单片机自动称重系统设计

1、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、转换系统、控制系统、显示 系统、 报警系统和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，在此基础上增加了显 示、键盘控制和阈值报警功能，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，转换，显示，阈值报警目录第 1 章 概 述 第 2 章 工作原理 2.1 系统介绍 2.2 设计要求 2.3 系统组成框图 2.4 系统原理 第

2、3 章 硬件电路 3.1 单片机 3.2 应变电阻式称重荷重传感器 .3.3 运算放大器 3.4 转换电路 3.5 键盘 3.6 静态显示 3.7 声光报警 3.8 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 4.2 系统总流程图 4.3 系统程序设计 错误! 未指定书签 错误! 未指定书签 错误! 未指定书签 错误! 未指定书签 错误! 未指定书签 错误! 未指定书签 错误! 未指定书签 错误! 未指定书签 错误! 未指定书签 错误! 未指定书签 错误! 未指定书签 错误! 未指定书签 错误! 未指定书签 错误! 未指定书签 错误! 未指定书签 错误! 未指定书签 错

3、误! 未指定书签 错误! 未指定书签 错误! 未指定书签 错误! 未指定书签4.4 声光报警： 第5章设计结果与展望 . 错误! 未指定书签5.1结果 错误! 未指定书签5.2展望 错误! 未指定书签第6章结束语 错误! 未指定书签第7章致谢 错误! 未指定书签参考文献 错误! 未指定书签第 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

4、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 51 单片机和其外围电路 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和声光报警等功能。其流程包括：预重量值 t称重t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（012）进行前级放大处理，再以较小的失真、误差来进行转换， 并要求具

5、备较强的抗工频干扰能力。最后利用单片机89C51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）储料仓和下料装置。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

6、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51系统进行转换，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獅称量值，则继续放料，待称量值大于 等于90獅称量值，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。大闸门小闸门储料仓=-t f t图2.2系统原理第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、转换电路、显示器、键盘和其它

7、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89C51系列单片机，89C51 是一个低电压， 高性能 8 位单片机， 片内含 4k 的可反复擦写的只读 程序存储器和 128 的随机存取数据存储器（） ，器件采用公司的高密 度、非易失性存储技术生产，兼容标准 51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和存储单元， 内置功能强大的微型计算机的 89C51 提供 了高性价比的解决方案。89C51 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（）端口，同时内含 2个外中断口， 2个 1 6位可编程定时 计数器,2

8、个全双工串行通信口， 89C51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存储器结合在一起， 特别是 可反复擦写的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

9、，而且是各向同性；抗疲劳性好；受温度影响小，易于机 械加工和热处理。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和材料的允许应力3,便可求 出产生的应变力为 £ = 3 =式中，载荷的重量A圆柱形传感器的横截面积E弹性模量3 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，精度可达士 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

10、电阻应变片3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40-9910U ",r Q-67.81-2-31压头2上盖3膜片外套过载保护套电阻应变片弹性体底座下压头接线盒图3.1空筒型柱式传感器的结构图(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）一RRR1R4图3.2（a）粘贴展开图（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

11、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、弹性模量和灵敏 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07）做成 一个差动放大器，如图3.3所示。0JC7A.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

12、较高。方案二：选用仪表放大器121芯片。其内部结构图如图3.4所示:图3.4 121内部结构图121是 公司生产的输入、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 121 构成的电路简单，元器件少，成本较低。3.4 A 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

13、度慢（为 20 左右）。在对速度无多大要求的应用系统中得到广泛使 用。14433是美国公司推出的单片 3 1/2 位转换器，其中集成了双积 分式转换器所有的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转换 器，其主要功能特性如下：精度：读数的±）.05%±字模拟电压输入量程：1.999V和199.9两档转换速率： 2-25 次输入阻抗：大于1000M1Q电源电压： ±4.8V±8V功耗：8 （ ±）V电源电压时，典型值）采用

14、字位动态扫描码输出方式，即千、百、十、个位码分时在Q0-Q3轮流输出，同时在1 4端输出同步字位选通脉冲，很方便实现的动态显示14433的内部结构图如图3.5所示:名瞬选择开关=> DS1-&S4二> Q卜返HlnrII百千溢岀I1|-*|'jVKEFDU fOC图3.514433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 199.9或1.9999V两种，对应的基准电压为+200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，在端输出一正脉冲， 经反相后作为单片机89C51

15、的外部中断1的请求信号。当5G14433 的时钟为50时，输出脉冲的宽度为10。89C51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个时钟周期才能被响应。若89C51单片机采用6晶振，则输入脉宽应大于2,所以输出的脉冲宽 度能够满足要求。在脉冲出现之后，接着按从高到低的顺序发选通脉 冲14,同时在QAQ0端先后输出千、百、十、个位的码数据。由于14433的转换结果是动态分时输出的码，所以， Q03和14 可以通过8051单片机的并行口 P1或通过扩展电路与其相连。14433 与8051单片机的P2 口相连的电路如图3.6所示；lhJD DAijlIT图3.6 14433与单片机连

16、接图该电路采用查询方式管理14433的操作。由于引脚与连接在一起， 所以14433能自动转换。3.5键盘键盘由1*4的键列和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74164移位寄存器变成并行输出，74164 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，89C51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F3.1 口串行输出位选码经74164移位寄存器变成 并行输出，74164

17、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 555， 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“

18、3”恒为低电 平，扬声器无声，9018三极管截止，报警灯不亮。一旦出现越时，P3.7 口置1。这样，555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。冒9018图3.83.8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 :4.2系统总流程图系统总流程图见图4.2 :图4-2系统总流程图4.3系统程序设计OOOOh0020ha,20h千位放入R110h4004hr1a,20h ; 百位放入 R20r2a,21h ; 十位放入 R30f

19、0h4004h2 a402r3a,21h ; 个位放入 R40r4 *5; 最高位为 0 时不显示 *5: r100 ; 最高位为 0, 不显示r200 r20r300r30r400r40 *5; 显示子程序 *; 找表首R004HR608H0 ; 读数据时钟信号数据信号P1.1 1.1r00280hAP1.0 1.0P1.1P1.1R6R0R000 *5; 延时子程序 *5: R000H15 R100H16R116R015 *5; 查询子程序 *5: 2.4 ; 等待 1=1. 千位选通信号.2107H1 07H2 .3304H43 04H4:2.54 ; 等待百位码选通信号 2R020H0

20、；百位数送入20H低4位5:2.65 ; 等待十位选通信号 3A ;高低 4 位互换R0 ；指向21H单元0；十位数送入21H高4位6:2.76 ; 等待个位选通信号 40；个位数送入21H低4位 *本表为显示数据表，1，2，3，4，5，6，7, * : 3,06H,5,4,66H,6,7,07H,7,6,00h ;'08，9'4.4 声光报警： 程序清单： P3.7； P3.7 输出高电平 , 鸣音亮灯： R7， #1；延时 301： R6，#0F0H2： R6，2R7 ，1P3.7； P3.7 输出低电平 , 报警停；中断返回第 5章设计结果与展望5.1 结果 本产品总体实

21、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，

22、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、传感器以和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89C51为控制部件，称重仪模拟信号为输入信 号 , 通过前级放大器 , 双积分转换器 , 把转换后的码送入 89C51 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容，系统的精度也必然会提高 , 本 次所设计的单片机称重系统，具有价格低廉、功能强大、易使用、易 实现和适用面广等特点，不失为一种较理想的称重系统。另外，由于 水平有限，时间较短，设计中的软、硬件错误在所难免，恳请各位老 师指点、纠正。本次设计中尤其指出的是，我得到了曲昀卿老师的亲切指导和帮 助