基于基于单片机技术的超声波测距毕业论文.doc

I 基于基于单片机技术的超声波测距毕基于基于单片机技术的超声波测距毕 业论文业论文 目目 录录 摘 要 I Abstract II 绪 论 1 I 1 课题设计的目的及其意 义 1 I 2 超声波测距仪的设计思 路 1 1 课题的方案设计与论 证 3 1 1 系统整体方案的设 计 3 1 2 系统整体方案的论 证 3 2 系统的硬件结构设 计 4 II 2 1 单片机的功能特点及测距原 理 4 2 2 超声波发射电 路 6 2 3 超声波检测接收电 路 7 2 4 超声波测距系统的硬件电路设 计 7 3 系统软件的设 计 9 3 1 超声波测距仪的算法设 计 9 3 2 主程序流程 图 10 3 3 超声波发生子程序与超声波接受中断程 序 11 3 4 系统的软硬件的调 试 12 总 结 13 致 谢 III 15 参考文 献 16 附 录 一 超声波测距电路原理 图 18 附 录 二 超声波测距电路版 图 19 附 录 三 程序清 单 20 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 I 绪 论 1 课题设计目的及意义 1 1 设计的目的 随着科学技术的快速发展 超声波将在测距仪中的应用越来越广 但就 目 前技术水平来说 人们可以具体利用的测距技术还十分有限 因此 这是一个 正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域 展望未来 超声波测距仪作 为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间 它将朝着 更加高定位高精度的方向发展 以满足日益发展的社会需求 如声纳的发展趋 势基本为 研制具有更高定位精度的被动测距声纳 以满足水中武器实施全隐 蔽攻击的需要 继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳 实现超远 程的被动探测和识别 研制更适合于浅海工作的潜艇声纳 特别是解决浅海水 中目标识别问题 大力降低潜艇自噪声 改善潜艇声纳的工作环境 无庸置疑 未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨 与其他的测距仪集成和融合 形 成多测距仪 随着测距仪的技术进步 测距仪将从具有单纯判断功能发展到具 有学习功能 最终发展到具有创造力 在新的世纪里 面貌一新的测距仪将发 挥更大的作用 1 2 设计的意义 随着科技的发展 人们生活水平的提高 城市发展建设加快 城市给排水 系统也有较大发展 其状况不断改善 但是 由于历史原因合成时间住的许多 不可预见因素 城市给排水系统 特别是排水系统往往落后于城市建设 因此 经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象 城市污水给人们 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 II 带来了困扰 因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理 人们生活舒 适显得非常重要 而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统 保证 机器人在箱涵中自由排污疏通 是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分 控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制 因此 设计好的超声波测距仪就 显得非常重要了 这就是我设计超声波测距仪的意义 2 超声波测距仪的设计思路 2 1 超声波测距原理 1 2 发射器发出的超声波以速度 在空气中传播 在到达被测物体时被反 射返回 由接收器接收 其往返时间为 t 由 s vt 2 即可算出被测物体的 距离 由于超声波也是一种声波 其声速 v 与温度有关 下表列出了几种 不同温度下的声速 在使用时 如果温度变化不大 则可认为声速是基本不 变的 如果测距精度要求很高 则应通过温度补偿的方法加以校正 表 1 1 超声波波速与温度的关系表 温度 30 20 100102030100 声速 m s 313319325323338344349386 2 2 超声波测距仪原理框图如下图 单片机发出 40kHZ 的信号 经放大后通过超声波发射器输出 超声波接 收器将接收到的超声波信号经放大器放大 用锁相环电路进行检波处理后 启 动单片机中断程序 测得时间为 t 再由软件进行判别 计算 得出距离数并 送 LED 显示 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 III 图 1 1 超声波测距仪原理框图 1 课程的方案设计与论证 1 1 系统整体方案的设计 由于超声波指向性强 能量消耗缓慢 在介质中传播的距离较远 因而 超声波经常用于距离的测量 利用超声波检测距离 设计比较方便 计算处理 也较简单 并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求 超声波发生器可以分为两大类 一类是用电气方式产生超声波 一类是用 机械方式产生超声波 电气方式包括压电型 电动型等 机械方式有加尔统笛 液哨和气流旋笛等 它们所产生的超声波的频率 功率 和声波特性各不相同 因而用途也各不相同 目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器 根据设计要求并综合各方面因素 本文采用 AT89C51 单片机作为控制器 用 动态扫描法实现 LED 数字显示 超声波驱动信号用单片机的定时器 1 2 系统整体方案的论证 超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受 根据超声波传播的时间 来计算出传播距离 实用的测距方法有两种 一种是在被测距离的两端 一端 发射 另一端接收的直接波方式 适用于身高计 一种是发射波被物体反射回 来后接收的反射波方式 适用于测距仪 此次设计采用反射波方式 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 IV 测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择 超声波传感器是一种采 用压电效应的传感器 常用的材料是压电陶瓷 由于超声波在空气中传播时会 有相当的衰减 衰减的程度与频率的高低成正比 而频率高分辨率也高 故短 距离测量时应选择频率高的传感器 而长距离的测量时应用低频率的传感器 2 系统的硬件结构设计 由单片机 AT89C51 编程产生 40kHz 的方波 由 P3 6 口输出 再经过放大 电路 驱动超声波发射探头发射超声波 发射出去的超声波经障碍物反射回来 后 由超声波接收头接收到信号 通过接收电路的检波放大 积分整形及一系 列处理 送至单片机 单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲 的时间间隔计算出障碍物的距离 并由单片机控制显示出来 该测距装置是由超声波传感器 单片机 发射 接收电路和 LED 显示器组 成 传感器输入端与发射接收电路相连 接收电路输出端与单片机相连接 单片 机的输出端与显示电路输入端相连接 其时序图如图 1 2 所示 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 V 图 1 2 时序图 单片机在 T0时刻发射方波 同时启动定时器开始计时 当收到回波后 产生一负跳变到单片机中断口 单片机响应中断程序 定时器停止计数 计算 时间差 即可得到超声波在媒介中传播的时间 t 由此便可计算出距离 2 1 51 系列单片机的功能特点及测距原理 3 6 2 1 1 51 系列单片机的功能特点 5l 系列单片机中典型芯片 AT89C51 采用 40 引脚双列直插封装 DIP 形 式 内部由 CPU 4kB 的 ROM 256 B 的 RAM 2 个 16b 的定时 计数器 TO 和 T1 4 个 8 b 的工 O 端 I IP0 P1 P2 P3 一个全双功串行通信口等组成 特别是该系列单片机片内的 Flash 可编程 可擦除只读存储器 E PROM 使其 在实际中有着十分广泛的用途 在便携式 省电及特殊信息保存的仪器和系统 中更为有用 该系列单片机引脚与封装如图 2 1 所示 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 VI 5l 系列单片机提供以下功能 4 kB 存储器 256 BRAM 32 条工 O 线 2 个 16b 定时 计数器 5 个 2 级中断源 1 个全双向的串行口以及时钟电路 空闲方式 CPU 停止工作 而让 RAM 定时 计数器 串行口和中断系统继续 工作 掉电方式 保存 RAM 的内容 振荡器停振 禁止芯片所有的其他功能直到下一 次硬件复位 5l 系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法 充分利用他的 片内资源 即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统 2 1 2 单片机实现测距原理 单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射 的回波 从而测出发射和接收回波的时间差 tr 然后求出距离 S Ct 2 式 中的 C 为超声波波速 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 VII 限制该系统的最大可测距离存在 4 个因素 超声波的幅度 反射的质地 反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度 接收换能器对声波脉冲 的直接接收能力将决定最小的可测距离 为了增加所测量的覆盖范围 减小测 量误差 可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射 接收的设计方法 由于超声波属于声波范围 其波速 C 与温度有关 2 4 超声波测距系统的硬件电路设计 本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往 返时间的计时 单片机选用 AT89C51 经济易用 且片内有 4K 的 ROM 便 于编程 电路原理图如图 2 4 所示 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 VIII 图 2 4 超声波测距电路原理图 3 系统软件的设计 超声波测距仪的软件设计主要由主程序 超声波发生子程序 超声波接收 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 IX 中断程序及显示子程序组成 我们知道 C 语言程序有利于实现较复杂的算法 汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间 而超声波测 距仪的程序既有较复杂的计算 计算距离时 又要求精细计算程序运行时间 超声波测距时 所以控制程序可采用 C 语言和汇编语言混合编程 3 1 超声波测距仪的算法设计 10 超声波测距的原理为超声波发生器 T 在某一时刻发出一个超声波信号 当 这个超声波遇到被测物体后反射回来 就被超声波接收器 R 所接收到 这样只 要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间 就可算出超声波发 生器与反射物体的距离 距离的计算公式为 d s 2 c t 2 1 其中 d 为被测物与测距仪的距离 s 为声波的来回的路程 c 为声速 t 为声 波来回所用的时间 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器 T0 利 用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间 当收到超声 波反射波时 接收电路输出端产生一个负跳变 在 INT0 或 INT1 端产生一个 中断请求信号 单片机响应外部中断请求 执行外部中断服务子程序 读取时 间差 计算距离 其部分源程序如下 TMOD 0X01 T0 计数 方式 1 TH0 0 计数初值 TL0 0 计数初值 IT0 1 INT0 负脉冲触发 EA 1 开总中断 EX0 1 开外部 INT0 中断 AGAIN 1 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 X WHILE 1 UCHAR X IF ON 0 启动键处理 DELAY1MS 5 按键消抖 IF ON 0 ONOFF 1 启动 WHILE ON 等待按键释放 IF OFF 0 停止键处理 DELAY1MS 5 按键消抖 IF OFF 0 ONOFF 0 停止 WHILE OFF 等待按键释放 IF ONOFF OUT 0 产生方波 输出低电平 DELAYS 延时 产生几个微秒的低电平 让模拟反射的单片机能正确 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 XI 接收信号 OUT 1 恢复高电平 停止模拟发射 TH0 0 TL0 0 AGAIN 0 TR0 1 T0 开始计数 FOR X 0 X 20 X DISPLAY 数码管显示 IF AGAIN 0 BWEI SHWEI GWEI 0 ELSE BWEI SHWEI GWEI 10 VOID INT0 VOID INTERRUPT 0 USING 1 INTO 中断服务程序 FLOAT COUNT ULONG NUM TR0 0 停止计数 COUNT TH0 256 TL0 2 NUM COUNT 10000 344 计算超声波来回距离 NUM NUM 2 总距离除 2 等于实际距离 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 XII 3 2 主程序流程图 软件分为两部分 主程序和中断服务程序 如图 3 1 所示 主程序完成初 始化工作 各路超声波发射和接收顺序的控制 定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射 外部中断服务子程序 主要完成时间值的读取 距离计算 结果的输出等工作 主程序首先是对系统环境初始化 设置定时器 T0 工作模式为 16 位定时计 数器模式 置位总中断允许位 EA 并给显示端口 P0 和 P1 清 0 然后调用超声波 发生子程序送出一个超声波脉冲 为了避免超声波从发射器直接传送到接收器 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 XIII 引起的直射波触发 需要延时约 0 1 ms 这也就是超声波测距仪会有一个最小 可测距离的原因 后 才打开外中断 0 接收返回的超声波信号 由于采用的是 12 MHz 的晶 振 计数器每计一个数就是 1 s 当主程序检测到接收成功的标 志位后 将计数器 T0 中的数 即超声波来回所用的时间 按式 2 计算 即 可得被测物体与测距仪之间的距离 设计时取 20 时的声速为 344 m s 则有 d c t 2 172T0 10000cm 2 其中 T0 为计数器 T0 的计算值 测出距离后结果将以十进制 BCD 码方式送往 LED 显示约 0 5s 然后再发 超声波脉冲重复测量过程 为了有利于程序结构化和容易计算出距离 主程序 采用 C 语言编写 3 3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 超声波发生子程序的作用是通过 P1 0 端口发送 2 个左右超声波脉冲信号 频率约 40kHz 的方波 脉冲宽度为 12 s 左右 同时把计数器 T0 打开进行 计时 超声波发生子程序较简单 但要求程序运行准确 所以采用汇编语言编 程 超声波测距仪主程序利用外中断 0 检测返回超声波信号 一旦接收到返回 超声波信号 即 INT0 引脚出现低电平 立即进入中断程序 进入中断后就立 即关闭计时器 T0 停止计时 并将测距成功标志字赋值 1 如果当计时器溢出 时还未检测到超声波返回信号 则定时器 T0 溢出中断将外中断 0 关闭 并将 测距成功标志字赋值 2 以表示此次测距不成功 前方测距电路的输出端接单片 机 INT0 端口 中断优先级最高 左 右测距电路的输出通过与门 IC3A 的输 出接单片机 INT1 端口 同时单片机 P1 3 和 P1 4 接到 IC3A 的输入端 中断 源的识别由程序查询来处理 中断优先级为先右后左 部分源程序如下 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 XIV receive1 push psw push acc clr ex1 关外部中断 1 jnb p1 1 right P1 1 引脚为 0 转至右测距电路中断服务程序 jnb p1 2 left P1 2 引脚为 0 转至左测距电路中断服务程序 return SETB EX1 开外部中断 1 pop acc pop psw reti right 右测距电路中断服务程序入口 ajmp return left 左测距电路中断服务程序入口 ajmp return 3 4 系统的软硬件的调试 11 超声波测距仪的制作和调试都比较简单 其中超声波发射和接收采用 15 的超声波换能器 TCT40 10F1 T 发射 和 TCT40 10S1 R 接收 中心频率 为 40kHz 安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距 4 8cm 其余元件无 特殊要求 若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来 则可提高抗干扰能力 根据测量范围要求不同 可适当调整与接收换能器并接的滤波电容 C0 的大小 以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力 硬件电路制作完成并调试好后 便可将程序编译好下载到单片机试运行 根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间 隔时间 以适应不同距离的测量需要 根据所设计的电路参数和程序 测距仪 能测的范围为 0 07 5 5m 测距仪最大误差不超过 1cm 系统调试完后应对测 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 XV 量误差和重复一致性进行多次实验分析 不断优化系统使其达到实际使用的测 量要求 软件的调试程序见附录一 目 录 摘 要 I Abstract II 目 录 III 第 1 章 绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 课题目的与意义 1 1 3 课题设计要求 2 1 4 称重仪的国内外现状 2 本章小结 2 第 2 章 称重仪的总系统设计与各模块方案选型 3 2 1 称重仪的总系统框图 3 2 2 称重仪的主控制系统设计 4 2 2 1 称重仪的主控制系统结构 4 2 2 2 称重仪的主控制系统工作原理 4 2 3 称重仪各模块的方案选型 5 2 3 1 电源模块方案选型 5 2 3 2 数据采集模块方案选型 5 2 3 3 主控制器模块方案选型 6 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 XVI 2 3 4 数据显示模块方案选型 6 2 3 5 报警模块方案选型 6 本章小结 6 第 3 章 称重仪的各单元电路设计 7 3 1 所用单片机的简介 7 3 1 1 单片机的最小系统设计 7 3 2 电源电路设计 8 3 3 称重传感器电路设计 9 3 3 1 传感器的工作原理 9 3 4 前级放大器电路设计 11 3 5 A D 转换器电路设计 12 3 5 1A D 转换器原理 12 3 5 2 A D 转换器外围电路 15 3 6 显示电路设计 16 3 6 1 LED 结构与原理 18 3 6 2 动态显示 LED 显示器接口 19 本章小结 21 第 4 章 称重仪的系统程序设计 22 4 1 主程序设计 22 4 2MAX187 转换程序设计 23 4 3 显示程序设计 24 本章小结 25 第五章 称重仪的安装与调试 26 本章小结 26 结 论 27 致 谢 28 参考文献 29 附录 1 译文 30 附录 2 英文参考资料 34 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 XVII 附录 3 系统总图 39 附录 4 程序清单 40 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 课题背景 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 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 经过 40 多年的不断改进与完善 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 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 1 2 课题研究目的与意义 随着自动化测试技术的发展 传统的称重系统在功能 精度 性价比等方 面已难以满足人们的需要 尤其在智能化 便捷式 对微小质量的测量方面更 显得力不从心 笔者采用以 AT89S51 单片机为控制核心 结合高敏度的电阻式 应变式压力传感器和高精度的 A D 转换器 设计称重系统的总体结构及软件 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 2 硬件 实现物体质量 控制及显示报告的电气化与智能化 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 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 1 3 称重仪的国内外发展现状 1 3 1 国内外称重仪现状 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 经过 40 多年的不断改进与完善 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 我国电子衡器的技术装 备和检测试验手段基本达到国际 90 年代中期的水平 少数产品的技术已处于国 际领先水平 国内的电子秤市场中 1009 左右量程的电子秤精度一般为 0 019 即 10mg 在研究方法上 电子称重系统的工作原理一般是将作用在承载器上的 质量或力的大小 通过压力传感器转换为电信号 并通过控制电路来处理该电信 号 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 特别是对快速称重和动态称重的研究与应用 在国际上 一些发达国家在电子称重力一面已经达到了较高的水平 特别 是在准确度和可靠性等方面有了很大的提高 在称重传感器方面 国外电子秤 产品的品种和结构又有创新 技术功能和应用范围不断扩大 成果举例如下 l 美国 Revere 公司研制出 PUS 型具有大气压力补偿功能的拉压两用的称 重传感器 用于高准确度检验平台 称重平台 准确度可达 5000d 2 德国 HBM 公司研制成功 C2A C16A 两种不同结构的 1 100t 具有耐压 外壳保护的防爆称重传感器 其防爆性能符合欧洲 EN50014 和 EN50018d 级标准 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 3 3 美国斯凯梅公司研制出新一代高准确度不锈钢 F6Ox 系列 5 5000kg 称 重传感器 准确度 6000d 用于湿度大 腐蚀性强的环境中 而且防水 4 德国塞特内尔公司研制出以被青铜为弹性体材料 快速称重用 200 型称 重传感器 其特点是线性好 固有频率高 动态响应快 独创油阻尼装置与过载 保护装置一体化 保证称量时速度快 工作寿命长 组装 3 一 30kg 电子平台秤 准确度可达 4000d 但就总体而言 我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有 较大差距 其主要差距是技术与工艺不够先进 工艺装备与测试仪表老化 开 发能力不足 产品的品种规格较少 功能不全 稳定性和可靠性较差等 1 3 1 称重仪的发展趋势 台式电子计价秤具在商业贸易中的使相当普遍 但应用场所受到制约 电子 秤产品的应用性能趋向上更综合性和组合性 1 小型化 新研制的电子平台秤结构充分体现了体积小 高度低 重量轻 即小 薄 轻 的发展方向 对于低容量的电子平台秤和电子轮轴秤 可采用薄型或超薄型 的圆形称重传感器 这样不但降低了成本 而且提高了稳定性和可靠性 4 对中 等或较大容量的电子平台秤 电子地上衡 已经出现了采用方形或长方形闭合截 面的薄壁型钢焊接成秤体 这是一种很有发展一前途的秤体结构 对于大型电子 平台秤 可利用有限单元法进行等强度和刚度计算 采用抗弯刚度大的型材和轻 型波纹夹心钢板等 2 模块化 对于大型或超大型的承载器结构 如大型静动态电子汽车衡等 己开始采用 几种长度的标准结构的模块 经过分体组合 而产生新的品种和规格 这种结构 不仅提高了产品的通用性 互换性和可靠性 而且也大大地提高了生产效率和产 品质量 同时还降低了成本 增强了企业的市场竞争力 3 集成化 小型电子平台秤 专用秤 便携式静动态电子轮轴秤 静动态电子轨道衡 等 都可以实现秤体与称重传感器 钢轨与称重传感器 轨道衡秤体与铁路线路一 体化 4 智能化 电子秤的称重显示控制器与电子计算机组合 利用电子计算机的智能来增加 称重显示控制器的功能 使电子秤在原有功能的基础上 增加推理 判断 自诊 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 4 断 自适应 自组织等功能 这就是当今市场上采用微机化称重显示控制器的电 子秤与采用智能化称重显示控制器的电子秤的根本区别 5 5 综合性 电子称重技术的发展规律是不断的加强基础研究并扩大应用 扩展新技术领 域 向相邻学科和行业渗透 综合各种技术去解决称重计量 自动控制 信息处 理等问题 例如在流量计量专业 如果采用称重法即质量流量法 只要将重量和 时间测量准确 大流量的测量问题就迎刃而解了 现代商业系统还要求商用电子 计价秤能提供各种销售信息 把称重与管理自动化紧密结合 实现管理自动化 这就要求电子计价秤能与电子计一算机联网 把称重系统与计算机系统组成一个 完整的综合控制系统 6 组合性 在工业称重计量过程或工艺流程中 不少称重计量系统还要求具有可组合性 即 测量范围等可以任意设定 硬件功能向软件方向发展 软件能按一定的程序进行 修改和扩展 输入输出数据与指令可以使用不同的语一言和条形码 并能与外部 的控制和数据处理设备进行通信 我国衡器行业使用面最广 产销量最大的计量产品是非自动衡器 国际法 制计量组织 76 号国际建议 OIMLR76 一非自动衡器 它是目前国际上唯一的非 自动衡器通用国际标准 中 明确规定非自动衡器按大类分为非自动天平与非自 动秤 目前我国产品标准中列入的十大类衡器已实现了电子化 1 4 题设计要求 1 设计出硬件电路 2 称量范围 0 5kg 精度为 1 3 LED 显示要显示的内容 本章小结 本章主要是介绍现在生活中的称重仪的历史和国际现状 以及本设计的称 重仪与过去的先进之处与它的应用领域 并提出了设计的技术要求 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 5 第第 2 2 章章 称重仪的总体方案设计称重仪的总体方案设计 2 1 称重仪的基本工作原理 电子秤的工作原理以电子元件 称重传感器 放大电路 AD 转换电路 单片 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 6 机电路 显示电路 通讯接口电路 稳压电源电路等电路组成 当物体放在秤 盘上时 压力施给传感器 该传感器发生形变 从而使阻抗发生变化 同时使 用激励电压发生变化 输出一个变化的模拟信号 该信号经放大电路放大输出 到模数转换器 转换成便于处理的数字信号输出到 CPU 运算控制 CPU 根据 程序将这种结果输出到显示器 直至显示这种结果 2 2 称重仪的系统总体框图 按照本设计功能的要求 系统由 5 个部分组成 控制器部分 信号采集 部分 报警部分 数据显示部分 和电路电源部分 系统设计总体方案框图 如图 2 1 所示 图 2 1 总系统体框图 信号采集部分是利用称重传感器检测压力信号 得到微弱的电信号 本设 计为电压信号 而后经处理电路 如滤波电路 差动放大电路 处理后 送 A D 转换器 将模拟量转化为数字量输出 控制器部分接受来自 A D 转换器输 出的数字信号 经过复杂的运算 将数字信号转换为物体的实际重量信号 并 将其存储到存储单元中 控制器还可以通过对扩展 I O 的控制 对键盘进行扫 描 而后通过键盘散转程序 对整个系统进行控制 数据显示部分根据需要实 现显示功能 电路电源部分主要是为电路提供稳定方便的电源 将工频电压直 接转换成所需的 5 伏电压 报警部分只要是在超重时对使用者发出警告声 压力传感器 中央处理单元 模 数转换 LED 显示 电源电路 信号放大调理电路 超重报警 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 7 2 3 称重仪的主控制系统设计 2 3 1 称重仪的主控制系统工作原理 该系统选用AT89S51单片机为主控制器 主要是先进行数据采集 采集由 前级放大器把压力传感器获取的电压信号放大的模拟信号 在经过A D转换器 转换成的数字信号 此信号在单片机内经过数据处理及各种运算把所感知的二 进制信号转换成十进制 并送进显示模块显示出来 此外 当单片机感知测量 对象超出系统测量范围时 单片机会向报警模块发出指令 启动声光报警装置 设计中为了安全起见 留有较大的过负载能力 因此系统报警时的负载并不会 对测量器件造成损坏 2 3 2 称重仪的主控制系统结构 一 主控制系统具备的功能 该系统采用单片机作为主控制系统 主要目的在于称重之后的数字化显示 和实现精确的测量 故系统应该具有单片机工作所需的稳定的 5V直流电源 又考虑到数字化显示所用到的数码管中会出现某段被损坏而不被点亮的情况 系统应该具有开机自检功能 就是开机后自动逐个扫描每一个晶体管 用来检 查数码管各段是否完好 可以依靠软件编程实现 除此之外还有超重报警功能 防止超重物对传感器件造成损坏 二 单片机控制系统结构框图如图2 2所示 图 2 2 单片机控制系统结构框图 2 4 称重仪各模块的方案选型 整个硬件系统由五大模块组成 下面以控制系统结构为依据就针对各模块做具体的 方案设计 测量放大信号A D 模块显示模块控制模块 声光报警 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 8 2 4 1 电源模块方案选型 为了使称重仪的供电方便 这里把电源设计成用 220V 的交流电经过变 压器后输出 9 的电压 经整流滤波电路后 通过 LM7805 和 LM7905 进行 DC DC 变换得到 5V 供压力传感器器和系统的其他芯片使用 2 4 2 数据采集模块方案选型 数据采集模块分为 3 个部分 称重传感器 前级放大器和 A D 转换器 一 称重传感器 首先这里传感器选用金钟电子衡器股份有限公司生产的 L PSII 10 型压力 传感器 为双孔悬臂梁形式 是电子计价秤的专用产品 这里说下传感器的选型方法 可具体参考以下步骤 1 计算并确定转换系数 f 转换系数 f 是表明每一个检定分度值 V 中 有多少个示值单位 是用于把全部示值单位转换为 V 的 它是由初始公称 试验温度20 时 进程负荷试脸下试脸效据平均值确定的 2 计算参比示值 所谓 参比值 即是 理论示值 或 理想示值 3 计算各试验点EL 4 各试验点误差与最后一列最大允许误差相比较 5 将计算结果与系统对传感器的要求做出比较 以确定选型是否成功 二 前级放大器 其次前级放大器的设计有以下几种方案可以采用 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 A D 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 此中方案不宜采用 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 实际测量 每一级运放都会引入较大噪声 对精度会有较大影响 方案三 采用专用仪表放大器 如 INA126 INA121 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 且放大器的增益是可以改变的 基于以上分析 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 三 A D 转换器 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 9 然后按设计要求 电子称最大称重为 5 公斤 重量误差不能大于 1 0 我 们的理解是满刻度时 只能有 5g 的误差 精度要求较高 同样也有以下几种 方案采用 方案一 采用 V F 变换芯片 LM331 该方案是使用压频变换器件 把电压信号转化为频率信号 单片机通过计 数获得重物的重量 此方案 可不用 A D 但需要比较复杂的小信号放大 调 理电路 并且 LM331 外围电路较繁琐 参数配置相对严格 故未采用 方案二 选用 12 位逐次比较式 ADC 此方案经小信号放大 调理电路 可 直接连接单片机 也可以可满足精度要求 故采用此方案 2 4 3 主控制器模块方案选型 根据本设计与主控制系统的功能要求 以及性价比的最大化这里选用 51 单 片机 而且以单片机为主控制器的设计 可以容易地将计算机技术和测量控 制技术结合在一起 组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的 智 能化测量控制系统 2 4 4 数据显示模块方案选型 本设计只需要显示出所称实物的实际重量 由于 LED 耗电省 使用寿命长 成本低 亮度高等优点 再加上驱动简单 容易利用单片机对其进行控制和编 程等特点选用 LED 显示 2 4 5 报警模块方案选型 报警电路只在实物超出人为设定的值时 才被单片机驱动 在这就是对使用者有个提 醒作用 人为使用普通的声光报警就可以 我们选用蜂鸣器与发光二极管来设计报警电路 本章小结 本章主要是阐述系统的总框图及其各大模块的方案设计 并且为各方案的 选型做了一一的讲解 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 10 第 3 章 称称重重仪仪的的各单元电路硬件设计各单元电路硬件设计 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 11 3 1 AT89S51 单片机的简介 AT89S51 是一种低功耗 高性能的片内含有 4KB 快闪可编程 擦除只读存储 器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的 8 位 COMS 微控制器 使用高密度 非易失存储技术制造 并且与 80C51 引脚和指令 系统完全兼容 芯片上的 FPEROM 允许在线编程或采用通用的非易失存储编程 器对存储器重复编程 AT89S51 以下简称 89S51 将具有多种功能的 8 位 CPU 与 FPEROM 结合在一个芯片上 为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又便 宜的方案 其性能价格比远高于 8751 由于片内带 EPROM 的 87S51 价格偏高 而片内带 FPEROM 的 89S51 价格低且与 80C51 兼容 这就显示出了 89S51 的优 越性 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机 单 片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次 该器件采用 ATMEL 高密度非易 失存储器制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 由 于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89S51 是一 种高效微控制器 AT89C2051 是它的一种精简版本 AT89S 单片机为很多嵌入 式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 3 1 1 单片机的最小系统设计 中央处理单元选用我们熟悉的单片机 即最后电路的核心采用最常用 好 用和廉价的 ATEMAL 公司的 AT89S51 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 率下工作 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 89S51 单片机 它有 4K 的程序存储空间和 256B 的数据存储空 间 可以满足编程的要求 P0 口和 P2 口用于 LED 数码管的显示 用 12Mhz 的 晶振 时钟周期为 1 us 采用按键复位 其最小系统的外围电路图如图 3 1 所 示 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 12 图 3 1 单片机最小系统 3 2 电源电路设计 本时钟电源采用整流滤波电路和三端稳压电路 LM7805 和 LM7905 LM7805CT 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 同时考虑到功耗问题 此压差又不易太大 太大则 增加 7805 与 7905 本身的功率消耗 增加芯片的升温 不利于安全 根据变压器 副边电压与经过滤波后输出电压关系可知 副边电压约为 9V 据此确定变压器 原副边匝数比这样即可得到系统所需要的 5V 电源 电源设计图如图 3 2 所示 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 13 图3 2 电源设计图 3 3 称重传感器的基本工作原理 传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置 用 传感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境 这点对正确 使用传感器至关 重要 它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命 乃至整个衡 器的可靠性和安全性 因此传感器外围电路的抗干扰能力是数据采集部分电 路设计的关键环节 称重传感器主要由弹性体 电阻应变片电缆线等组成 内部线路采用惠更 斯电桥 当弹性体承受载荷产生变形时 输出信号电压可由式 3 1 给出 3 1 电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理 弹性体 弹性元件 敏感梁 在外力作用下产生弹性变形 使粘贴在他表面的电阻应变片 转换元件 也随 同产生变形 电阻应变片变形后 它的阻值将发生变化 增大或减小 再经 相 0 应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号 电压或电流 从而完成了 将外力变换为电信号的过程 由此可见 电阻应变片 弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不 可缺少的几个主要部分 下面就这三方面简要论述 一 电阻应变片 电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上 即 成为一片应变片 他的一个重要参数是灵敏系数 K 我们来介绍一下它的意义 设有一个金属电阻丝 其长度为 L 横截面是半径为 r 的圆形 其面积记作 S 其电阻率记作 这种材料的泊松系数是 当这根电阻丝未受外力作用 时 它的电阻值为 R R L S 3 2 当他的两端受 F 力作用时 将会伸长 也就是说产生变形 设其伸长 L 其横截面积则缩小 即它的截面圆半径减少 r 此外 还可用实验证明 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 14 此金属电阻丝在变形后 电阻率也会有所改变 记作 对式 3 2 求全微分 即求出电阻丝伸长后 他的电阻值改变了多少 我们有 R L S L S S L S2 3 3 用式 3 2 去除式 3 3 得到 R R L L S S 3 4 另外 我们知道导线的横截面积 S r2 则 s 2 r r 所以 S S 2 r r 3 5 从材料力学我们知道 r r L L 3 6 其中 负号表示伸长时 半径方向是缩小的 是表示材料横向效应泊松 系数 把式 3 5 式 3 6 代入式 3 4 有 R R L L 2 L L 1 2 L L L L K L L 3 7 其中 K 1 2 L L 3 8 式 3 7 说明了电阻应变片的电阻变化率 电阻相对变化 和电阻丝伸长率 长度相对变化 之间的关系 需要说明的是 灵敏度系数 K 值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决 定的一个常数 它和应变片的形状 尺寸大小无关 不同的材料的 K 值一般在 1 7 3 6 之间 其次 K 值是一个无因次量 即它没有量纲 在材料力学中 L L 称作为应变 记作 用它来表示弹性往往显得太大 很不方便 常常把它的百万分之一作为单位 记作 这样 式 3 7 常 写作 R R K 3 9 二 弹性体 弹性体是一个有特殊形状的结构件 它的功能有两个 首先是它承受称重 传感器所受的外力 对外力产生反作用力 达到相对静平衡 其次 它要产生 一个高品质的应变场 区 使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变 电信号的转换任务 三 检测电路 检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出 因为惠斯登 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 论文 15 电桥具有很多优点 如可以抑制温度变化的影响 可以抑制侧向力干扰 可以 比较方便的解决称重传感器的补偿问题等 所以惠斯登电桥在称重传感器中得 到了广泛的应用 因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高 各臂参数一致 各种干 扰的影响容易相互抵销 所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥 3 4 前级放大器电路设计 称重传感器输出的电压信号为毫伏级 所以对运算放大器要求很高 我 们已考虑可以采用第三种方案 所采用的专用仪表放大器我们选用 INA126 其接口如图3 3所示 图 3 3 INA126 接口电路 3 5 A D 转换器电路设计 考虑到本系统中对物体重量的测量和使用的场合 精度要 挺苛刻 转换 速率要求不太 本设计采用 MAXIM 推出