基于MCS-51的电子称设计1.doc

【设计题目】基于MCS-51的电子称设计 【设计要求】（1）设计一款电子秤，用LED液晶显示器显示被称物体的质量（2）可以设定该秤所称的上限（3）当物体超重时，能自动报警（4）具有较小的误差率（5）可以进行清零操作【设计过程】1.方案设计本方案利用电阻应变式压力传感器和MCS-51单片机等器件制作的电子秤。该秤可以对量程范围内的物体进行称量，能实现称重、数码显示、清零等功能。该电子秤利用电桥测量原理，将压力应变传感器阻值转换为电压值，再经过放大器将电压放大，通过确定输出电压和标准重量的关系，形成一台原始电子秤。本设计由以下几部分组成：电阻应变传感器、信号放大器、模数转换、单片机、显示器。其流程图如图1所示。图1 电子称的流程图由电阻应变式传感器感受被测物体的质量，通过电桥输出电压信号，通过放大电路将输出信号放大，而后送入A/D转换单元进行模数转换，将转换后的数字信号送给单片机；单片机接收数据后，对数据进行处理，将其转换为对应的重量信息，送液晶显示模块进行显示。单片机同时也可以进行去皮调零操作，因此单片机还需查寻键盘是否有输入，执行相应的功能。2.硬件详细设计2.1电阻应变传感器设计电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。由电阻应变片和测量线路两部分组成。电阻应变片产生的误差，主要来源于温度的影响，本设计主要在实验室内进行，温度的影响暂不处理。电阻应变式传感器结构图如图2所示。图2 电阻应变式传感器结构图在电桥测量电路中，将一对变化相反的应变片接入电桥一臂，另一臂接两个相同的阻值作为基准值；当桥臂电阻初始值R1R2R3R4=350时平衡，其变化值为R1R2R3R4=d时，其桥路输出电压Uout与d成正比。2.2放大电路硬件设计由于传感器输出的信号比较微弱，必须通过一个放大器对其进行放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求。本设计中选用由三运放构成的具有高输入阻抗，高共模抑制比的仪表放大器作为前级，再接一个反相比例放大器作为后级输出。另外，仪表放大电路中电阻Rw1可用于微调放大倍数；而后级放大器原接地端现在通过Rw2接入一电压值，可以对输出电平进行平移。放大电路图如图3所示。图3 传感器输出信号放大电路图2.3单片机硬件设计1单片机最小系统对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括单片机、晶振电路和复位电路。单片机的最小系统电路图如图4所示。图4 单片机最小系统电路图复位电路:由电容串联电阻构成,一般C取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。晶振电路:典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的us级时歇,方便定时操作)。2.模数转换与单片机接口ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。（1） 引脚说明ADC0809的引脚图如图5所示。图5 ADC0809引脚图IN0IN7：8条模拟量输入通道，要求信号单极性，电压范围是05V；地址输入和控制线：4条 数字量输出及控制线：11条 CLK为时钟输入信号线：所需时钟信号必须由外界提供；VREF（），VREF（）：参考电压输入。（2）工作过程ST为转换启动信号，当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 （3）接口电路接口电路电路图如图6所示图6 接口电路图ADC0809的时钟由51 ALE信号给出；数字量输出和51 P0口直接相接；地址控制线同样使用P0口，用一片74LS373锁存地址，然后连入ADDAADDC，373的使能由51 ALE控制；ADC0809各个使能端们由P2.0和读写标志口共同控制，任意写一个数时允许AD ALE并启动转换（AD START端）；读入时应该使AD读端口使能（AD ENABLE端）；数字量传输使用中断方式，将AD EOC接入51 INT0，转换完成后可以触发51执行中断程序。这样连接的ADC由于使用51 P2.0口和AD IN0，地址应该是0xFEF8；实际使用的实验箱中有唯一地址译码器，地址为0xcfa0；另外，实验箱部分电路已经连好，包括51最小系统和AD、显示输出的必要连线，Vref也已经连为5V不能改变。ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。3.显示输出单元与单片机接口利用8279键盘显示接口电路和实验箱上提供的数码显示，可以完成该功能。利用8279可实现对键盘/显示器的自动扫描，以减轻CPU的负担，且具有显示稳定、程序简单、不会出现误动作等特点。8279操作命令字较多，根据需要来灵活使用。实验箱中数码显示地址为0xcfe8，将七段显示编码送入即可；显示控制单元地址为0xcfe9，可以控制输出到哪一位数码显示块上。在单片机应用系统中使用LED显示块构成N位LED显示器。N位LED显示器有N根位选线和8*N根段选线。根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。段选线控制字符选择，位选线控制显示位的亮，暗。LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。我们使用的为动态显示 LED动态显示方式。4.清零键与单片机的接口将一手动控制的高低电平信号送入单片机P1.0口，通知单片机进行清零操作。2.4 电子称整体设计电路图1.整体设计电路图如图7所示图7 电子称整体设计电路图3.软件设计3.1数据采集与放大倍数传感器输入：选择一个合适的电桥基准电压，传感器电桥输出电压为300.50mV301.45mV，对应020g重物，平均每克变动不到0.1mV；由于它的变动范围很小，因而设计300mV的偏移量，不让其在0 mV上下变动，以减少运放零漂的影响。输出到AD：ADC0809的Vref在实验箱内已经设定为5V，因而其分辨率约为5V/256=20mV。这样，信号的放大倍数应该在200400左右。为了使输出更准确，使用+/-15V电源给集成运放供电，最后采用分压电阻使其符合05V的AD输入。根据选取的参数值以及Rw1所调的阻值1k，总的放大倍数为25/1*47/5.1*33/10*1/3=253。3.2数字量的处理放上秤盘，调节Rw2，使放大器输出约为0.5V。这时放上重物200g，放大器输出约2.7V左右。根据放大器输出电压对应的数字值，以及重物重量（输出显示值），可以确定它们的关系。如表1所示。表1 数字量值和重量显示的关系表砝码个数（20g/个）012345678910数字量值314355597188104112119131139重量显示0204060801001201401601802004.源程序单片机程序主要是输出显示和去皮清零两大部分。输出显示时需要做乘法运算，同时换成相应的十进制数；去皮/清零时需要根据操作者的指示预存一个数字信号。设计的程序如下。#include #include #defineLed_datXBYTE0xcfe8#defineLed_ctlXBYTE0xcfe9#definead_portXBYTE0xcfa0Unsigned char table1=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f; /*0-9 */unsigned char resig=0,renow=0,vbase=0;void Display_byte(unsigned char loc,unsigned char dat)/*将ad转换的数字值处理并显示为十进制*/ unsigned int m; unsigned char tab3; loc &=0xf; m=dat*1.75; /*换算倍数关系，根据3.2节中p1 = 1.784*/tab0=m/100; /计算各位 tab1=m/10; tab1=tab1%10; tab2=m%10; Led_ctl = loc|0x80; Led_dat = table1tab0; /*显示由ad转换得到数(对应的十进制数)的高位*/ loc+; Led_ctl = loc|0x80; Led_dat = table1tab1; /*显示由ad转换得到数(对应的十进制数)的中位*/ loc+; Led_ctl = loc|0x80; Led_dat = table1tab2; void delay(unsigned int t) for(;t0;t-); void main(void) Led_ctl = 0xd1;/init while(Led_ctl&0x80)=0x80); Led_ctl = 0x31; while(1) ad_port = 0; /准备读ad while(INT0); while(!INT0); renow=P1; if(renow!=resig) /清零按键 vbase=ad_port; resig=renow; else /输出显示 Display_byte(0,ad_port-vbase); delay(20000); 【结果分析】 本课程设计的电子秤以单片机为主要部件，利用电桥测量原理，通过对电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量纲（V）改为重量纲（g）即成为一台原始电子秤。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。而三运放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。ADC0809 A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。稍加扩展，还可与其他生产质量管理系统相连接，实现数据交换记录分析等功能，具有推广应用价值。在实际操作中，放大器部分遇到的问题最大。由于传感器输出电压较小，使得放大电路的调适任务比较困难。对此，先是选用合适的电路形式，即仪表放大接一级可调电平高低的比例放大；接下来给放大器各级输入一个容易实现的电压，看看各级放大倍数是否与理论相符；这之后再使传感器输出在一个基准值上下变化，如300mV，而不是在0上下变化，这样放大出的电压较为稳定；增加的基准电压由第三级调到0左右，不能准确调零的部分再由单片机去皮/清零。【设计总结】 通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中经常会遇到这样那样的情况，比如心里想着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且记住了更多东西，比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。只有