基于单片机的乳粉包装称重控制设计方案.doc

基于单片机的乳粉包装称重控制设计方案第1章 绪论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12。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器。1.2.2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。1.2.3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2。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。1.3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3。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。 第2章 主要元器件选型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：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，因此综合考虑下来，我们决定采用双积分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5。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，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9。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。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7。 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：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2-4 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：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：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10。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。2.6 本章小结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如下：（1）电源模块：采用自制可调式三端集成稳压电源；（2）放大模块：采用仪表放大器INA121；（3）A/D转换模块：采用双积分A/D转换器MC14433；（4）控制模块：采用单片机AT89C51；（5）显示模块：采用七段LED数码管。第3章 硬件系统的设计3.1电路总体原理框图设计本系统单片机选用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24MHZ13；同时，具有32条输入输出线，16位定时/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。输入信号前级放大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：图3-2 晶振电路图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：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。(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WRP3.7外部数据存储器写选通RD5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：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：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：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。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：图3-9 显示模块1与控制模块的连接图3-10 显示模块2与控制模块的连接3.7 本章小结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。第4章 软件系统的设计系统的软件由三大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。4.1主程序模块主程序主要完成控制系统各部件的初始化和实现各功能子程序的调用，以及实际测量中各个功能模块的协调在无外部中断申请时，单片机通过循环对所称物体进行显示。把设置键作为外部中断0，以便能对数字按键进行相应处理。主程序流程图如下图4-1所示：开始调用查询子程序将千.百.十.个位依次放入R1. R2. R3. R4中调用显示子程序返回图4-1 系统总流程图4.2子程序模块查询子程序流程图见图4-2所示：开始P2口送入A千位选通信号DS1=1？NY千位送入20H高4位5位P2口送入A百位选通信号 DS2=1？NY百位送入20H低4位P2口送入A十位选通信号 DS3=1？NY十位送入21H高4位个位送入21H低4位结束Y个位选通信号 DS4=1？P2送入AN图4-2 查询子程序流程图4.3 中断程序模块图如图4-3为中断服务程序流程图：恢复现场进行键功能散转保护现场读键值开始清除键存放单元开中断，中断返回图4-3 中断服务程序流程图4.3.1 T0中断程序该中断是单片机内部5S定时中断，优先级设为最低，但却是最重要的子程序。在该中断响应中，单片机要完成A/D数据采集转换、数值滤波、判断是否有越限、标度转换处理、继续显示当前重量、与额定值进行比较，调用模糊控制子程序并输出控制信号等功能。4.3.2 T1中断子程序T1定时中断嵌套在T0中断之中，其定时初值由模糊控制子程序提供，T1中断相应的时间用于输出称重仪的控制信号。4.4 调零程序模块图该系统设置调零键，以方便调整硬件零件。使用方法是，开机后按调零键，系统进入调零程凋序，调整调零点位齐，使显示器显示为零后退出。程序流程如图4-4所示： 转换为BDC码调显示子程序是RETURN？恢复现场返回NY采样并滤波停异步电机启动A/D保护现场图4-4 调零程序流程图4.5 显示程序流程图此系统是自动称重系统，表现的是动态的乳粉落下装入乳粉袋中的重量，使最终达到想要的重量，但此系统也可以单独使用，为了使此称重系统能单独作为一个电子称来使用，故设置该键。按下该键后可直接称量，称完重量后按RETURN键，可继续进行包装称重。程序流程如图4-5所示：图4-5显示键程序流程图停步进电机保护现场启动A/D采样并滤波有校核标志吗？去皮重校核BDC码转换调显示子程序是RETURN？恢复现场返回NYNY4.6退出程序流程图该键的作用即终止程序的运行，当按下此键后系统的程序结束运行，要想继续使用此系统中的程序，只有按RETURN键。程序如图4-6所示：停异步电机是RETURN？返回NY图4-6退出键程序流程图4.7显示总数程序流程图当所有称重工作结束后，按下该键后会显示系统的累计乳粉袋数，程序流程如图4-7所示：BDC码转换调显示子程序是RETURN？恢复现场返回NY保护现场图4-7 显示总数程序流程图4.8 本章小结本章主要对本设计的软件部分进行分析，良好的软件部分设计也是整个系统设计成功的必要因素之一。第5章 系统测试本设计已经基本达到了设计要求。通过研究，发现系统浮动误差的根本原因是：仪表放大模块的滤波电路中电容的精度不高和系统抗干扰能力较弱。但由于实验室不能提供较高精度的电容，所以本系统的精度只限于目前的程度。所以决定系统精确性最根本的因素就是系统本身所具有的抗干扰能力。在微机应用于工业控制中，由于控制现场环境恶劣，情况复杂，因此必须考虑系统的抗干扰能力，以适应现场控制的需要。乳粉包装自动称重系统的单片机部分放置于现场，在现场中由于强电磁干扰，电网干扰，空间干扰等，以及大量的粉尘等导体，使主机系统的工作环境变的很恶劣19。因此，在系统设计和制造过程中，考虑到系统的抗干扰性能的要求，从硬件和软件上都设法提高系统的抗干扰能力，使系统充分适用于现场的要求，保证系统的可靠性。5.1 硬件抗干扰的设计各种干扰是机电一体化系统和装置出现瞬时故障的主要原因。干扰的抑制要从干扰源、传播途径、接收器三个方面入手。因此，在系统设计中，应尽可能避开干扰源，并针对不同的干扰源，对耦合通道采取有效的方法。干扰窜入系统的渠道有三种，即空间干扰，过程干扰，和供电系统的污染。一般常用的抗干扰措施有合理布置电源、屏蔽干扰源、隔离、滤波、接地等。5.2电源的干扰以及抑制措施任何电源及输电线路都存在内阻，这些内阻就会引起电源的噪声干扰。由于电源是整个系统运行的基础，并且危害最严重的干扰源是电源的污染。电源性能的好坏在很大程度上将直接影响整个系统的可靠运行。由于工业控制计算机的电源都接自电网，故由于现场的用电情况复杂。如电网电压不稳定，对计算机系统造成很大的干扰，干扰微机系统的正常工作，因此，系统选用带恒温的高精度基准的电源，并对此电源的输出电源进行预稳压，这样有效的保证了系统的抗干扰能力和A/D转换精度。5.3空间干扰的防御措施空间干扰主要是指电磁场在线路、导线、壳体上的辐射、吸收与调制。对外来的空间干扰，主要的措施是屏蔽用金属壳体，并将机壳接地，起封闭金属罩的作用，对共膜干扰有较强的抑制作用，在布线时，注意模拟地和数字地分开，最后经一点接入大地。将电源布置的尽可能粗，并使电源、地线的走向与数据传递方向尽可能一致，以增强抗噪声能力。总的来说，该方案设计的称重控制系统，电路简单，成本较低，工作可靠；并且该自动称重系统还实现了可视化，其界面直观，便于使用，从而杜绝不真实计量现象，维护企业和客户的利益。5.4 本章小结本章对可能影响系统精确度的因素进行分析，并相继的提出提高系统精确度的方法，这样才能最好的解决系统精度低的问题。第6章 设计方案评价此次系统以单片机AT89C51为控制部件，称重仪模拟信号为输入信号 ,通过前级放大器,双积分A/D转换器,把转换后的BCD码送入AT89C51中进行数据处理,最后在数码管上显示.系统的精度基本达到了要求。6.1 硬件部分设计评价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。6.2 软件部分设计评价本次软件设计我们采用模块化编程，思路清晰，使程序简洁、可移植性强。但是在程序编写方面，没有对系统进行具体的优化。这就需要我们针对所选硬件外设对系统进行详细的优化工作，确保工艺控制的最优化。本设计的目的不仅仅是温度控制本身，主要提供了单片机外围电路及软件包括控制算法设计的思想，应该说，这种思想比控制系统本身更为重要。6.3 本章小结本章主要对整个系统设计方案进行分析评价，并最终使自己更好的了解自己所做设计的优缺利弊，从而使自己更好的学习一些基于单片机方面的知识。结 论乳粉包装自动称重系统实现了自动的原理，也就是在系统中应用电动机、单片机、还有内部程序的共同作用，使乳粉从落粉槽中落下，在各种内部结构的控制下，看一袋乳粉的重量是否达到预期的重量，如果达到则通过传送带传送出去进行下一袋乳粉的自动称重；否则将次品袋作丢弃处理。此过程中重量的调节有粗调和细调，分别有两台电动机及内部程序控制完成。步进电机实现粗调的目的，当乳粉的重量接近预期重量的时候，就要停止步进电机的运行转为用异步电机实现细调的阶段，直到一袋乳粉的重量等于我们想要的重量为止。本设计的任务是设计一种称重控制系统，究其实质是一个嵌入式应用软件的开发。通过了解现阶段各个领域中称重控制系统的应用方案以及使用场合，国内外嵌入式发展的现状，对比各种嵌入式处理器的性能和结构，最终选择了基于C51单片机的嵌入式控制系统。本文采用单片机AT89C51 性价比高，硬件设计简洁，整个控制系统通过设置的参数，根据单片机自动修正启动称重控制装置，调整满足现场需要，同时可通过数码显示，清楚的观测到称重值，超过限定值进行中断处理。此套装置实施方便、可靠。要完成一个好的设计方案，需要对用户提出的需求有一个清楚的认识，针对用户的需求指定系统硬件外设和编写程序，并且细化程序，使软件最大程度地发挥系统功能。信息时代的高速发展使得嵌入式产品获得了巨大的发展空间和机遇，相信在未来的发展中，会有越来越多的行业、越来越广泛的场合使用嵌入式设备，使嵌入式产品得到长足的发展。致 谢本次设计是在我的导师李泽的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，李老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。两年多来，学院的很多老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向李老师及其他老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在此，我还要感谢在一起愉快的度过大学四年求学生活的电气0722各位同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。特别感谢我的舍友们，他们对本课题做了不少工作，给予我不少的帮助。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们！参 考 文 献1 周航慈.单片机应用程序设计技术.北京航空航天大学出版社,2002.2 李朝青.单片机原理及接口技术.1999,209210.3 陈龙三.8051单片机C语言控制与应用.1999.4 薛栋梁.单片机原理与应用.2001,254265.5 王琼.单片机原理及应用实验教程.合肥工业大学出版社,2005.6 冯建华.单片机应用的系统设计与产品开发.人民邮电出版社,2004.7 刘悦.单片机在智能充电器中的应用.1999,22(6):725729.8 金燕.门式起重机用电子吊秤系统的设计.2001,18(5):5558.9 霍爱清.基于89C51单片机的远程数据采集系统的设计.2001,18(6):1012.10 阎石.数字电子枝术基础.1995.11 沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实现.电子工业出版社,2005.12 聂毅.宏汇编语言程序设计教程.电子工业出版社,1998.13 杨文龙.单片机原理及应用.1998.14 薛钧义.MCS5196系列单片机微型计算机及其应用.1997.15 高金峰.带通讯接口的电子称重系统.1998.16 龚光华.单片机认识与实践.北京航空航天大学出版社,2006.17 赵茂泰.智能仪器原理及应用（第2版）.电子工业出版社,2004.18 马忠梅.单片机的C语言应用程序设计(第三版).2003.19 刘悦.单片机在智能充电器中的应用.四川师范大学学报.1999.22（6）:725729.20 王幸之.单片机应用系统抗干扰技术.北京航空航天大学出版社,2000. 附录A 译文单片机的历史1971年十一月，一家名为英特尔的公司公开推出了世界上第一个单芯片微处理器，英特尔4004（美国专利3821715），这是由英特尔的工程师Mazor费德里科Faggin，特德Hoff和斯坦发明的。在发明了集成电路这一革命性的电脑设计后，电脑芯片愈来愈小的趋势开始显现出来。英特尔4004芯片通过将所有的电脑系统（即中央处理单元，存储器，输入和输出控制）都集中在一块集成电板上而使电脑芯片越来越小。这些也都使得人类对非生命性物质的智能化处理成为了可能。英特尔的历史1968年，正在为Fairchild半导体公司工作的鲍勃诺伊斯和戈登摩尔两个工程师工作的并不快乐，因此他们准备离开公司去创造属于他们自己的公司，而当时Fairchild的许多员工也都纷纷离开公司去寻求更好的出路。诺伊斯和摩尔人喜欢被昵称为“Fairchildren”。鲍勃诺伊斯自己写了一网页关于他想要创办的新公司的构思，而这些构思也足已说服旧金山风险资本家罗克参与到诺伊斯和摩尔的新公司创建中。而事实上罗克在不到两天内就赚了$250万美元。一个芯片是否能具有12种功能1969年年底，一位来自日本的潜在客户Busicom预定了12种特制的电脑芯片。而这些具有键盘扫描，显示控制，打印机控制及其他功能的芯片都被运用在Busicom制造的计算器。虽然英特尔没有适合做这项工作的人才，但他们确能提出一个关于这项工作的解决方案。英特尔工程师泰德霍夫觉得英特尔可以制作出具有12项功能的芯片。最终英特尔和Busicom在共同资助新的可编程，多用途逻辑芯片上达成了协议。作为新型芯片的程序编写员，费德里科Faggin领导了这个新型芯片设计团队，当然泰德霍夫和斯坦Mazor也在这个团队中。九个月后，一项革命性的成果诞生了，它填补了之前芯片的一些不足之处。巧妙的是，英特尔决定以40046万美元回购Busicom的设计和销售权。次年Busicom变破产了，他们生产的产品从未使用过4004芯片。英特尔又提出了一个聪明的市场营销计划，以鼓励促进4004芯片的应用开发，这也使得4004芯片在几个月之内便得到了人们的广泛使用。英特尔4004微处理器4004是世界上第一个通用的微处理器。在60年代后期，许多科学家曾讨论过微型计算机的可能性，但几乎所有人都认为，集成电路技术还没有到达这一成熟地步。但英特尔的Ted Hoff的并不这样认为，他认为新的硅门控MOS技术可以使单芯片CPU（中央处理单元）的制造成为可能，因此他也就成为史上有这前卫意识的第一人。霍夫和英特尔开发团队在一个只有4毫米长3毫米宽的电脑内部安装了超过2300个的晶体管。凭借其4位CPU，命令寄存器，译码器，解码控制，控制的机器的命令和临时登记的监测，4004是一个一个小的发明啦！今天的64位微处理器仍然是基于类似的设计，微处理器仍然是最复杂的大规模生产的产品，它机内超过550万个晶体管，并进行着每秒超过几亿次的计算量，而且这种微处理器肯定会更新淘汰的很快。单片机构架他的NVIDIA nForce媒体与通讯处理器（MCP）为桌面提供了先进的技术和无与伦比的性能，移动和专业系统，并继续在平台技术NVIDIA传统的行业处于领先地位。 降低延迟：比于相同的功能双芯片，单芯片NVIDIA架构提供了一种固有的性能优势相。除了整体延迟降低，NVIDIA nForce MCP也显着提高者设备的吞吐量。极快的专用HyperTransport连接让与CPU的NVIDIA MCP的通信速度高达8.0GBps，保证了充足的系统带宽。当多个设备同时运行或用于支持高带宽设备时，这种技术是十分有利的。 设计效率：相比于目前市场上现有的0.22微米的产品，NVIDIA公司推出的单芯片架构采用0.15微米工艺技术。该技术提供了与众不同的效果和集成功能：简化了电路板布局和更多的功能空间板和附加芯片组，并降低了功耗和消耗的热量，简化了库存管理和成本。 先进的技术特点：内建的NVIDIA RAID技术，提供了优化的系统的性能。NVIDIA公司提供了用于解决台式机和工作站的性能的最好解决方案。此外，处理器的NVIDIA nForce解决方案提供了支持最新图片的功能。AVR单片机关于这方面最好的例子便是AVR单片机了。AVR 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的 CISC微控制器最高至 10倍的数据吞吐率。 ATmega8 有如下特点 :8K 字节的系统内可编程 Flash( 具有同时读写的能力，即 RWW)，512 字节 EEPROM，1K 字节 SRAM，32 个通用 I/O 口线，32 个通用工作寄存器，三个具有比较模式的灵活的定时器 / 计数器 (T/C), 片内 / 外中断，可编程串行 USART，面向字节的两线串行接口， 10 位 6 路 (8 路为 TQFP 与 MLF 封装 )ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 SPI 串行端口，以及五种可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时 CPU 停止工作，而 SRAM、 T/C、 SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止 CPU 和除了异步定时器与 ADC 以外所有 I/O 模块的工作，以降低 ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力。 本芯片是以 Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内 ISP Flash 允许程序存储器通过 ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于 AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(Application Flash Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了 RWW 操作。 通过将 8 位 RISC CPU 与系统内可编程的 Flash 集成在一个芯片内，ATmega8 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。 ATmega8 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C 语言编译器、宏汇编、 程序调试器 / 软件仿真器、仿真器及评估板。但由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。 单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。 可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。单片机的应用目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：1.在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。