可视化，从而杜绝不真实计量现象，维护企业 和客户的利益。另外，其界面直观，便于使用。而且本设计电路简单，成本低，抗工 频干扰强，具有很好的推广价值。 1.4 本课题研究的主要内容 本课题是设计一种基于 AT89C51 单片机的乳粉包装称重控制的电路，主旨是设计 一称重仪，对模拟器输出的微弱信号(012mV)进行前级放大处理，再以较小的失真、 误差来进行 A/D 转换，并要求具备较强的抗工频干扰能力。最后利用单片机 AT89C51 对数字信号进行处理，控制数码管显示等。主要要求：(1)该称重系统中每袋乳粉额定 重量为 500 克；(2)要求每小时包装数量为 200 袋；(3)系统的称重控制控制精度要求为 0.1。 1.5 乳粉包装称重的工艺流程 当输送带把一个空的乳粉袋送往落料管下方时，称重系统开始工作。异步电机启 动，带动粗螺旋推进器旋转，推动乳粉从落料管落下。当乳粉重量接近设定重量时， 停止粗螺旋推进器进料，然后启动细螺旋推进进行微量添加，直到乳粉重量满足给定 重量的要求。细螺旋推进器由步进电机带动。一袋乳粉称重满足要求后，由输送带把 该袋乳粉传到下一道工序进行包装，而后面的空袋又输送来，进行第二袋乳粉的称重， 如此周而复始的工作，乳粉称重分为两个阶段，第一阶段由异步电机带动粗螺旋推进 器给料，这一阶段可看成为粗调过程，给料重量一定要小于额定重量。第二阶段由步 进电机带动细螺旋推进。 基于单片机的称重控制系统设计 5 图 1-1：乳粉包装称重系统工艺流程图 乳粉袋 料斗 散乳粉 称重传感器输入通道 AT89C51 单片机 输出通道 异步电机 步进电机 基于单片机的称重控制系统设计 6 第 2 章主要元器件选型 经过仔细的分析和比较、实际模拟和理论论证，决定了系统各模块的最终方案， 各种元器件的选择。 2.1 转换电路芯片选择 采用 8 位 A/D 转换器 ADC0809。ADC0809 是逐次逼近式 A/D 转换器，双列直插 式，最快的转换速度为 100us，其引脚图如图 2-1 所示： IN -0 26 m sb 2-1 21 2-2 20 IN -1 27 2-3 19 2-4 18 IN -2 28 2-5 8 2-6 15 IN -3 1 2-7 14 ls b2-8 17 IN -4 2 E OC 7 IN -5 3 A DD -A 25 IN -6 4 A DD -B 24 A DD -C 23 IN -7 5 A LE 22 ref(-) 16 E NA B LE 9 ST A RT 6 ref(+) 12 C LO CK 10 图2-1 ADC0809引脚图 它由8路模拟开关，8位A/D转换器，三态输出锁存器以及地址锁存器译码器等组 成。但由于其抗工频干扰能力较弱，综合考虑下来，决定采用双积分A/D转换器。 双积分型 A/D 转换器具有很强的抗工频干扰能力。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。 作为称重仪，系统对 AD 的转换速度要求并不高，精度上 11 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，和精确的差分输入，低廉的价格。 综合的分析其优点和缺点，我最终选择了 MC14433。 MC14433 是美国 Motorola 公司推出的单片 3 1/2 位 A/D 转换器，其中集成了双积 分式 A/D 转换器所有的 CMOS 模拟电路和数字电路3。具有外接元件少，输入阻抗高， 基于单片机的称重控制系统设计 7 功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能， 只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的 A/D 转换器，其主要功能特性如下： 1.精度：读数的0.05%1 字；2.模拟电压输入量程：1.999V 和 199.9mV 两档；3. 转换速率：225 次/s；4.输入阻抗：大于 1000M ；5.电源电压：4.8V8V；6.功 耗：8mW（5V 电源电压时，典型值） ；7.采用字位动态扫描 BCD 码输出方式，即千、 百、十、个位 BCD 码分时在 Q0Q3 轮流输出，同时在 DS1DS4 端输出同步字位选 通脉冲，很方便实现 LED 的动态显示。 MC1443内部结构如图2-2所示： 图 2-2 MC1443 内部结构图 2.2 主控芯片选择 本设计开始时，我原本想采用 CPLD（复杂可编程逻辑电路）或 FPGA（现场可编 程门列阵）作为系统的控制器。因为 CPLD 具有丰富的可编程 I/O 引脚，使用方便灵 活，不但可实现常规的逻辑器件功能，还可实现复杂的时序逻辑功能，适合完成各种 算法和组合逻辑。但是功耗要比较大 ,且集成度越高越明显。FPGA 可作为实现各种复 杂的逻辑功能，特别用于大电流、大电压场合的控制，规模大，密度高，它将所有的 器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可用 EDA 软件仿真、调试， 易于进行功能扩展。FPGA 采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合 作为大规模实时系统的控制核心。 基于单片机的称重控制系统设计 8 但考虑到由于设计的是摆锤运动控制，FPGA 的高速处理功能不能得到充分的体 现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时芯片的引脚多使实物硬件电路板布线 复杂，加重了电路设计的实际焊接的工作，降低了 PCB 板的灵活性。因此我们决定改 变思路，采用普通单片机控制，第一个想到的便是 8 位的 51 单片机 AT89C51。 AT89C51 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦 写的 Flash 只读程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用 ATMEL 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，内置功能强大的微型计算机的 AT89C51 提供 了高性价比的解决方案。 单片机 AT89C51 是一个低功耗高性能单片机，40 个引脚，32 个外部双向输入/输 出（I/O）端口，同时内含 2 个外中断口，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行 通信口，AT89C51 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。如图为 AT89C51 引脚图： E A/V P 31 X 1 19 X 2 18 R ES ET 9 R D 17 W R 16 IN T 0 12 IN T 1 13 T 0 14 T 1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSE N 29 A LE /P 30 T XD 11 R XD 10 A T89C 51 图2-3 AT89C51引脚图 2.3 仪表放大器选择 由于压力传感器输出的电压信号为毫伏级，所以对运算放大器精度的要求很高。 因此我们原本想采用高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。因为差动放大器具有 基于单片机的称重控制系统设计 9 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， 如图 2-4 所示： 图 2图 2-4 OP07 构成的差动放大器 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，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。 但考虑到其电路复杂，需要的元器件多，成本较高。因此综合讨论下来我们还是 选用仪表放大器 INA121 芯片。其内部结构图如图 2-5 所示： 基于单片机的称重控制系统设计 10 图 2-5 INA121 内部结构图 INA121 是 Texes Instruments BB 公司生产的 FET 输入、低功耗仪器放大电路，性 能优越。前置放大电路的放大倍数设置为 50。较小的前置放大倍数可以避免极化电压 的影响。电压放大电路的放大倍数设置的较高（取为 100200 倍），则可以保证总的 放大倍数。同时采用仪表放大器 INA121 构成的电路还有结构简单，元器件少，成本较 低等优势。 2.4 电源选择 放大模块与 A/D 转换模块需要正负电源，且要求电源具有稳定性。故刚开始首先 考虑采用MC7812(正压)MC7912MC（负压）构成的的12V 稳压电源。但其不可调，不能满足所 需要的正负 5V 电源的要求，所以我采用自制电源，可调式三端集成稳压器是输出电压可以 连续调节的稳压器，有输出正电压的 CW317 系列（LM317）三端稳压器；有输出负电 压的 CW337 系列（LM337）三端稳压器。其中，CW317 系列稳压器输出连续可调的 正电压，CW337 系列稳压器输出连续可调的负电压。稳压器内部含有过流、过热保护 电路。自制电源输出电压的可调范围为 Uo=-1212V，满足要求。 如图 2-6 所示为 CW317 应用电路图： 基于单片机的称重控制系统设计 11 图 2-6 稳压器 CW317 应用电路图 2.5 显示模块选择 显示模块主要用于重量的显示，原本采用字符型液晶模块 JM1602C，JM1602C 能 显示基本的 ASC码字符，采用 CMOS 工艺低功耗，内置 KS0066 驱动器，数据可直 接传送，用并行输入输出形式，数据传送快，低延迟显示体现多样性，但是 JM1602C 的引脚电平为+5V，RAM 的引脚电平为+3.3V，这样就要解决电压不匹配问题，灵活 性降低。因此经过反复比较决定选用七段 LED 数码管显示，LED 能显示数字和一些基 本的字母，简单易用，把它和 74LS164（串入并出移位寄存器）相使用，大大减少了 控制器的 I/O 口。 基于单片机的称重控制系统设计 12 、 第 3 章 硬件系统的设计 本章主要对构成整个硬件系统的各个元器件进行分析，并对一些元器件之间的相 互连接进行设计，这样的分析对整个硬件系统的建立大有裨益。 3.1 电路总体原理框图设计 本设计硬件具有简单化，且可靠性强等优点；但由于实验室提供的电容精度不够 高以及各种干扰对整个系统的影响，导致了系统具有一定的浮动误差，若把放大模块 中的电容换成高精度的电容以及增强系统本身的抗干扰能力，系统的精度也必然会提 高。 本系统单片机选用 ATMEL 公司的闪速存储器(flash ROM)型单片机芯片 AT89C51。AT89C51 是 ATMEL 公司的新一代 8 位的一片机产品，带有 4KROM、128BRAM，最大工作频率 24MHZ；同时，具有 32 条输入输出线，16 位定 基于单片机的称重控制系统设计 13 时/计数器，5 个中断源，一个串行口；它具有集成度高、系统结构简单，体积小可靠 性高，处理功能强，速度快等特点 乳粉称重控制的总体结构如图 3-1 所示。输入信号送入前级放大器放大，再经过 A/D 转换器转换成 BCD 码，然后把 BCD 码送入单片机 AT89C51 中进行处理，最后把 数据送出数码管显示。 称重传感器 前级放大 A/D 转换 AT89C51 数码管显示 键盘处理 图 3-1 系统总体原理框图 3.2 主芯片引脚应用 1电源引脚。 2外接晶体引脚 XTAL1。XTAL1 是片内振荡器的反相放大器输入端， XTAL2 则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到 XTAL1，而 XTAL2 悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为 12MHz，时钟频 率就为 6MHz。晶振的频率可以在 1MHz-24MHz 内选择。电容取 30PF 左右，具体实 现如图 3-2 所示： C 2 C 3 X 1 X 2 图 3-2 晶振电路图 基于单片机的称重控制系统设计 14 3复位 RST。在振荡器运行时，有两个机器周期（24 个振荡周期）以上的高电 平出现在此引腿时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51 芯片便循环复位。 复位后 P0P3 口均置 1 引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器 SFR 全部 清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为 ROM 的 00H 处开始运行程序，如图 3-3 所示： S1 R ES ET E A/V pp V CC 图 3-3 复位 RST 电路图 4输入输出引脚 (1) P0 端口P0.0-P0.7 P0 是一个 8 位漏极开路型双向 I/O 端口，端口置 1（对端口 写 1）时作高阻抗输入端。作为输出口时能驱动 8 个 TTL。对内部 Flash 程序存储器编 程时，接收指令字节;校验程序时输出指令字节，要求外接上拉电阻。在访问外部程序 和外部数据存储器时，P0 口是分时转换的地址(低 8 位)/数据总线，访问期间内部的上 拉电阻起作用。 (2) P1 端口P1.0P1.7 P1 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/0 端口。输出时 可驱动 4 个 TTL。端口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用，对内部 Flash 程序存储器编程时，接收低 8 位地址信息。 (3) P2 端口P2.0P2.7 P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/0 端口。输出时 可驱动 4 个 TTL。端口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部 Flash 程序存储器编程时，接收高 8 位地址和控制信息。在访问外部程序和 16 位外部 数据存储器时，P2 口送出高 8 位地址。而在访问 8 位地址的外部数据存储器时其引脚 上的内容在此期间不会改变。 基于单片机的称重控制系统设计 15 (4) P3 端口P3.0P3.7 P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/0 端口。输出时 可驱动 4 个 TTL。端口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。P13 端口在做输入使用时，因内部有上接电阻，被外部拉低的引脚会输出一定的电流。对 内部 Flash 程序存储器编程时，接控制信息。除此之外 P3 端口还用于一些专门功能， 具体如表 3-4 所示： 表 3-4 P3 端口的功能 P3 引脚兼用功能 P3.0串行通讯输入（RXD） P3.1串行通讯输出（TXD） P3.2外部中断 0（ INT0） P3.3外部中断 1（INT1） P3.4定时器 0 输入(T0) P3.5定时器 1 输入(T1) P3.6外部数据存储器写选通 WR P3.7外部数据存储器写选通 RD 5其它的控制或复用引脚 (1) ALE/PROG 30 访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地 址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE 端仍以不变的频率输出脉冲信号(此频率 是振荡器频率的 1/6)；在访问外部数据存储器时，出现一个 ALE 脉冲。对 Flash 存储 器编程时，这个引脚用于输入编程脉冲 PROG。 (2) PSEN 29 该引是外部程序存储器的选通信号输出端。当 AT89C51 由外部程序 存储器取指令或常数时，每个机器周期输出 2 个脉冲即两次有效。但访问外部数据存 储器时，将不会有脉冲输出。 (3) EA/Vpp 31 外部访问允许端。当该引脚访问外部程序存储器时，应输入低电平。 要使 AT89C51 只访问外部程序存储器（地址为 0000H-FFFFH）,这时该引脚必须保持 低电平，而要使用片内的程序存储器时该引脚必须保持高电平。对 Flash 存储器编程时， 该引脚用于施加 Vpp 编程电压。Vpp 电压有两种，类似芯片最大频率值要根据附加的 基于单片机的称重控制系统设计 16 编号或芯片内的特征字决定。如图 3-5 所示为单片机最小系统图： E A/V P 31 X 1 19 X 2 18 R ES ET 9 R D 17 W R 16 IN T 0 12 IN T 1 13 T 0 14 T 1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSE N 29 A LE /P 30 T XD 11 R XD 10 VCC 40 GND 20 8031 C 2 C 3 S1 V CC 图 3-5 单片机最小系统图 3.3 控制模块与转换模块的连接 MC14433 模拟电路部分有基准电压，模拟电压输入。模拟输入电压量程为 199.9MV 或 1.9999V 两种，对应的基准电压为+200MV 和+2V。 数字电路部分由逻辑控制 BDC 码，输出锁存器，多路开关，时钟，极性判别，溢 出检测等电路组成。才用字位动态扫描 BCD 码输出方式，即千，百，十，个位 BCD 码轮流在 Q0Q3 端输出。同时，在 DS1DS4 出现同步字位选通信号。由于 MC14433 的 A/D 转换结果是动态分时输出的 BCD 码，所以，Q0Q3 和 DS1DS4 可以通过 8051 单片机的并行口 P1 或通过扩展 I/O 电路与其相连。MC14433 与 8051 单 片机的 P2 口相连的电路如图 3-6 所示： 基于单片机的称重控制系统设计 17 图 3-6 MC14433 与单片机连接图 该电路采用查询方式管理 MC14433 的操作。由于引脚 EOC 与 DU 连接在一起， 所以 MC14433 能自动转换。 3.4 前级放大模块 INA121 仪表放大器 INA121 构成的放大器及滤波电路如图 3-7 所示： 图 3-7 INA121 构成的放大器 基于单片机的称重控制系统设计 18 这里通过调节 R3 的阻值来改变放大倍数。微弱信号 V-和 V+被分别放大后从 INA121 的第 6 脚输出。双积分 A/D 转换器 MC14433 的输入电压变化范围是- 2V+2V，称重仪模拟器的输出电压信号在 012mv 左右，因此放大器的放大倍数在 100200 左右，可将 R3 接成 1K 的滑动变阻器，从而改变其放大倍数。由于输入信号 为直流电压，在 INA121 的输入管脚之前需接入滤波电路。 3.5 自动称重模块 根据系统的技术要求，压力传感器选择 CYY-1 型微量固态压力传感器，它是由半 导体应变片构成的桥式输入动态压力传感器，测量范围是 01kg/cm2，桥路供电电压 为 6V,桥路输出电压最大为 20mV，CYY-1 型压力传感器的电路图如图 3-8 所示： R2 RES2 R3 RES2 R4 RES2 R5 RES2 R1 POT2 +6V 图 3-8 CYY-1 型压力传感器 图中 RP 是电桥调零电位器，为连接调零电位器方便，桥路本身并未接成闭合桥路。 应变片共有 5 个接线端子，其中端子 1 和 5 是为接调零电位器而设置的，该外接电位 器的精度将直接影响到测量精度及灵敏度，因此不宜选得过大，一般以小于桥臂电阻 的十分之一为宜。如不需要调零，可直接把 1 和 5 端短接作为桥路输出的一个端子。 传感器组数 N 的选择由下式计算： N(KG0C)/M 式中 K 为安全系数，该系统选 K=2,C 为称台自重，该系统称台自重为 1500 克， M 为最大量程，取 m1000 克，G0 为 1 袋乳粉的重量，则 N2.5，实际取 N=3，所 以本称重系统采用了三组桥路，见系统的硬件原理图所示： 基于单片机的称重控制系统设计 19 R17 POT2 R12 RES2 R20 POT2 1 2 4 5 6 1413 U10A NE521 GND +15V -15V +15V 图 3-9：OP07 接口电路模拟输入端 3.6 显示模块与控制模块的连接 本系统的控制模块与显示模块的连接相对较简单，主要实现以下功能：处理重量 数据，实现重量的显示，控制数码管的显示，具体分别如图 3-9 和图 3-10 所示： 基于单片机的称重控制系统设计 20 图 3-10 显示模块 1 与控制模块的连接 V CC 、 P07 P06 P05 P04 P03 P02 P01 P00 L 8 L 7 L 6 L 5 L 4 L 3 L 2 L 1 R 8 R 7 R 6 R 5 R 4 R 3 R 2 R 1 图 3-11 显示模块 2 与控制模块的连接 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 V CC 14 G ND 7 74LS 164 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 V CC 14 G ND 7 74LS 164 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 V CC 14 G ND 7 74LS 164 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK