黑龙江科技大学课程设计报告

1、黑龙江科技学院课程设计报告项目名称：基于单片机制作的起重量限制器所属课程：智能仪器设计设计日期：班 级学 号姓 名指导教师成 绩电气与信息工程学院课程设计报告说明一、写报告前，请认真阅读课程设计报告说明。二、打印装订要求1、一律用A4纸，双面打印，弁左侧装订，一式 1份，弁同 时上交电子版（电子版上传邮箱 123244）。课程设计报告说明 页也打印。2、课程设计概述部分 占一页;课程设计内容长度 根据实际需 要填写；结论和指导教师评语及成绩 单独占一页。保证打印格式工 整。三、报告内容要求1、课程设计目的结合实际自己写，不要雷同2、课程设计要求按下发的设计题目写3、课程设计原理简要说明所完成课

2、程设计项目所涉及的理论知识4、课程设计内容 这是课程设计报告极其重要的内容。概括整个课程设计过程。（最好在上述内容基础上画出相应的流程 图、设计思路和设计方法，再配以相应的文字进行说明。）一、课程设计概述1、课程设计目的用所学知识结合实际基于单片机制作起重量限制器，核心处理器是 C8051F340单片机，传感器采用拉力传感器。系统只需要外界 220V电源，实现 了最大量程20T和运行、密码、检测、零点、标定、额重、超载的设定、报警及 控制等功能。2、课程设计要求1)按键：功能之间的切换、数码管间切换、调节增加、调节减小。2)数码管：4位数码管所有数据都保留小数点后一位。3)量程：安全量程是最大

3、量程的 90%预警量程是最大量程的100%超载 量程是最大量程的105%最大量程20T。4)功能：运行、密码、检测、零点、标定、额重、超载。5)界面：(1)运行界面：正常运行。(2)输入密码。(3)进行AD采样。(4)显示所测重量。(5)判断是否有预警/超重6)灯：运行、预警、继电器的控制。7)喇叭：报警频率不一样。3、课程设计原理(1)单片机的管脚与对应外部电路的连接，利用单片机处理输入输出数据。(2)拉力传感器的使用，通过处理电路将信号转换成单片机可以处理的信号。(3)数码管位选驱动使用的是 4个PN叫8550三极管进行控制；驱动数码 段选白是ULN2803E片(4)调解部分是通过按键进行

4、参数的调节。(5)显示部分使用的是0.4寸四位共阴数码管型号为 SR420501(6)程序的设计，理清控制先后顺序和逻辑，利用C51语言进行设计，绘制流程图。(7)电源的转换，首先是利用变压器将 220V的交流电变压成6V的交流电， 然后通过桥式整流送到LM7805进行变压成5V。因为CPUtt电是3.3V,所以在此 必须做一个5V变成3.3V的电源。(8)功率驱动环节采用继电器驱动。二、课程设计内容一、硬件设计1,原理设计1.1 系统基本原理图1-1起重量限制器系统构成系统组成如图1-1所示，整个系统是在系统软件控制下工作的。仪表通电后， 在称重过程中由货物重量经荷重传感器的信号转换，输出相

5、应的毫伏电压，这个 微弱信号通过运算放大器放大和标度变换转送 A/D转换器。本系统的A/D转换器采 用了 V/F型积分转换器，它将输入的模拟信号转换成相应的以脉冲序列方式的频 率输出。单片机C8051F340格控制每一次采样时间，保持每一次计数的闸门时 问间隔的一致性。单片机通过应用程序，把当次的采样频率f进行标度转换形成显示器可使用的串行代码数据。在测量荷重期间，系统可随时接受人机对话请求人机对话仅通过键盘接受校正值。校正有两个内容，其一，“零点校正”，按“设置”键，将空负荷下的采样值记录下来存入EEPROffi号为24LC02B其二，“斜率校正”，将标准重量（整码）作为秤重对象放入托盘，按

6、“校正”键，单片机将采样值记录下来并通过计算将新的斜率存入 EEPROM号为24LC02B1.2 拉力传感器的基本原理拉力传感器又叫电阻应变片，其工作原理：金属电阻应变片的工作原理是吸 附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效 应。金属导体的电阻值可用下式表示：R=p L/S式中：金属导体白电阻率（Q cm2/mS 导体的截面积（cm2）L 导体白长度（项以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生 变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用 而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用

7、而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通 常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变压力。2,具体模块设计2.1CPUCP逃择使用Silicon Laboratories公司的C8051F34曲片机，Silabs 公司的C8051F340作为核心控制器，在搭配该公司的CP2200以太网控制芯片可完成 工业以太网产品开发。结构如图2-1所示。C8051F340单片机主要特性：（1）MCU 为美国 Silabs 公司 C8051F340,64KB FLASH （4096+256）B RAM 最 高48MIPS执行速度；（2）2路10位AD输入,AIN1到AI

8、N2输入信号量程0到+24.4V;Illlllllll图 2-1 CPU2.2拉力传感器拉力传感器又叫电阻应变式传感器，隶属于称重传感器系列，是一种将物理信号转变为可测量的电信号输出的装置，它使用两个拉力传递部分传力，在其结 构中含有力敏器件和两个拉力传递部分， 在力敏器件中含有压电片、压电片垫片, 后者含有基板部分和边缘传力部分。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。拉力

9、传感器的优点是精度高，测量范围广，寿命长，结构简单，频响特性好， 能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。它的缺点是对 于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可采取一定的补偿措施。因此它广 泛应用于自动测试和控制技术中。根据产品的外形还有安装、原理的因素，我选择CLF-L5拉力传感器。用途与特点：典型板环式结构，精度高、动态效应好，安装方便，抗偏载能力 强。经过良好的防潮密封处理，适应各种起重吊装的恶劣工作环境。参数指标额定载荷：250t ;综合精度：0.050.1 ;灵敏度:2.0 mV/V;蠕变： 0.050.1%F S/30min ;零点输出： 1%F S;零点温度影

10、响： 0.05 0.1%F S/10C;输出温度影响： 0.05 0.1%F S/10C;工作温度：-20C- + 65C；输入阻抗：3705Q;输出阻抗：3503Q;绝缘电阻5000MQ;安全过载：150%FS;供桥电压：建议10VDC;材质：合金钢。2.3显示部分显示部分使用的是0.4寸四位共阴数码管型号为 SR420501。数码管选用四位共阴数码管，位选由三极管控制，段选使用ULN2803达林顿管控制，这样可以增加数码管的亮度。对于 ULN2803的使用很简单，就是一 个反相器，所以在使用的时候只要理解好反相器的使用。电阻是限流的作用。显示部分电路如图2-3所示：图2-3显示部分2.4

11、驱动部分2.4.1 数码管显示段选驱动驱动数码段选的是ULN2803K片，结构如图2-4-1所示。高电压大电流达林顿晶体管ULN2803采用AP=DIP18,AFW=SOL18装方式。八星N NPN4林顿连接晶体管阵系列特别适用于低逻辑电平数字电路和较高的电流 /电压要求之间的接口，广泛应用于计算机，工业用和消费类产品中的灯、继电 器、打印锤或其它类似负载中。所有器件具有集电极开路输出和续流箱位二极管， 用于抑制跃变。ULN2803的设计与标准 TTL系列兼容，而 ULN2804最适于6 至15伏高电平CMOSE PMOS电路连接如图 2-3右下角所示。参数指标封装类型：AP=DIP16,AF

12、W=SOL16;输出击穿电压：50(V);输出电流：500(mA);输入电阻：2.7k( Q);推荐输入电压：5(V);温度范围：-40c+85C2.4.2 数码管显示位选驱动位选使用的是4个PNP 8550三极管进行控制，它是一种低电压，大电流, 小信号的PNP型硅三极管。电路连接如图2-3左上角所示。参数指标类型：开关型；极性:PNP;材料:硅；最大集电极电流（A）：0.5 A ;直流电增益:10 to 60 ;功耗:625 mW;最大集电极发射电压（VCEO ：25 ;频率：150MHz=2.5 按键调节部分按键调节部分是通过3个按键进行参数的调节，选用的是四角按键因为四脚 比较稳定。通

13、过按键按下给单片机一个低电平，只要单片机接收到了一个低电平 的信号单片机就会做出相应的动作。机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。其抖动过程如图2-5-1所示，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为 5 10 ms。1前渊励 键盘稳定 后渊动（口）键输入（b）键抖动图2-5-1键操作和键抖动在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错，即按键一次按 下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服按键触 点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施。这一点可从硬件、软件两方 面予以考虑。在键数较少时

14、，可采用硬件去抖，而当键数较多时，采用软件去抖1 .硬件消抖： 醴态消抖电路单稔态消抖电路滤披满抖电路图2-5-2硬件消抖电路在硬件上可采用在键输出端加 R-S触发器（双稳态触发器）或单稳态触发器构 成去抖动电路。图2-5-2是一种由R-S触发器构成的去抖动电路，当触发器一旦 翻转，触点抖动不会对其产生任何影响。软件上采取的措施是：在检测到有按键 按下时，执行一个10 ms左右（具体时间应视所使用的按键进行调整）的延时程 序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，若仍保持闭合状态电平，则确 认该键处于闭合状态。同理，在检测到该键释放后，也应采用相同的步骤进行确认，从而可消除抖动的影响。2 .

15、编制键盘程序：键盘控制程序具备以下功能：(1)检测有无按键按下，并采取硬件或软件措施，消除键盘按键机械触点抖 动的影响。(2)有可靠的逻辑处理办法。每次只处理一个按键，其间对任何按键的操作 对系统不产生影响，且无论一次按键时间有多长，系统仅执行一次按键功能程序(3)准确输出按键值(或键号)，以满足跳转指令要求。2.6 电源部分T,T图2-6电源模块电源首先是利用变压器将220V的交流电变压成6V的交流电，然后通过桥式 整流送到LM7805进行变压成5V。因为CPUft电是3.3V,所以在此必须做一个5V 变成3.3V的电源。2.6.1 UA7805稳压芯片W- - -i -图2-6-1 UA7

16、805稳压芯片使用电路UA780腿常见的三端稳压集成电路。三端IC是指这种稳压用的集成电路, 只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。连接电路如图2-6-1所示。 2.6.2 AMS1117-3.3 芯片AMS111源列稳压器有可调版与多种固定电压版， 设计用于提供1A输出电流 且工作压差可低至IV。在最大输出电流时，AMS111端件的压差保证最大不超过 1.3V,并随负载电流的减小而逐渐降低.AMS1117的片上微调把基准电压调整到 1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路 超载而造成的压力。AMS111端件引脚上兼容其他三端 SCSI稳压器，提供适

17、用贴片安装的 SOT-223, 8 弓I脚 SOIC,和 TO-252(DPAK梨料封装。参数指标输出电流(A) 1A ;输出电压(V) Adj,1.5, 1.8, 2.5;三端口可调节或固定输出电压(V)1.5V, 1.8V, 2.5V, 2.85V, 3.3V, 5.0V;输出电流(A) 1A ;工作压差低至1V;线荷载调节：0.2% Max;负载调节：0.4% Max;可选 SOT-223,TO-252和 SO-8 封装。2.7 继电器单片机是一个弱电器件，一般情况下它们大都工作在5V甚至更低.驱动电流 在mAa以下.而要把它用于一些大功率场合，继电器驱动就是一个典型的、简单 的功率驱动

18、环节.在这里，继电器驱动含有两个意思：一是对继电器进行驱动，因 为继电器本身对于单片机来说就是一个功率器件；还有就是继电器去驱动其他负载，比如继电器可以驱动中间继电器，可以直接驱动接触器，所以，继电器驱动就 是单片机与其他大功率负载接口，很重要。控制电路如图2-7-1所示。继电器工作原理：线圈部分得电后，产生磁场。在磁场力的作用下，执行机 构联着触点，克服弹簧力动作。失电时，磁场力消失，在弹簧力作用下，触点回到原来的位置。根据线圈在不得电时，触点是否断开，分为常开（N0）和常闭（NC） 两种情况。图2-7-1继电器控制电路2.8 声光报警声光报警包括发光二级管闪亮和蜂鸣器发出声响。电路如图2-

19、8-1所示图2-8-1声光报警电路二、软件设计单片机控制电路采用C8051F340主要实现对起重量的检测、报警、键盘设定最大重量、显示重量及最大重量报警。显著特点是用软件简便实现某些硬件功开始J是是超重蜂鸣器每隔20mH向红灯闪烁预警蜂鸣器每隔1s响黄灯闪烁继电器控制图3-1-1主控程序流程图能。本系统使用单片机51C语言编程。通过分析本系统的功能要求，系统程序可 以划分为以下几个模块：数据采集、键盘控制、报警和显示等子函数。本系统的 程序巧妙地利用通过转换之后的数据与设定的数据进行比较，做出相应的响应。 主控程序的流程图如图3-1-1所示。三、系统测试分析1、测试方法(1)让电路正常工作，把

20、拉力传感器放在适当的位置，将已知起重量控制 在最大量程的90%(安全量程)内起重n次，看是否有声光报警以及继电器控制状 态，判断是否正确，并对数码管显示数据进行误差分析。(2)让电路正常工作，把拉力传感器放在适当的位置，将已知起重量控制 在最大量程的90%-100%(预警量程)起重n次，看是否有声光报警以及继电器控 制状态，判断时候正确，并对数码管显示数据进行误差分析。(3)让电路正常工作，把拉力传感器放在适当的位置，将已知起重量控制 在最大量程的100%-105%(超载量程)起重n次，看是否有声光报警以及继电器控 制状态，判断时候正确，并对数码管显示数据进行误差分析。(5)让电路正常工作，把拉力传感器放在适当的位置，将已知起重量控制 在最大量程的105% (超载量程)以上起重n次，看是否有声光报警以及继电器控 制状态，判断时候正确，并对数码管显示数据进行误差分析。(6)改变设定值，