单片机自动称重系统设计.doc

石家庄职业技术学院论文摘 要本文设计的单片机称重系以单片机为主要部件，用汇编语言进行软件设计，硬件则以传感器、放大系统、A/D转换系统、CPU控制系统、LED显示系统、报警系统及键盘控制系统七个部分组成。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称重系统，在此基础上增加了LED显示、键盘控制及阈值报警功能，随时可改变上限阈值，显示总重量的功能，使本产品智能化，符合现代社会电子信息化的要求。关键词：单片机，传感器，A/D转换，LED显示，阈值报警目 录第1章概 述3第2章工作原理42.1系统介绍42.2 设计要求42.3 系统组成框图42.4 系统原理4第3章硬件电路63.1 单片机63.2 应变电阻式称重荷重传感器63.3运算放大器83.4 A/D转换电路103.5 键盘123.6 静态显示123.7 声光报警133.8 硬件电路图设计15第4章系统软件设计164.1 查询子程序流程图164.2 系统总流程图174.3 系统程序设计174.4 声光报警：22第5章设计结果与展望235.1 结果235.2 展望23第6章结束语24第7章致谢25参考文献26第1章 概 述 随着城市现代化建设的不断发展，以往那种自行称重配料的方式由于其用人工调整重量。这样，一方面效率十分低下，称量结果精度不高，另一方面，用手工在现场调节增加了工人的劳动强度，而其生产环境十分恶劣，粉尘大。因而必将为自动控制的称重系统所取代，此称重系统中运用稳定可靠、小而廉的单片机，且单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较容易。本文提出的装置就是基于MCS-51单片机及其外围电路所实现的。第2章 工作原理2.1系统介绍为保障物料称重系统的安全运行，获得准确的重量，必须对其运行状态进行实时监控。本系统选用了5G14433对采集数据做模数变换，利用MCS-51型单片机控制，具有数字滤波、预置、检查称重值、光电隔离、自动控制装载阀门以及声光报警等功能。其流程包括：预重量值 称重下料。2.2 设计要求简述此次的设计要求如下：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。要求浮动误差在02.00%之内，显示值与输入信号值比值在1.551.75之内。2.3 系统组成框图8051系统称重传感器LED显示 控制及声光报警放大器A/D转换器图2.1系统组成框图2.4 系统原理为控制系统是一种采用单片机、专门用于工业自动定值配料的专用控制器。其系统原理图如图2.2。由图可以看出，系统由下面几个部分组成：（1）单片微型机（2）称量传感器（3）称量斗（4）储料仓及下料装置。系统在定值称量之前，需要操作者将各个储料仓物料的定值量等相关的数据通过仪表的键盘送入仪表。仪表在以后每次的定值过程中均以自动方式进行。当储料仓中所要的物料已准备好，系统在得到启动命令后，将进入自动称料状态。先打开大闸门，物料自动注入称量斗，此时，传感器受压力，产生应变，并经测量电桥输出，称量斗上的各电桥是以串联方式相连接的，电桥的总输出送至MCS-51系统进行A/D转换，将模拟量变成数字量，然后进行数据处理，并与给定值进行比较，若称量值小于90%预称量值，则继续放料，待称量值大于等于90%预称量值，则关闭大闸门，打开小闸门，直到称量值等于预称量值，关闭小闸门。而后打开称量斗的闸门，将料落下。系统将显示本次测量值。储料仓称量斗大闸门小闸门n图2.2 系统原理图MCS-51系统INLED显示第3章 硬件电路单片机称重自动控制系统的硬件包括单片机、重量检测电路、线性放大电路、A/D转换电路、显示器、键盘和其它一些电路等组成。电路原理图见3.8 硬件电路图设计。3.1 单片机为了使测量过程实现微机控制化，采用AT89C51系列单片机，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。 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。3.2 应变电阻式称重荷重传感器（1） 弹性元件将应变电阻片贴在专门的传感部件弹性元件上，即可组成不同的荷重传感器。这种传感器中，弹性元件为力敏元件，把被测量的大小转换成应变量的变化，然后再把应变量的变化转换成电阻量的变化。弹性元件是荷重传感器的重要组成部分，应具备以下性质：具有较强的抗压强度，以便在高载荷下保证具有足够的安全性能,弹性好，受力变形后具有良好的重复性和稳定性；残余应力小，并具有均匀而稳定的组织，而且是各向同性；抗疲劳性好；受温度影响小，易于机械加工及热处理。这个系统中选用的是柱式传感器中的柱形传感器。其结构是在圆筒上按一定方式贴上应变片。为提高灵敏度，常采用空心的圆筒。设计传感器的关键问题是根据额定载荷W及材料的允许应力，便可求出产生的应变力为 =/E = Wg/AE式中, Wg载荷的重量A圆柱形传感器的横截面积E弹性模量材料的允许应力产生的应变采用柱式结构的传感器的测量范围为几百公斤到100吨，精度可达0.5%0.3%左右。下图3.1为一空筒型柱式传感器的结构图。被测力通过压头1直接作用在粘贴有电阻应变片的弹性体7上，使弹性元件发生形变，粘贴在其上的电阻应变片阻值发生相应的变化，致使电桥失去平衡。因而使电桥输出与被测力成正比的信号。36102148957图3.1 空筒型柱式传感器的结构图 1压头 2上盖 3膜片 4外套 5过载保护套 6电阻应变片 7弹性体 8底座 9下压头 10接线盒（2）应变检测桥路的连接方法应变式传感器电阻的变化主要用电桥来测量。随着应变片粘贴数量的不同，其桥路的连接方法也不同。这里使用的是四个应变片，其粘贴展开图如图3.2（a），桥路连接方法如图3.2（b）。R1bR2R4R3图3.2（a） 粘贴展开图3.2（b）桥路连接方法R1R2VoR3ViR4（3）应变检测桥路的补偿粘贴在弹性元件上的应变片接成桥路后，要求在不受外力作用时，桥路的输出为零，但由于应变片阻值的分散性，粘贴工艺的差别，温度的影响等等，均会造成一定的误差。因此，当桥路连接完以后，必须进行一系列的调整，即所谓零点补偿、温度补偿、弹性模量及灵敏度补偿。3.3运算放大器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。方案一：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，如图3.3所示。图3.3 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。 但其电路复杂，需要的元器件多，成本较高。方案二：选用仪表放大器INA121芯片。其内部结构图如图3.4所示：图3.4 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。采用仪表放大器INA121构成的电路简单，元器件少，成本较低。3.4 A/D转换电路该系统选用了5G14433转换器做模/数转换。5G14433是采用双重积分转换原理一路模拟量输入、输出为3位半BCD码的转换器。它的特点是结构简单、外接元件少、抗工频干扰能力强、精度稍高、但转换速度慢（为20ms左右）。在对速度无多大要求的应用系统中得到广泛使用。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。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：精度：读数的0.05%1字模拟电压输入量程：1.999V和199.9mV两档转换速率：2-25次/s输入阻抗：大于1000M 电源电压：4.8V8V功耗：8mW（5V电源电压时，典型值）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。 MC14433的内部结构图如图3.5所示：图3.5 MC14433内部结构图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。由于5G14433转换结果的输出是连续的，所以必须通过并行接口与其相连接。采用连续转换方式，每次转换结束，在EOC端输出一正脉冲，经反相后作为单片机AT89C51的外部中断-INT1的请求信号。当 5G14433的时钟为50kHz时，EOC输出脉冲的宽度为10us。AT89C51采用边沿触发方式，因此要求输入的负脉冲宽度至少保持12个时钟周期才能被CPU响应。若AT89C51单片机采用6MHz晶振，则输入脉宽应大于2us，所以EOC输出的脉冲宽度能够满足要求。在EOC脉冲出现之后，接着按从高到低的顺序发选通脉冲DS1DS4，同时在Q3Q0端先后输出千、百、十、个位的BCD码数据。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。3.5 键盘键盘由1*4的键列及相应的扫描电路组成。列扫描信号是由单片机从P0.7口串行输出，列码经74LS164移位寄存器变成并行输出，74LS164移位寄存器8个输出端中3位用于控制显示，余下的5位用于对键盘列扫描进行控制。同时，AT89C51的P0.7口作为同步脉冲输出控制线。3.6 静态显示该系统所采用的显示器由4位LED数码管和驱动电路组成，显示的数是经过查表得到相应的显示段划码，再送到共阳极驱动电路，显示位的控制是由计算机从P3.1口串行输出位选码经74LS164移位寄存器变成并行输出，74LS164移位寄存器有八位输出端，用其中三位控制位显示。这种静态显示方式亮度大，很容易做到显示无闪烁。静态显示的优点是CPU不必频繁的扫描显示器。单片机最小系统，是指在尽可能少的外部电路的条件下，形成一个可以独立工作的单片机系统。图3.7是单片机最小系统的原理图。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。 图3.7 最小系统原理图3.7 声光报警本系统对测量值超过预置的称重值时，可以给出报警信号，下面既是实现声光报警功能的电路，此电路中采用一片时基集成电路NE555，将其接成振荡工作状态。平时，由于单片机的P3.7口输出为低电平。即555复位脚“4”处于低电平，电路被迫停振，输出“3”恒为低电平，扬声器无声，9018NPN三极管截止，报警灯不亮。一旦出现越时，P3.7口置1。这样，NE555时基电路依复位端“4”的信号变化，在它的输出端“3”产生出不同；频率的振荡输出，推动扬声器工作，因此便可获得报警信号。同时“3”端也推动三极管工作，使报警灯同步点亮。NE5555241图3.8R Vcc TRIG DISCVOLT THR GNDP3.71uF0.1uF+5V10K+15V901812010KSPN3.8 硬件电路图设计第4章 系统软件设计4.1 查询子程序流程图查询子程序流程图见图4.1：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4.1 查询子程序流程图4.2 系统总流程图系统总流程图见图4.2：开始调用查询子程序千.百.十个位放入R1. R2. R3. R4中调用显示子程序返回图4-2 系统总流程图4.3 系统程序设计org 0000h ljmp main org 0020h main: lcall servezbcd: mov a,20h ;千位放入R1 anl a,#10h mov 40h,#04h zhyi1:rr a djnz 40h,zhyi1 mov r1,a mov a,20h ;百位放入R2 anl a,#0fh mov r2,a mov a,21h ;十位放入R3 anl a,#0f0h mov 40h,#04h zhyi2:rr a djnz 40h,zhyi2 mov r3,a mov a,21h ;个位放入R4 anl a,#0fh mov r4,a lcall zdgsh lcall YANSHI lcall YANSHI sjmp main;*;最高位为0时不显示;*zdgsh: cjne r1,#00h,dsplay ; 最高位为0,不显示 mov r1,#0ah ; 数码管暗 cjne r2,#00h,dsplay mov r2,#0ah cjne r3,#00h,dsplay mov r3,#0ah cjne r4,#00h,dsplay mov r4,#0ah;*;显示子程序;*dsplay: MOV DPTR,#Tab ;找表首 MOV R0,#04H LED: MOV R6,#08H MOV A,R0 ;读数据 MOVC A,A+DPTR SETB P1.1 ;P1.1时钟信号 cjne r0,#02h,TART add a,#80h TART: RLC A MOV P1.0,C ;P1.0数据信号 CLR P1.1 SETB P1.1 DJNZ R6,TART DEC R0 CJNE R0,#00H,LED RET;*;延时子程序;*YANSHI: MOV R0,#00H LOOP15:MOV R1,#00H LOOP16:NOP DJNZ R1,LOOP16 DJNZ R0,LOOP15 RET;*;查询子程序;*serve: mov a,p2 JNB ACC.4,serve ;等待DS1=1.千位选通信号 JB ACC.2,PP1 SETB 07H AJMP PP2PP1:CLR 07HPP2:JB ACC.3,PP3 SETB 04H AJMP PP4PP3:CLR 04HPP4: MOV A,P2 JNB ACC.5,PP4 ;等待百位BCD码选通信号DS2 MOV R0,#20H XCHD A,R0 ;百位数送入20H低4位PP5: MOV A,P2 JNB ACC.6,PP5 ;等待十位选通信号DS3 SWAP A ;高低4位互换 INC R0 ;指向21H单元 MOV R0,A ;十位数送入21H高4位PP6: MOV A,P2 JNB ACC.7,PP6 ;等待个位选通信号DS4 XCHD A,R0 ;个位数送入21H低4位 RET;*; 本表为显示数据表 ;*Tab: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,00h ;0，1，2，3，4，5，6，7, 8，9 end4.4 声光报警：程序清单：SND：SETB P3.7 ；P3.7输出高电平,鸣音亮灯DELAY：MOV R7，#1EH ；延时30msDELAY1：MOV R6，#0F0HDELAY2：DJNZ R6，DELAY2DJNZ R7，DELAY1CLR P3.7 ；P3.7输出低电平,报警停RET ；中断返回第5章 设计结果与展望5.1 结果本产品总体实现智能电子称重的功能。但是由于本次毕业设计由于传感器发出的信号不是很稳定，所以称重时误差很大。如果使用精密度较高的传感器，效果会好很多。其次是数据采集处理阶段，此阶段是对传感器发出的信号进行量化、采集，主要分为信号放大、采集，然后进行A/D转换。该阶段需注意的地方是对传感器输出的信号进行放大时，应选取合适的运算放大电路。最好是预先计算好应放大的倍数，以便选取。还有就是进行数据处理时，选取适当的数据转换系数，使输出满足量程要求。5.2 展望随着集成电路和计算机技术的迅速发展，使电子仪器的整体水平发生巨大变化，传统的仪器逐步的被智能仪器所取代。智能仪器的核心部件是单片机，因其极高的性价比得到广泛的应用与发展，从而加快了智能仪器的发展。而传感器作为测控系统中对象信息的入口，越来越受到人们的关注。传感器好比人体“五官”的工程模拟物，它是一种能将特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置本次课设中的半桥电子秤就是在以上仪器的基础上设计而成的15。因此，只有充分了解有关智能仪器、单片机、传感器以及各部分之间的关系才能达到要求。第6章 结束语此次系统以单片机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。由于实验室提供的电容精度不够高，导致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