畢業(yè)設(shè)計(jì)：基于單片機(jī)電子秤設(shè)計(jì).doc

單片機(jī)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)(論文)說明書課題：系別：專業(yè)：學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師：職稱：題目類型：理論研究實(shí)驗(yàn)研究工程設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究軟件開發(fā)2010年7月10日緒論1.1引言在我們生活中經(jīng)常都需要測(cè)量物體的重量，于是就用到秤，但是隨著社會(huì)的進(jìn)步、科學(xué)的發(fā)展，我們對(duì)其要求操作方便、易于識(shí)別。隨著計(jì)量技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)純機(jī)械結(jié)構(gòu)的桿秤、臺(tái)秤、磅秤等稱量裝置逐步被淘汰，電子稱量裝置電子秤、電子天平等以其準(zhǔn)確、快速、方便、顯示直觀等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到人們的青睞。電子秤向提高精度和降低成本方向發(fā)展的趨勢(shì)引起了對(duì)低成本、高性能模擬信號(hào)處理器件需求的增加。通過分析近年來電子衡器產(chǎn)品的發(fā)展情況及國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的需求，電子衡器總的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術(shù)性能趨向是速率高、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向是稱重計(jì)量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其應(yīng)用性能趨向于綜合性和組合性。1.2選題背景和意義稱重技術(shù)自古以來就被人們所重視，作為一種計(jì)量手段，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、科研、交通、內(nèi)外貿(mào)易等各個(gè)領(lǐng)域，與人民的生活緊密相連。電子秤是電子衡器中的一種，衡器是國(guó)家法定計(jì)量器具，是國(guó)計(jì)民生、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺少的計(jì)量設(shè)備，衡器產(chǎn)品技術(shù)水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的提高。稱重裝置不僅是提供重量數(shù)據(jù)的單體儀表，而且作為工業(yè)控制系統(tǒng)和商業(yè)管理系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，推進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化和管理的現(xiàn)代化，它起到了縮短作業(yè)時(shí)間、改善操作條件、降低能源和材料的消耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及加強(qiáng)企業(yè)管理、改善經(jīng)營(yíng)管理等多方面的作用。稱重裝置的應(yīng)用已遍及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。電子秤是稱重技術(shù)中的一種新型儀表，廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。電子秤與機(jī)械秤比較有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、實(shí)用價(jià)值強(qiáng)、維護(hù)方便等特點(diǎn)，可在各種環(huán)境工作，重量信號(hào)可遠(yuǎn)傳，易于實(shí)現(xiàn)重量顯示數(shù)字化，易于與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。例如標(biāo)簽秤在超市中的應(yīng)用已經(jīng)是耳聞目睹的了。一張小小的標(biāo)簽包含著：品名、價(jià)格、重量等，一一列表在這小小的電子標(biāo)簽上。標(biāo)簽機(jī)的使用大大加快了銷售速度，也方便了顧客。頂尖條碼標(biāo)簽稱有著許多卓越的特點(diǎn)，以太網(wǎng)功能使管理更加方便。因此，稱重技術(shù)的研究和衡器工業(yè)的發(fā)展各國(guó)都非常重視。50年代中期電子技術(shù)的滲入推動(dòng)了衡器制造業(yè)的發(fā)展。60年代初期出現(xiàn)機(jī)電結(jié)合式電子衡器以來，隨著時(shí)代科技的迅猛發(fā)展，微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代電子技術(shù)的成就給傳統(tǒng)的電子測(cè)量與儀器帶來了巨大的沖擊和革命性的影響。經(jīng)過40多年的不斷改進(jìn)與完善，衡器技術(shù)也在不斷進(jìn)步和提高。從世界水平看，衡器技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了四個(gè)階段，從傳統(tǒng)的全部由機(jī)械元器件組成的機(jī)械稱到用電子線路代替部分機(jī)械元器件的機(jī)電結(jié)合秤，再?gòu)募呻娐肥降侥壳暗膯纹瑱C(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電子計(jì)價(jià)秤。我國(guó)電子衡器從最初的機(jī)電結(jié)合型發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型?，F(xiàn)今電子衡器制造技術(shù)及應(yīng)用得到了新發(fā)展：電子稱重技術(shù)從靜態(tài)稱重向動(dòng)態(tài)稱重發(fā)展；計(jì)量方法從模擬測(cè)量向數(shù)字測(cè)量發(fā)展；測(cè)量特點(diǎn)從單參數(shù)測(cè)量向多參數(shù)測(cè)量發(fā)展。常規(guī)的測(cè)試儀器儀表和控制裝置被更先進(jìn)的智能儀器所取代，使得傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器在遠(yuǎn)離、功能、精度及自動(dòng)化水平定方面發(fā)生了巨大變化，并相應(yīng)的出現(xiàn)了各種各樣的智能儀器控制系統(tǒng)，使得科學(xué)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用工程的自動(dòng)化程度得以顯著提高。1.3國(guó)內(nèi)外電子稱發(fā)展及成果隨著第二次世界大戰(zhàn)后的經(jīng)濟(jì)繁榮，為了把稱重技術(shù)引入到生產(chǎn)工藝過程中去，對(duì)稱重技術(shù)提出了心動(dòng)要求，希望稱重過程自動(dòng)化，為此電子技術(shù)滲入衡器制造業(yè)。在1954年使用了帶新式打印機(jī)的傾斜式秤，其輸出信號(hào)能控制商用結(jié)算器，并且用電磁鐵機(jī)構(gòu)與人工操作的按鍵與辦公機(jī)器聯(lián)用。在1960年開發(fā)出了與衡器相聯(lián)的專門稱重值打印機(jī)。當(dāng)時(shí)帶電子裝置的衡器其稱量工作是機(jī)械式的，但與稱量有關(guān)的顯示、記錄、遠(yuǎn)傳式控制器等功能是電子方式的。電子稱的發(fā)展過程與其他事物一樣，也經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、又粗糙到精密、由機(jī)械到機(jī)電結(jié)合再到全電子化、由單一功能到多功能的過程。特別是近30年以來，工藝流程中的現(xiàn)場(chǎng)稱重、配料定量稱重、以及產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)測(cè)等工作，都離不開能輸出信號(hào)的電子衡器。這是由于電子衡器不僅給出質(zhì)量或重量信號(hào)，而且也能作為總系統(tǒng)中的一個(gè)單元承擔(dān)著控制和檢驗(yàn)功能，從而推進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易交往的自動(dòng)化和合理化。近年來電子稱已愈來愈多地參與到數(shù)據(jù)的處理和控制過程中?，F(xiàn)代稱重技術(shù)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)已經(jīng)成為工藝技術(shù)、儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)、預(yù)包裝技術(shù)、收貨業(yè)務(wù)及商業(yè)銷售領(lǐng)域中不可或缺的組成部分。隨著稱重傳感器各項(xiàng)性能的不斷突破，為電子稱的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，國(guó)外如美國(guó)、西歐等一些國(guó)家在20世紀(jì)60年代就出現(xiàn)了0.1%稱量準(zhǔn)確度的電子稱，并在70年代中期約對(duì)75%的機(jī)械稱進(jìn)行了機(jī)電結(jié)合式改造。我國(guó)的衡器在20世紀(jì)40年代以前還全是機(jī)械式的，40年代開始發(fā)展了機(jī)電結(jié)合式的衡器。50年代開始出現(xiàn)了以稱重傳感器為主的電子衡器。80年代以來，我國(guó)通過自行研究引進(jìn)消化吸收和技術(shù)改造。已由傳統(tǒng)的機(jī)械式衡器步入集傳感器、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與一體化的電子衡器發(fā)展階段。目前，由于電子衡器具有稱量快、讀數(shù)方便、能在惡劣條件下工作、便于與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)稱重技術(shù)和過程控制的自動(dòng)化特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、能源交通、商業(yè)貿(mào)易和科學(xué)技術(shù)等各個(gè)部門、隨著稱重傳感器技術(shù)以及超大規(guī)模集成電路和微處理器的進(jìn)一步發(fā)展，電子稱重技術(shù)及其應(yīng)用范圍將更進(jìn)一步的發(fā)展，并被人們?cè)絹碓街匾?。電子衡器產(chǎn)品量大面廣、種類繁多，從通用的各種規(guī)格的電子稱到大型的電子稱重系統(tǒng)，從單純的稱重、計(jì)價(jià)到生產(chǎn)過程檢測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)測(cè)量控制單元，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷地?cái)U(kuò)大。根據(jù)近些年來電子稱重技術(shù)和電子衡器的發(fā)展情況及電子衡器市場(chǎng)的需求，電子稱的發(fā)展動(dòng)向?yàn)椋盒⌒突?、模塊化、智能化、集成化；其技術(shù)性能趨向于速率高、準(zhǔn)確度高、可靠性高；其應(yīng)用性趨向綜合性、組合性。1.4本論文的研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)安排首先是通過壓力傳感器采集到被測(cè)物體的重量并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。輸出電壓信號(hào)通常很小，需要通過前端信號(hào)處理電路進(jìn)行準(zhǔn)確的線性放大。放大后的模擬電壓信號(hào)經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量被送入到主控電路的單片機(jī)中，再經(jīng)過單片機(jī)控制譯碼顯示器，從而顯示出被測(cè)物體的重量。按照設(shè)計(jì)的基本要求，系統(tǒng)可分為三大模塊，數(shù)據(jù)采集模塊、控制器模塊、人機(jī)交互界面模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊由壓力傳感器、信號(hào)的前級(jí)處理和V/F轉(zhuǎn)換部分組成。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送給控制器處理，由控制器完成對(duì)該數(shù)字量的處理，驅(qū)動(dòng)顯示模塊完成人機(jī)間的信息交換。此部分對(duì)軟件的設(shè)計(jì)要求比較高，系統(tǒng)的大部分功能都需要軟件來控制。在擴(kuò)展功能上，本設(shè)計(jì)增加了一個(gè)過載報(bào)警提示。本文的結(jié)構(gòu)安排如下：第1章緒論，簡(jiǎn)單介紹了本課題電子稱的研究背景、研究目的、意義及國(guó)內(nèi)外的研究狀況。第2章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，本章主要內(nèi)容是電子稱的方案設(shè)計(jì)，首先是對(duì)整體的方案進(jìn)行選擇與設(shè)計(jì)，再針對(duì)各個(gè)模塊（傳感器、放大模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊、人機(jī)交界模塊）進(jìn)行具體的方案論證及設(shè)計(jì)。第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，在選定各個(gè)模塊的方案中，對(duì)各方案的用到的主要芯片進(jìn)行簡(jiǎn)單功能介紹及應(yīng)用，并且給出了本次電路設(shè)計(jì)的具體電路圖。第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，本章主要是介紹電子稱的軟件設(shè)計(jì)，給出了本次設(shè)計(jì)的主程序流程圖及一些模塊的子程序圖。最后，對(duì)本次的研究課題的主要工作及結(jié)果做出了總結(jié)與討論，并且指出了本次研究工作中存在的不足和發(fā)現(xiàn)的一些問題。第2章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案比較與論證在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，針對(duì)各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的功能來設(shè)計(jì)電子秤的方案有以下幾種：方案一數(shù)碼管顯示：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：圖2.1數(shù)碼管顯示方案此方案利用數(shù)碼管顯示物體重量，簡(jiǎn)單可行，可以采用內(nèi)部帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)。由此設(shè)計(jì)出的電子秤系統(tǒng)，硬件部分簡(jiǎn)單，接口電路易于實(shí)現(xiàn)，并且在編程時(shí)大大減少程序量，在電路結(jié)構(gòu)上只有簡(jiǎn)單的輸出輸入關(guān)系。缺點(diǎn)是：硬件部分簡(jiǎn)單，雖然可以實(shí)現(xiàn)電子稱基本的稱重功能，但是不能實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的輸入，無法根據(jù)實(shí)際情況靈活地設(shè)定各種控制參數(shù)。由于數(shù)碼管只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)字和英文字符的顯示，不能顯示漢字以及其他的復(fù)雜字符，不能達(dá)到顯示購(gòu)物清單的要求。又因?yàn)椴捎昧司哂心?shù)轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)，系統(tǒng)電路過于簡(jiǎn)單，系統(tǒng)硬件的擴(kuò)展必受到限制，電子秤的功能過于單一，達(dá)不到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。方案二在前一種方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，增加一鍵盤輸入裝置，增加外界對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)設(shè)定，使電子稱實(shí)現(xiàn)稱重計(jì)價(jià)的功能。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖所示：圖2.2帶有鍵盤輸入的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖此方案設(shè)計(jì)的電子秤，可以實(shí)現(xiàn)稱物計(jì)價(jià)功能，但是局限于數(shù)碼管的功能，在顯示時(shí)只能顯示單價(jià)、購(gòu)物總額以及簡(jiǎn)單的貨物代碼等。在顯示重量時(shí)，如果數(shù)碼管沒有足夠的位數(shù)，那么稱量物體重量的精度必受到限制，所以此方案需要較多的數(shù)碼管接入電路中。這樣在處理輸入輸出接口時(shí)需要另行擴(kuò)展足夠多的I/O接口供數(shù)碼管使用，比較麻煩。方案三前端信號(hào)處理時(shí)，選用放大、信號(hào)轉(zhuǎn)換等措施，尤其在顯示方面采用具有字符圖文顯示功能的LCD顯示器。這種方案不僅加強(qiáng)了人機(jī)交換的能力，而且滿足設(shè)計(jì)要求，可以顯示購(gòu)物清單、所稱量的物體信息等相關(guān)內(nèi)容。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖所示：圖2.3LCD顯示的方案目前單片機(jī)技術(shù)比較成熟，功能也比較強(qiáng)大，被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大整形后送入單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理并根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)關(guān)系譯碼顯示出被測(cè)物體的重量。單片機(jī)控制適合于功能比較簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng),而且其具有成本低,功耗低,體積小算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng),技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。但其缺點(diǎn)是外圍電路比較復(fù)雜,編程復(fù)雜。使用這種方案會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來一定的難度。方案四采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)為控制核心采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)為控制核心，利用EDA軟件編程，下載燒制實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)集成于一片Xilinx公司的Spartan系列XC2S100E芯片上，體積大大減小、邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍廣等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路。采用FPGA測(cè)頻測(cè)量精度高，測(cè)量頻率范圍大，而且編程靈活、調(diào)試方便，設(shè)計(jì)要求的精度較高，所以要求系統(tǒng)的穩(wěn)定性要好，抗干擾能力要強(qiáng)。從下圖中可以看到系統(tǒng)的基本工作流程和各單元電路所用到的核心器件。其中控制器采用Xilinx公司可編程器件FPGA為核心，基于ISE軟件平臺(tái)，采用VHDL編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、LED和LCD驅(qū)動(dòng)、時(shí)鐘芯片的I2C通訊、鍵盤控制等模塊。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖所示：圖2.4電子稱系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖FPGA的邏輯容量密度大，集成度高，可大大減少印刷電路板的空間，減低系統(tǒng)功耗，同時(shí)還可以提高設(shè)計(jì)的工藝性和產(chǎn)品的可靠性。雖然以FPGA為核心的電子稱系統(tǒng)很優(yōu)化，但只有在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中其高集成度才能更好得以體現(xiàn)。其主要在PC機(jī)接口卡的總線接口、程控交換機(jī)的信號(hào)處理與接口、雷達(dá)聲納系統(tǒng)的成像控制與數(shù)字處理、數(shù)控機(jī)床的測(cè)試系統(tǒng)等方面有廣泛應(yīng)用。鑒于本電子稱的設(shè)計(jì)并不太復(fù)雜，單片機(jī)完全能實(shí)現(xiàn)所需功能，所以在具體設(shè)計(jì)時(shí)，采用了第三種設(shè)計(jì)方案。2.2硬件的方案設(shè)計(jì)與論證2.2.1傳感器傳感器的定義：能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中敏感元件指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分，轉(zhuǎn)換部分指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性敵隽哭D(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分。現(xiàn)代科技的快速發(fā)展使人類社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)代，在信息時(shí)代人們的社會(huì)活動(dòng)將主要依靠對(duì)信息資源的開發(fā)和獲取、傳輸和處理，而傳感器處于自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)之首，是感知獲取與檢測(cè)信息的窗口；傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)控系統(tǒng)的接口位置，一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過程要獲取的信息，都要通過它轉(zhuǎn)換為易傳輸與處理的電信號(hào)。因此，傳感器的地位與作用特別重要。傳感器的作用是人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)中它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長(zhǎng)，又稱之為電五官。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各種各樣的傳感器。傳感器的靜態(tài)特性是指對(duì)靜態(tài)的輸入信號(hào)，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因?yàn)檫@時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用