基于单片机的多功能称重系统

摘 要 在微电子迅速发展的今天，在市场上用的传统的称重工具已经不能满足人们的要求，为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，在本设计中将智能化、自动化、人性化用在了电子称重的控制系统中。本设计主要由单片机来控制，测量物体重量部分由称重传感器及A/D转换器组成，加上显示单元，此电子秤具备了功能多、性能价格比高、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。 本系统以AT89S51单片机为主控芯片，外围附以称重电路、显示电路、报警电路、键盘电路等构成只能称重系统电路板，从而实现自动称重系统的各种控制功能。此设计满足现代人们对科技的要求。关键词：称重传感器、单片机、A/D转换器、LCD显示 Abstract With the application of micro-electronics technology, tradition ponderationinstrument used in market has been not satisfaction with hunman requirements already. In order to make up for the traditional apparatus shortcoming, we improve the apparatuss control system with intelligence and automation. This system is mainly controlled by microcontroller, the section of height measurement accomplish by supersonic sensor, the section of weight measurement accomplish by weight sensor and A/D transformer, this apparatus have many characteristic such as having more function, consume less energy, small and move easily, low price, measure precisely, the speed is quick, automatic work without people and so on.The system is mainly controlled by the microcontroller AT89S52, the periphery is consist of the circuit of clock and calendar, the circuit of measure height and weight, the circuit of display and print, all of these comprise the circuit board of the intelligent apparatus of height and weight. It can achieve all function of the apparatus.KEYWORDS:SP20C-G501，AT89S52，ponderation sensor，A / Dconverter，LCDDisplay 目录 摘要.IAbstract.II1 绪论.1 1.1 多功能称重系统的分类.1 1.2多功能称重系统的组成结构.2 1.3多功能称重系统的工作原理.3 1.4多功能称重系统的设计要求.32 总体方案设计.4 2.1具体方案选择.4 2.1.1传感器.4 2.1.2 A/D转换器.5 2.1.3 显示器的选择.6 2.1.4 键盘的选择.7 2.1.5 单片机的选择.8 2.2 总体方案框架图.9 2.3 小结.93 硬件电路设计.9 3.1 采集电路的设计与实现.10 3.1.1 传感器电路.10 3.1.2 放大电路.11 3.1.3 A/D转换电路.12 3.1.4 采集电路.14 3.2 显示电路.15 3.2.1 LCD1602介绍.15 3.2.2 LCD1602引脚功能.16 3.2.3 LCD1602与89C51的接口.17 3.3 键盘模块.17 3.3.1 矩阵键盘.17 3.3.2 矩阵键盘中的键功能.18 3.3.3 键盘与89C51的接口.18 3.4 蜂鸣器模块.19 3.5 电源电路.19 3.6 MAX232通讯接口.21 3.6.1 串行通信的原理.21 3.6.2 MAX232简介.22 3.6.3 MAX232引脚图及功能.23 3.7 本章小结.234 软件系统设计.24 4.1 编程语言及开发工具.24 4.2 LED显示程序模块.24 4.3 键盘模块.24 4.4 本章小结.245 仿真与实验调试.24 5.1 proteus简介.24 5.2 原理图.25 5.3 仿真图.26 5.4本章小结.266 总论.27参考文献.28致谢.29附录A 程序清单.30 1 绪论多功能称重系统即为电子秤。电子秤属于衡器的一种，利用胡克定律或力的杠杆平衡原理测定物体质量的工具。电子秤主要由承重系统(如秤盘、秤体)、传力转换系统(如杠杆传力系统、传感器)和示值系统(如刻度盘、电子显示仪表)3部分组成。电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，才能满足并解决现实生活中提出的快速、准确、连续、自动称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。现代电子秤向高精度、低成本、多功能方向发展。通过分析近年来电子称重产品的发展情况及国内外市场的需求，电子称重总的发展趋势是小型化、规模化、集成化、智能化。电子秤和计算机融合在一起，能满足现实生活中的”快速、准确、自动”称量要求。同时有效的消除认为误差，使之更符合法治计量管理和工业生产过程控制的应用要求。其主要功能包括欠电压自动关机、零位自动跟踪、键盘标定、置零、去皮、累计、保持、超载报警。1.1 多功能称重系统的分类 电子秤是用电子技术的方法测定、显示和控制物料质量的称重仪表。电子秤用于需要快速，远距离测量以及数字显示、打印、自动控制等场合。称量范围可从几克到几百吨。称量精确度可达0.001-0.0001以上。电子称重系统的分类：（1） 按功能分 计数秤、计价秤、计重秤；（2） 按用途分 工业称、商业称、特种称； （3）按放置位置分类 桌面称：指全称量在30kg以下的电子秤； 台秤：指全称量在30kg-300kg以下=内的电子秤； 地磅：指全称量在300kg以上的电子秤； （4）按精确度分类 I 级：特种天平精密度 1/10万II 级：高精度天平1/1万 精密度 1/10万 III 级：中精度天平1/1000 精密度 1/1万 IV 级：普通称1/100 精密度 0）关系。3.1.2 放大电路本设计使用差分放大电路作为新好的放大电路。差分放大电路利用电路参数的对称性和负反馈作用，有效的稳定静态工作点，以放大差模信号抑制共模信号为显著特征，广泛应用于直接耦合电路和测量电路的输入级。差分的信号输入差分和共模两种基本输入状态。当外加信号加到两输入端子之间，使两个输入信号VI1、VI2的大小相等极性相反时，称为差模输入状态。此时，外输入信号称为差模输入信号，以VId表示，且有：当外信号加到两输入端子与地之间，使VI1、VI2大小相等、极性相同时，称为共模输入状态，此时的外输入信号称为共模输入信号，以VIC表示，且：当输入信号使VI1、VI2的大小不对称时，输入信号可以看成是由差模信号VId和共模信号VIc两部分组，其中动态时分差模输入和共模输入两种状态。(1) 对差模输入信号的放大作用当差模信号VId输入（共模信号VIC=0）时，差放两输入端信号大小想等，极性相反，因此差动对管电流增量的大小相等、极性相反，导致两输出端对地的的电压增量，即差模输出电压vod1、vod2大小想等、极性相反，此时双端输出电压v0=vod1-vod2=2vod1=vod,可见，差放能有效地放大差模信号。要注意的是：差放公共射极的动态电阻Rem对差模信号不起（负反馈）作用。 （2）对共模输入信号的抑制作用当共模信号VIC输入（差模信号VId=0）时，差放两输入端信号大小相等、极性相同，即VI1=VI2=VIC，因此差动对管电流增量的大小相等、极性相同，导致两输出端对地的电压增量，即差模输入电压voc1、voc2大小相等、极性相同，此时双端输出电压v0=voc1-voc2=0，可见，差放对共模输入信号具有很强的抑制作能力。此外，在电路对称的条件下，差放具有很强的抑制零点漂移及抑制噪声与干扰的能力。 图3.13其中R1=R2=100K,RF=R5=100K,Rg为0-1K。放大倍数 Av=(1+2R1/Rg)(Rf/R3) (3.3)可通过Rg调节放大倍数Av。3.1.3 AD转换电路从设计分析中可知选用ICL7135的内部电路有模拟电路和数字电路部分组成。模拟电路部分由模拟信号输入、振荡电路、积分、比较电路以及基准电压源电路组成。下图为数字电路部分的结构。它由异步通讯握手逻辑、转换控制逻辑以及计数器、锁存器、三态门组成。选用74HC74触发器作为ICL7135的脉冲信号。74HC74是一款高速CMOS器件，引脚兼容低功耗肖特基TTL系列。74HC74遵循JEDEC标准n0.7A。是双路D型上升沿触发器，带独立的数据（D）输入、设置（SD）和复位（RD）输入、以及互补的Q和Q输出。设置和复位为异步低电平有效，切不依赖与始终输入。74HC74数据输入口的信息在时钟脉冲的上升沿传输到Q口。为了获得预想中的结果，D输入必须在时钟脉冲的上升沿来临之前，保持稳定一段就绪时间。74HC74时钟输入的施密特触发功能使得电路对于缓慢的脉冲上升和下降具备更高的容差性。ICL7135为DIP28封装。芯片引脚排列图如图所示 图3.14 ICL7135引脚图ICL7135引脚功能及含义如下：（1） 与供电及电源相关的引脚（共7脚） .-v:ICL7135负电源引入端，典型值-5V，极限值-9V; .+V:ICL7135正电源引入端，典型值+5V，极限值+6V; .DGND:数字地，ICL7135正，负电源的低电压基准； .REF：参考电压输入，REF的地为AGND引脚，典型值1V，输出数字量=10000 .times;(VIN/VREF); .AC:模拟地，典型应用中，与DGND(数字地)“一点接地”； .INHI：模拟输入正； .INLO：模拟输入负，当模拟信号输入为单端对地时，直接与AC相连。（2）与控制和状态相关的引脚（共12脚）.REFC+:外接参考电容正，典型值1F。.REFC-:外界参考电容负。.BUFF0:缓冲放大器输出端，典型外接积分电阻。.INT0:积分器输出端，典型外接积分电容。.AZIN:自校零端。.LOW:欠量程信号输出端当输入信号小于量程范围的10%时该端输出高电平.HIGH：过量程信号输出端，当输入信号超过计数范围（20001）时，该端输 出高电平.STOP:数据输出选通信号，宽度为时钟脉冲宽度的一半，每次A/D转换结束 时该端输出五个负脉冲，分别选通由高到低的BCD码数据（5位），该端用 于将结果打到并行的I/O接口。.R/H:自动转换/停顿控制输入，当输入高电平时；每隔40002个时钟脉冲自 动启动下一次转换；当输入为低电平时，转换结束后需输入一个大于300ns 的正脉冲，才能启动下一次转换。.POL:极性信号输出，高电平表示极性为正。.BUSY：忙信号输出,高电平有效，正向积分开始时自动变高，反向积分结束 时自动变低。（3）与选通和数据输出相关的引脚（共9脚）.B8-B1：BCD码输出，B8为高位，对应BCD码；.D5：万维选通。.D4-D1：千，百，十，个位选通。如下图3.15所示即为AD转换器与51单片机的连线图。图3.15 ICL7135的接线图3.1.4 采集电路根据以上各环节的设计的采集电路如下图3.15和图3.16所示 图3.16 放大电路3.2 LCD显示模块3.2.1 LCD1602简介1602LCD是指现实的内容为16X2，既可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和字）。目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便的应用于市面上的大部分的字符型液晶。LCD1602优点如下：A.显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。B.数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。C.体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。D.功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。3.2.2 LCD1602引脚功能如图即为LCD1602. 图3.21 LCD16021602采用标准的16脚接口，其中：VSS为电源地；VCC接5V电源正极；V0为液晶显示器对比度调整端；RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存 器。RW为读写信号线，高电平为1时进行读操作，低电平0时进行写操作。E(或EN端）为使能端。D0D7为8位双向数据端。空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚为背光负极。3.2.3 LCD1602与89C51的接口LCD1602与AT89C51的接线如图3.22所示。图3.22 LCD1602的接线图3.3 键盘模块 本设计采用矩阵键盘。3.3.1 矩阵键盘在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。如图1所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比直接将端口线用于用于键盘多出了一倍，而且线数越多区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。3.3.2 矩阵键盘中的键功能 键盘中的各键功能如下图3.31所示 1 23置零456保持789时间0去皮累计待机 图3.31 键功能3.3.3 键盘与89C51的接口 图3.32 键盘与89C51的接线3.4 蜂鸣器模块 用一个蜂鸣器与相关电路组成，由一个I/O口控制。其具体结构如下图所示。 图3.41 蜂鸣器3.5 电源电路 本设计为了使用者使用方便采用内置电池与220V交流电源并用的方式。 使用者在靠近家用电源的地方使用时，可用插头连接家用电源使用。再没有家用电源的地方，这时就可以使用内置电池来供电。3.5.1 外接电源 使用就用电源220V交流电时，使用变压器将220V交流电压变为5V 的交流电，在用整流电路将交流变为直流，使用两个大电感来使电流平稳。电路图如下3.5.2 内置电池 内置电池使用5V锂电池，锂电池是一种以锂金属或锂合金为负极材料，使用非水电解质溶液的一种电池，与可充电电池锂离子电池跟锂离子聚合物电池是不一样的。锂电池的发明者是爱迪生。用于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的的加工，保持，使用，对环境的要求非常高，所以锂电池长期没得到应用，随着二十世纪末微电子技术的发展，小型化的设备日益增多，对电源要求提出了很高的要求，锂电池随之进入了大规模的实用阶段。锂电池的主要优点：1 能量比比较高。具有高储存能量密度，目前已达到460-600Wh/kg。2使用寿命长，使用寿命可达到2-5年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池1C（100%DOD）充放电，有可以使用10,000次的记录；3 额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V），约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组；4 具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力，便于高强度的启动加速；5自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，目前一般可做到1%/月以下，不到镍氢电池的1/20；6.重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/3-4；7高低温适应性强，可以在-20-60的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45环境下使用；8绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。9生产基本不消耗水，对缺水的我国来说，十分有利。 3.6 MAX232通讯接口 串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议，大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备兼容的通用的的通信协议，很多GPIB设备也带有RS232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。串行接口是一种可以将接收者来自CPU的并行数据字符转换为连续的串行数据流发送出去，同时可将接受的串行数据输流转换为并行的数据字符供给CPU的器件，一般完成这种功能的电路，我们称为串行接口电路。 选用MAX232来设计串口。 3.6.1 串行通信的原理 串行通信程序框图串行通信是指外设与计算机间，通过数据信号线、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。 串行通信串口通信的概念非常简单，串口按位发送和接收字节。尽管比按字节的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通信状态时，规定设备线总长不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达到1200米。典型的，串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成，分别是地线、发送、接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手但不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口，这个参数必须匹配。 3.6.2 MAX232简介 MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。主要特点 1、符合所有的RS-232C技术标准 2、只需要单一 +5V电源供电 3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V- 4、功耗低，典型供电电流5mA 5、内部集成2个RS-232C驱动器 6、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作 7、内部集成两个RS-232C接收器。 3.6.3 MAX232引脚图及功能 图3.61 MAX232的内部结构图 图3.62 MAX232的引脚图引脚介绍 第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从11引脚（T1IN）、10引脚（T2IN）输入转换成RS-232数据从14脚（T1OUT）、7脚（T2OUT）送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN）输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。 3.6.4 MAX232构成的串口通信电路3.7 本章小结本章讲述了整个称重系统的硬件设计，其中包括采集电路，LCD显示模块，键盘模块，蜂鸣器模块，电源模块，通讯模块共6个模块的硬件设计，在各个模块中讲述设计中涉及到的原理以及接线方式。4