電子稱系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計.doc

摘 要 隨著微處理機的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)過程自動化程度的不斷提高， 稱重 傳感器已成為過程控制中的一種必需的裝置。電子計價秤逐漸取代傳統(tǒng)的桿稱和機械案秤 ，稱重 傳感器制作的電子稱廣泛 得到 應(yīng)用 。本文介紹了采用 單片機 AT89S52 為控制核心 ，采用應(yīng)變傳感器為檢測元件的電子秤的設(shè)計方法，以及采用MSP430F427 稱重 芯片 的電子秤硬件和軟件的設(shè)計方法 。 關(guān) 鍵詞 稱重 傳感器 ； 通信技術(shù) ； 傳感技術(shù) ； 應(yīng)變傳感器 Abstract Along with the technical advance and the nationals economy is to increases continuously.At present, the business uses electronics steelyard is very universal, will replace the traditional pole steelyard gradually with the machine case steelyard.Pressure Transducer manufacture electronics steelyard is applied to all professions, especially along with the emergence of the microprocessor, the industry production line automationdegree increases continuously, pressure transducer that a kind of essential device has become the process control. At present, computer application technique、correspondence technique and sensing technology could be the electronics information technical three big and main a pillar, they is the sense organs, nerve of the intelligencesystem respectively with the brain. Among them, computerand correspondence technique has developed very quickly,but sensing technology development lagging, therefore, our countrywith international community sees pressure transduceras theone of the technical key in information in modern electronics techniques. Pressure transducer for the machine electronics engineering, control, test, calculate ect. realm is all akey parts that essential to have obtain the information. If did not transducer examination every kind of information, prop up modern civilized science technique so and then cant develop. There is the calculator of mimicry persons brain however with be used as electricity facial features of spread the coordination development that feels the machine then can promote science to leap technically. Key Words: Pressure Transducer ； Correspondence technique； Sensing Technology ； Strain sensing 第一章 緒論 1.1電子秤 量 系統(tǒng)的概述 電子 稱量系統(tǒng) 一般是裝有電子裝置的 系統(tǒng) 。因其種類繁多，且涉及到貿(mào)易結(jié)算和保護廣大消費者的利益，所以為世界各國政府普遍關(guān)注和重視，并被確定為國家強制管理的法制計量器具。 它 是自動化稱重 控制和貿(mào)易計量的重要手段，對加強企業(yè)管理、嚴(yán)格生產(chǎn)、貿(mào)易結(jié)算、交通運輸、港口計量和科學(xué)研究都起到了重要作用 ， 具有反應(yīng)速度快，測量范圍廣、應(yīng)用面廣、結(jié)構(gòu)簡單、使用操作方便、信號遠(yuǎn)傳、便于計算機控制等特點。被廣泛應(yīng)用于煤炭、石油、化工、電力、輕工、冶金、礦山、交通運輸、港口、建筑、機械制造和國防等各個領(lǐng)域。 50年代中期電子技術(shù)的滲入推動了 稱量 制造業(yè)的發(fā)展。 60年代初期出現(xiàn)機電結(jié)合式電子 稱量系統(tǒng) 以來，經(jīng)過 40多年的不斷改進與完善，我國電子 稱量系統(tǒng) 從最初的機電結(jié)合型發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型。我國 電子 稱量系統(tǒng)的技術(shù)裝備和檢測試驗手段基本達(dá)到國際 90 年代中期的水平。電子衡器制造技術(shù)及應(yīng)用得到了新發(fā)展。電子稱 量 技術(shù)從靜態(tài)稱重向動態(tài)稱重發(fā)展：計量方法從模擬測量向數(shù)字測量發(fā)展；測量特點從單參數(shù)測量向多參數(shù)測量發(fā)展，特別是對快速稱重和動態(tài)稱重的研究與應(yīng)用。但就總體而言，我國電子 稱量 產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比還有較大差距，其主要差距是技術(shù)與工藝不夠先進、工藝裝備與測試儀表老化、開發(fā)能力不足、產(chǎn)品的品種規(guī)格較少、功能不全、穩(wěn)定性和可靠性較差等。 1.2 電子秤 量 系統(tǒng) 發(fā)展?fàn)顩r 及應(yīng)用前景 通過分析近年來電子 稱量 產(chǎn)品的 發(fā)展情況及國內(nèi)外市場的需求，電子 稱量 系統(tǒng) 總的發(fā)展趨勢是小型化、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小型化 體積小、高度低、重量輕，即小、薄、輕。近幾年新研制的電子平臺秤結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了小薄輕的發(fā)展方向。 2.模塊化 對于大型或超大型的承載器結(jié)構(gòu)，如大型靜動態(tài)電子汽車衡等，已開始采用幾種長度的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的模塊，經(jīng)過分體組合，而產(chǎn)生新的品種和規(guī)格。 3.集成化 對于某些品種和結(jié)構(gòu)的電子衡器，例如小型電子平臺秤、專用秤、便攜式靜動態(tài)電子輪軸秤、靜動態(tài)電子軌道衡等，都可以實現(xiàn)秤體與稱重傳感器，鋼軌與稱重傳感器，軌道衡秤體與鐵路線路一體化。 4.智能化 電子 稱量系統(tǒng) 的稱重顯示控制器與電子計算機組合，利用電子計算機的智能來增加稱重顯示控制器的功能。使電子衡器在原有功能的基礎(chǔ)上，增加推理、判斷、自診斷、自適應(yīng)、自組織等功能，這就是當(dāng)今市場上采用微機化稱重顯示控制器的電子衡器與采用智能化稱重顯示控制器的電子 稱量系統(tǒng) 的根本區(qū)別。 5.綜合性 電子稱 量 技術(shù) 的發(fā)展規(guī)律就是不斷的加強基礎(chǔ)研究并擴大應(yīng)用，擴展新技術(shù)領(lǐng)域，向相鄰學(xué)科和行業(yè)滲透，綜合各種技術(shù)去解決稱重計量、自動控制、信息處理等問題。 6.組合性 在工業(yè)稱重計量過程或工藝流程中，不少稱重計量系統(tǒng)還要求具有可組合性，即測量范圍等可以任意設(shè)定；硬件能夠依據(jù)一定的工作條件和環(huán)境作某些調(diào)整，硬件功能向軟件方向發(fā)展；軟件能按一定的程序進行修改和擴展；輸入輸出數(shù)據(jù)與指令可以使用不同的語言和條形碼，并能與外部的控制和數(shù)據(jù)處理設(shè)備進行通信。 第 2章 稱量系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識簡介 2.1 單片機在稱量系 統(tǒng)中的應(yīng)用 隨著科技的發(fā)展，目前新興起彈片電子稱重系統(tǒng)，它是由單片機、稱重傳感器和專用大規(guī)模集成電路構(gòu)成的，這種稱重系統(tǒng)不僅精度高，而且測量功能強，能顯示皮重、凈重、單價、總價等多種參數(shù)，可實現(xiàn)故障診斷、自校正和自動補償，具有高精度、高分辨力、多功能、低價格等優(yōu)點，可廣泛用語工業(yè)、交通、商貿(mào)、生物醫(yī)學(xué)、國防等領(lǐng)域。 2.1.1 單片機 產(chǎn)生 二十世紀(jì)跨越了三個“電”的時代，即電氣時代、電子時代和現(xiàn)已進入的電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機，簡稱 PC機。它由主機、鍵盤、顯示器等組成（如圖 1所示）。還 有一類計算機，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計算機就是把智能賦予各種機械的單片機（亦稱微控制器）。顧名思義，這種計算機的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進行簡單運算和控制。因為它體積小，通常都藏在被控機械的 “ 肚子 ” 里。它在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個裝置就癱瘓了?，F(xiàn)在，這種單片機的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞 “ 智能型 ” ，如智能型洗衣機等。現(xiàn)在有些工廠的技術(shù)人員 或其它業(yè)余電子開發(fā)者搞出來的某些產(chǎn)品，不是電路太復(fù)雜，就是功能太簡單且極易被仿制。究其原因，可能就卡在產(chǎn)品未使用單片機或其它可編程邏輯器件上。 2.1.2 單片機 發(fā)展 自單片機出現(xiàn)至今，單片機技術(shù)已走過了近 20年的發(fā)展路程。縱觀 20年來單片機發(fā)展里程可以看出，單片機技術(shù)的發(fā)展以微處理器（ MPU）技術(shù)及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展為先導(dǎo)，以廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域拉動，表現(xiàn)出較微處理器更具個性的發(fā)展趨勢。 1. 單片機長壽命 這里所說的長壽命，一方面指用單片機開發(fā)的產(chǎn)品可以穩(wěn)定可靠地工作10年 至 20年，另一 方面是指與微處理器相比的長壽命。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展， MPU更新?lián)Q代的速度越來越快，以 386、 486、 586為代表的 MPU，很短的時間內(nèi)就被淘汰出局，而傳統(tǒng)的單片機如 68HC05、 8051等年齡已有 15歲，產(chǎn)量仍是上升的。 2. 8位、 16位、 32位單片機共同發(fā)展 這是單片機技術(shù)發(fā)展的另一個動向。長期以來，單片機技術(shù)的發(fā)展是以8位機為主的。隨著移動通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進入家庭，32位單片機應(yīng)用得到了長足的發(fā)展。 3. 單片機的速度越來越快 MPU發(fā)展中表現(xiàn)出來的速 度越來越快是以時鐘頻率越來越高為標(biāo)志的。而單片機則有所不同，為提高單片機抗干擾能力，降低噪聲，降低時鐘頻率而不犧牲運算速度是單片機技術(shù)發(fā)展之追求。 4. 低電壓與低功耗 自 80年代中期以來， NMOS工藝單片機逐漸被 CMOS工藝所代替，功耗得以大幅度下降，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)由 3um工藝發(fā)展 1.5、 1.2、 0.8、 0.5、0.35進而實現(xiàn)了 0.2um 工藝，全靜態(tài)設(shè)計使時鐘頻率從直流電到數(shù)十 MHz任選，都使功耗不斷下降。 5. 低噪聲與高可靠性技術(shù) 為提高單片機系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能 適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，各單片機商家在單片機內(nèi)部電路中采取了一些新的技術(shù)措施。 6. OTP與掩膜 OTP是一次性寫入的單片機。過去認(rèn)為一個單片機產(chǎn)品的成熟是以投產(chǎn)掩膜型單片機為標(biāo)志的。由于掩膜需要一定的生產(chǎn)周期，而 OTP型單片機價格不斷下降，使得近年來直接使用 OTP完成最終產(chǎn)品制造更為流行。它較之掩膜具有生產(chǎn)周期短、風(fēng)險小的特點。 2.1.3 單片機 應(yīng)用 單片機的應(yīng)用領(lǐng)域 ： 1.單片機在智能儀器儀表中的應(yīng)用； 2.單片機在工業(yè)測控中的應(yīng)用； 3.單片機在計算機網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)中的應(yīng)用； 4.單片機在日常生活及家電中的應(yīng)用； 5.單片機在辦公自動化方面。 目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能 IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄象機、攝象機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領(lǐng)域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。 2.2 應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1、應(yīng)變式稱重傳感器的發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新 1938年美國加利福尼亞理工學(xué)院教授 E.Simmons（西蒙斯）和麻省理工學(xué)院教授 A.Ruge（魯奇）分別同時研制出紙基絲繞式電阻應(yīng)變計 。 70年代初中期，美、日等國的衡器制造公司開始研發(fā)商業(yè)用電子計價秤，急需小量程負(fù)荷傳感器。 隨著數(shù)字技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，各行業(yè)對數(shù)字化電子衡器的需求愈來愈多，提出用數(shù)字稱重系統(tǒng)突破模擬稱重系統(tǒng)局限性的要求，對此模擬式稱重傳感器就無能為力了。因為在此之前，稱重傳感器的研究都集中在硬件方面 。 90年代，由于稱重傳感器的設(shè)計與計算等基本技術(shù)趨于成熟，稱重傳感器的發(fā)展側(cè)重于工藝研究和應(yīng)用研究，在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、工程化設(shè)計和規(guī)?；a(chǎn)工藝等方面都有很大進步，主要是： 在結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計中引入計算機擬實技術(shù)和虛擬技術(shù)； 在彈性體加工中納入柔性制造技術(shù)； 在生產(chǎn)工藝中采用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)； 在穩(wěn)定處理中移植了振動時效、共振時效新工藝； 在測試檢定中創(chuàng)造了自動快速檢測和動態(tài)比對方法。 2.3 我 國 與國 外稱重傳感器技術(shù)現(xiàn)狀及主要差距 1.國外稱重傳感器技術(shù)現(xiàn)狀及快速發(fā)展原因 從近幾年國際衡器工業(yè)展覽會上展出的產(chǎn)品和對多家處于市場引導(dǎo)者地位的企業(yè)產(chǎn)品的分析可以得出這些企業(yè)的共同追求是：彈性體材質(zhì)更精良；電阻應(yīng)變計、補償元器件的技術(shù)要求和環(huán)境應(yīng)力篩選更嚴(yán)格；制造工藝更精細(xì)；電路補償工藝更完善；外觀質(zhì)量更完美。 稱重傳感器的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性是重要的質(zhì)量指標(biāo)，同時也是用戶最關(guān)心的問題。對此，這些企業(yè)在結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、電路補償與調(diào)整和穩(wěn)定性處理等方面進行許多研究與試驗工作，取得較大進展，主要成果有： （ 1）在結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算過程中，引入計 算機擬實技術(shù)進行動態(tài)仿真，動力學(xué)分析；在工藝設(shè)計過程中引入計算機虛擬技術(shù)，對彈性體生產(chǎn)工藝進行模擬和檢驗； （ 2）在彈性體加工中，納入先進制造技術(shù)，變剛性制造為柔性制造。普遍采用加工中心、柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)； （ 3）在生產(chǎn)全過程中，盡量減少手工操作、人為控制，增加半自動與自動控制、自動檢驗工序，并在生產(chǎn)工藝中采用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)； （ 4）改進、創(chuàng)新工藝裝備，實現(xiàn)高效智能電路補償，建立全自動快速檢測系統(tǒng)，提高 C3級產(chǎn)品成功率和大批量生產(chǎn)產(chǎn)品的抽檢合格率； （ 5）移 植先進的穩(wěn)定處理技術(shù)與裝備，實施振動時效或共振時效新工藝，提高稱重傳感器的長期穩(wěn)定性和工作可靠性； （ 6）應(yīng)用高新技術(shù)開發(fā)新產(chǎn)品和自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品，增強核心競爭力。處于國際市場引導(dǎo)地位的企業(yè)都有自己的核心競爭技術(shù)、工藝和產(chǎn)品 。 2.國外稱重傳感器技術(shù)發(fā)展特點及快速發(fā)展的原因： （ 1）重視基礎(chǔ)技術(shù)、基礎(chǔ)工藝和共性關(guān)鍵技術(shù)的研究，作到基礎(chǔ)研究與預(yù)先研究并行 。 （ 2）重視基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和制造技術(shù)、制造工藝的研究與應(yīng)用。 （ 3）描準(zhǔn)世界稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展潮流和戰(zhàn)略前沿，確定研究課題和產(chǎn)品開發(fā)方向。 （ 4）重視稱重傳感器的可靠性設(shè)計、控制與管理，嚴(yán)格設(shè)計符合性控制和工藝可靠性控制，努力使工藝兌現(xiàn)率達(dá)到百分之百。 （ 5）重視市場競 爭，加強市場調(diào)查與分析，快速響應(yīng)市場。 21世紀(jì)的市場競爭，是以市場響應(yīng)速度為焦點，以改進和創(chuàng)新產(chǎn)品為基礎(chǔ)。 （ 6）重視相關(guān)法規(guī)和規(guī)程的學(xué)習(xí)，全面理解并認(rèn)真執(zhí)行，保證生產(chǎn)的每一個產(chǎn)品都符合要求。 正因為如此，國外的稱重傳感器品種繁多，規(guī)格齊全，合金鋼、鋁合金、不銹鋼、鈹青銅制品應(yīng)有盡有；水下、鉆井下測量，耐壓防爆、抗輻射、耐腐蝕產(chǎn)品；微小和超大量程；多稱量與動態(tài)稱量；集成化與模塊化結(jié)構(gòu)用戶選購。 目前 的研發(fā)熱點是： 數(shù)字式智能稱重傳感器的數(shù)字補償技術(shù)與補償工藝，及其應(yīng)用技術(shù)； 快速、低速動態(tài)、動態(tài)稱重傳感器的研制及阻尼技術(shù)； 高溫稱重傳感器制造工藝，高溫穩(wěn)定性及應(yīng)用技術(shù)； 耐壓、防爆型稱重傳感器及耐壓外殼設(shè)計與試驗技術(shù)； 組件化設(shè)計的 “ 即插即用 ” 的新式稱重模塊； 利用鋇和鈮代替鎳制作靈敏度溫度補償電阻的研究。 2.4近年來稱重傳感器技術(shù)發(fā)展動向 國際稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展動向是，把稱重傳感器的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性作為極其重要的質(zhì)量指標(biāo)，把制造技術(shù)和制造工藝作為核心競爭力，緊緊抓住稱重傳感器 的特性問題、生產(chǎn)問題和應(yīng)用問題進行基礎(chǔ)研究、工藝研究和應(yīng)用研究，其研究方向和特點是： （ 1） 在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝中，吸取了工程化產(chǎn)品設(shè)計中的計算機擬實技術(shù)和虛擬技術(shù)，加快開發(fā)速度，減少開發(fā)風(fēng)險 （ 2） 在彈性體加工中，從單元加工技術(shù)發(fā)展到集成化加工技術(shù)；從剛性制造發(fā)展到柔性制造；從簡單化經(jīng)驗判斷發(fā)展到智能化定量分析。普遍采用柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)； （ 3） 生產(chǎn)工藝已不是傳統(tǒng)關(guān)念中的 “ 作坊手藝 ” ，而是技術(shù)與管理相結(jié)合的一項系統(tǒng)工程。 與穩(wěn)定性和可靠性有關(guān)的穩(wěn)定處理工藝在高溫處理，低溫深冷，脈動疲勞，超載靜壓等方法的基礎(chǔ) 上，又研究出振動時效、共振時效新工藝，共振 10分鐘，可消除絕大部分殘余應(yīng)力。 2.5 應(yīng)變式傳感器的工作原理 2.5.1 電阻應(yīng)變片的性能特點及產(chǎn)品分類 電阻應(yīng)變片亦稱電阻應(yīng)變式傳感器，他能把非電量（如壓力、拉力、位移、加速度、扭矩等參數(shù)）轉(zhuǎn)換成電阻變化量，是目前用途極廣的一種傳感器。 電阻應(yīng)變片的性能特點： 1.測量精度高，測量范圍廣。在構(gòu)成稱重傳感器時，最高精度可達(dá)0.01%FS0.05%FS（ FS表示滿量程），應(yīng)變測量范圍一般為 1個微應(yīng)變至幾千個微應(yīng)變。 2.使用壽命長、性能穩(wěn)定的靠。傳統(tǒng)的機械杠桿 稱由于杠桿、刀口等部分相互摩擦?xí)a(chǎn)生磨損和變形，要想長期保持高精度指標(biāo)是相當(dāng)困難的。但是采用電阻應(yīng)變式稱重傳感器制成的電子稱，只要傳感器設(shè)計合理，工藝可靠，就能長期穩(wěn)定地工作。 3.響應(yīng)時間短，頻率特性好，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕，便于維修。 4.可在高溫、低溫、震動、強磁場、化學(xué)腐蝕等惡劣環(huán)境條件下正常工作。 5.易于實現(xiàn)稱重系統(tǒng)的小型化。電阻應(yīng)變式傳感器很容易配 A/D轉(zhuǎn)換器或?qū)Ｓ秒娮臃Q重集成電路組成測試系統(tǒng)，利于微處理器進行自動調(diào)零和數(shù)據(jù)處理后，直接顯示出凈重、皮重、單價、金額、稱重次數(shù)、累計重量等測量 結(jié)果。 6.產(chǎn)品種類繁多，目前國內(nèi)外生產(chǎn)的各種規(guī)模的電阻應(yīng)變式傳感器多達(dá)幾萬種，價格也比較便宜。 電阻應(yīng)變式傳感器也有不足之處。首先，它在測量大應(yīng)變時呈非線性，半導(dǎo)體應(yīng)變片的非線性更為突出；其次，傳感器輸出的信號比較微弱，抗干擾能力較差，在工業(yè)現(xiàn)場測量時需要采取屏蔽措施；第三，它不能在溫度過高（ 1000以上）的場合下工作。 電阻應(yīng)變片的產(chǎn)品分類 按工作溫度分類，可分為低溫電阻應(yīng)變片（ -30以下），常溫電阻應(yīng)變片（ -30 +60 ） ,中溫應(yīng)變片（ 60 +300 ） ,高度電阻應(yīng)變片（ 300以上）。 按電 阻應(yīng)變片所用材料來劃分，主要有金屬絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片和半導(dǎo)體式應(yīng)變片。 1） 金屬絲式應(yīng)變片 2） 金屬絲式應(yīng)變片是由柵狀的電阻絲構(gòu)成的，根據(jù)基底的不同，可分為紙基， 膠基、紙浸膠基和金屬基等等。電阻絲的直徑在 0.02 0.05mm之間，允許通過幾時毫安以下的電流。電阻值范圍一般為 50 1000，常用的為 120。 3） 半導(dǎo)體應(yīng)變片 半導(dǎo)體應(yīng)變片亦稱為壓阻式傳感器，塌實利用硅的電壓效應(yīng)和集成工藝而 制成的。當(dāng)力作用在單晶硅時，硅晶體的就發(fā)生變化，被稱為壓阻效應(yīng)令半導(dǎo)體應(yīng)變片的壓阻系數(shù)為 3.14，所受力為 ，所受 力的變化率 。半導(dǎo) 體應(yīng)變片具有靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、工作溫度范圍寬。易于小型化和批量生產(chǎn)等優(yōu)點，因此獲得日益廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體應(yīng)變片還被做成“硅杯”式壓力傳感器，用來測量壓力，壓差或絕對壓力。 2.5.2電阻應(yīng)變片的工作原理 將電阻式應(yīng)變片牢固的粘貼在被測試件表面上，當(dāng)受到外力時發(fā)生形變，應(yīng)變片的阻值也隨之改變。在一定范圍內(nèi)，電阻值變化率與長度的變化率成正比。對于單根電阻絲，電阻 R可表示為 R= (L/S)式中 ,為電阻絲的電阻率 ,L為電阻絲的長度 ,S為電阻絲的橫截面積 ,設(shè)電阻絲的半徑為 r,則 S= r 對上式進行微分。 2.5.3 應(yīng)變式承重傳感器的性能參數(shù)表 表 3.1 常用電阻應(yīng)變式傳感器性能參數(shù)表 型號 供橋 量程 MPa 非線 靈敏 輸出阻 絕緣 過載能力 電壓VDC 性 %FS 度mV/V 抗 電阻M 壓力傳感器 ACY5-7 12， 15 05 010 020 030 040 0.1 1 35030 2000 額定壓力的1.1倍 ACY5-7F 9 0.2 400 2000 YCB-30FD 15 0.2 3000 YCB-20A 1015 0.2 2000 YCB20AF 9 0.2 稱 重 傳 感 器 CZL-3 615 Kg 010 020 050 0100 0500 0.03 2 350 2000 額定量程的1.21.5 倍 CZL-YB-10 10 0.02 2 350 GGC-14 6 1.5 120 1000 GGC16 12 0.05 2 250 2000 GS10 10 0.05 2 350 T61 10 0.05 350 ABA/SBA 10 0.02 350 2000 SBB 10 0.02 400 T81 10 350 1000 T90 10 350 5000 T95LA 10 350 1000 GYL-6 12 0.03 1.5 350 500 CZL-8 12 0.02 2 350 5000 CUB2 10 0.05 2 350 CLHM-2 15 0.03 650 測 力 傳 GYL-2 12 N 050 0100 0200 0500 01000 0.1 2 700 500 額定值的1.2 倍 CL-YB-2 12 0.05 2 700 YLC-2 12 0.02 2 700 500 UH6 10 0.02 2 351 5000 CDLG-1 15 0.05 2 650 GYL-5 12 0.05 0.2 350 500 2GYL-11 12 0.05 1 350 500 感 器 YLC-7 12 0.02 2 350 500 CL-YB-8 12 0.02 2 350 500 XF 10 0.03 2 350 2000 CL-YB-1 12 0.05 2 350 500 CL-YB-41 24 0.02 2 3000 第 3章 基于 單片機 AT89S52 為核心 構(gòu)成的稱量系統(tǒng) 3.1 單片機在稱量系統(tǒng)的應(yīng)用 本系統(tǒng)采用單片機 AT89S52 為控制核心，實現(xiàn)電子秤的基本控制功能。系統(tǒng)的硬件部分包括最小系統(tǒng)板，數(shù)據(jù)采集、人機交互界面三大部分。最小系統(tǒng)部分主要是擴展了外部數(shù)據(jù)存儲器，數(shù)據(jù)采集部分由壓力傳感器、信號的前級處理和 A/D 轉(zhuǎn)換部分組成。人機界面部分為鍵盤輸入 ， 128 * 64 點陣式液晶顯示，可以直觀的顯示中文，使用方便。 3.2單片機構(gòu)成的稱量系統(tǒng) 硬件設(shè)計 1、硬件結(jié)構(gòu)框圖如下： 2、各部分硬件電路實現(xiàn) (1)、基于 AT89S52 的主控電路圖 壓力傳感器 前端信號處理 Cal. 常量是有效 MCU89C52 鍵盤控制器 LCD 顯示器 1 2 3 4ABCD4321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eA4D a t e : 1 5- M a r - 2 0 07 S he e t o f F i l e : D : P r og r a m F i l e s D e s i gn E x p l o r e r 9 9 S E E xa m p l e s M yD e s i gn .d d bD r a w n B y:C?C A PC?C A PC?C A PC?C A PC?C A PC?C A PC?C A PC?C A P A C I T O RDGND123J?P O W E RDGNDV C C123J?C O N 31 2 3 4 5 6 7 8J P ?8 H E A D E RV C CV C CC?0 .0 1 uFC?0 .0 1 uFC?C R Y S T A LV C CR?4 K 7R?4 K 7C?C A P A C I T O RC?S W - P BD03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11U?7 4A L S 3 73-51 23 45 67 89 1011 1213 1415 1617 1819 2021 2223 2425 2627 2829 3031 3233 3435 3637 3839 40U?H E A D E R 2 0 X 21 23 45 67 89 1011 1213 1415 1617 1819 2021 2223 2425 2627 2829 3031 3233 3435 3637 3839 40U?H E A D E R 2 0 X 2A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A 1 021A 1 123A 1 22A 1 326CE20P G M / W E27OE22V P P / R S T1D 0 / O 011D 1 / O 112D 2 / O 213O315O416O517O618O719U?2 7C 0 1 1E A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E / P30T X D11R X D10U?8 03 1 A H+5+51 23 45 67 89 1011 1213 1415 1617 1819 20U?H E A D E R 1 0 X 2A1B2C3E14E25E36Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77U?7 4L S 1 38+5p 1. 0p 1. 1p 1. 2p 1. 3p 1. 4p 1. 5p 1. 6p 1. 7I N T 1I N T 2T1T0A8A9A 1 0A 1 1A 1 2A 1 3A 1 4A 1 5R X DT X DA L EP S E ND0D1D2D3D4D5D6D7A0A1A2A3A4A5A6A7A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A 1 0A 1 1A 1 2A 1 3A 4 22A 1 4A 1 5A 1 6A 1 7D0D1D2D3D4D5D6D7A 1 2A 1 3A 1 4A 1 4A 1 5CSCSCSP 1. 0P 1. 1P 1. 2P 1. 3P 1. 4P 1. 5P 1. 6P 1. 7P S E NI N T 1I N T 2K X T DT X T DT0T1WRRDD0D1D2D3D4D5D6D7A L EP S E NA 1 5A 1 4A 1 3A 1 2A 1 1A 1 0A9A8P 1. 0P 1. 1P 1. 2P 1. 3P 1. 4P 1. 5P 1. 6P 1. 7P S E NK X T DT X T DI N T 1I N T 2T0T1D0D1D2D3D4D5D6D7A L EP S E NA 1 5A 1 4A 1 3A 1 2A 1 1A 1 0A9A8主控電路以 89C52 為核心擴展 32K RAM；單片機使用 6M晶振， P0口外接上拉電阻，增大了帶負(fù)載能力； A12 A15接 74LS138譯碼器，輸出作外部片選信號。 擴展了幾個接口用于其它部分于單片機的通信 （ 2）前端信號處理 INA126構(gòu)成的放大器及濾波電路： 通過調(diào)節(jié)阻值來改變放大倍數(shù)。微弱信號 Vi1 和 Vi2被分別放大后從 INA126的第 6腳輸出。 A/D轉(zhuǎn)換器 ICL7135的輸入電壓變化范圍是 -2V +2V，傳感器的輸出電壓信號在 0 20mv 左右，因此放大器的放大倍數(shù)在 200 300左右， 可以將它 接成的滑動變阻器。 由于 ICL7135對高頻干擾不敏感，所以濾波電路主要針對工頻及其低次諧波引入的干擾。因為壓力信號變化十分緩慢，所以濾波電路可以把頻率做得很低。 （ 3） A/D 轉(zhuǎn)換器 基于 ICL7135的 A/D 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)電路： 基 準(zhǔn)源選用芯片 MC1403 2.5V 分壓得到： 由于 ICL7135內(nèi)部 沒有振蕩器，所以需要外接。但 A/D轉(zhuǎn)換器精度與時鐘頻率的漂移無關(guān)。正向積分時間 T1和反向積分時間 T2按相同比例增加并不影響測量的結(jié)果。 ICL7135的時鐘頻率典型值為 200kHz 最高允許為 1200kHz，時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換速度越快。每輸出一位 BCD碼的時間為 200個時鐘周期，選通脈沖位于數(shù)據(jù)脈沖的中部，如果時鐘頻率太高，則數(shù)據(jù)的接受程序還沒有接受完畢，數(shù)據(jù)就已經(jīng)消失了。考慮到此系統(tǒng)頻率要求不是太高，且單片機的工作頻率也不是很高，因此我們?nèi)r鐘頻率的典型值： 200kHz。由于頻率比較低，對時鐘漂移要求不高，我 們采用阻容方式實現(xiàn)了基本的振蕩電路。如下： 振蕩頻率約為 160kHz。 此外 ICL7135外部還需要外接積分電阻、積分電容，但 A/D轉(zhuǎn)換器精度與外接的積分電阻、 積分電容的精度無關(guān)，故可以降低對元件質(zhì)量的要求。不過積分電容和積分電容的介質(zhì)損耗會影響到 A/D轉(zhuǎn)換器的精度，所以應(yīng)采用介質(zhì)損耗較小的聚丙乙烯電容 ICL7135還需要外接基準(zhǔn)電源，這是因為芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)源一般容易受到溫度的影響，而基準(zhǔn)電源的變化會直接影響轉(zhuǎn)換精度。所以當(dāng)精度要求較高時，應(yīng)采用外接基準(zhǔn)源。一般接其典型值 1V。 3.3工作原理說明 3.3.1控制器部分 本系統(tǒng)基于 51 系列單片機來實現(xiàn)，因為系統(tǒng)需要大量的控制液晶顯示和鍵盤。不宜采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?CPLD、 FPGA來實現(xiàn)。（因為 大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷话闶鞘褂脿顟B(tài)機方式來實現(xiàn)，即所解決的問題都是規(guī)則的有限狀態(tài)轉(zhuǎn)換問題。本系統(tǒng)狀態(tài)較多，難度較大。）另外系統(tǒng)沒有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們最終選擇了 AT89S52 通用的比較普通單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計。內(nèi)部帶有 8KB的程序存儲器，在外面擴展了 32K數(shù)據(jù)存儲器，以滿足系統(tǒng)要求。 3.3.2 數(shù)據(jù)采集部分 1. 傳感器 設(shè)計 要求稱重范圍 9.999Kg ，重量誤差不大于 1Kg ，考慮到秤臺自重、振動和沖擊分量，還要避免超重?fù)p壞傳感器，所以傳感器量程必須大于額定稱重 。我們選擇的是 L-PSIII 型傳感器，量程 20Kg ，精度為 ，滿量程時誤差 0.002Kg ?？梢詽M足本系統(tǒng)的精度要求。其原理如下圖所示： 稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時，輸出信號電壓可由下式給出： 2.前級放大器部分 壓力傳感器輸出的電壓信號為毫伏級，所以對運算放大器要求很高。 我們考慮可以采用以下幾種方案可以采用： 方案 一 、利用普通低溫漂運算放大器構(gòu)成多級放大器。 普通低溫漂運算放大器構(gòu)成多級放大器會引入大量噪聲。由于 A/D 轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號就會直接影響最后的測量精度。所以，此中方案不宜采用。 方案二、由高精度低漂移運算放大器構(gòu)成差動放大器。 差動放大器具有 高輸入阻抗，增益高的特點，可以利用普通運放 ( 如 OP07) 做成一個差動放大器。 電阻 R1 、 R2 電容 C1 、 C2 、 C3 、 C4 用于濾除前級的噪 聲， C1 、 C2 為普通小電容，可以濾除高頻干擾， C3 、 C4 為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。 優(yōu)點：輸入級加入射隨放大器，增大了輸入阻抗，中間級為差動放大電路，滑動變阻器 R6 可以調(diào)節(jié)輸出零點，最后一級可以用于微調(diào)放大倍數(shù)，使輸出滿足滿量程要求。輸出級為反向放大器，所以輸出電阻不是很大，比較符合應(yīng)用要求。 缺點：此電路要求 R3 、 R4 相等，誤差將會影響輸出精度，難度較大。實際測量，每一級運放都會引入較大噪聲。對精度影響較大。 方案 三 ：采用專用儀表放大器，如： INA126， INA121等。 此類芯片內(nèi)部采用差動輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡單。 以 INA126為例 ,接口如下圖所示： 放大器 增益，通過改變的大小來改變放大器的增益。 基于以上分析，我們決定采用制作方便而且精度很好的專用儀表放大器 INA126 （ 3 ）、 A/D 轉(zhuǎn)換器 由上面對傳感器量程和精度的分析可知： A/D 轉(zhuǎn)換器誤差應(yīng)在以下 12 位 A/D 精度： 10Kg/4096=2.44g 14 位 A/D 精度： 10Kg/16384=0.61g 考慮到其他部分所帶來的干擾 ,12 位 A/D 無法滿足系統(tǒng)精度要求。 所以我們需要選擇 14位或者精度更高的 A/D。 方案一、逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換器，如： ADS7805、 ADS7804等。 逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換，一般具有采樣 /保持功能。采樣頻率高， 功耗比較低，是理想的高速、高精度、省電型 A/D 轉(zhuǎn)換器件。 高精度逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換器一般都帶有內(nèi)部基準(zhǔn)源和內(nèi)部時鐘，基于 89C52構(gòu)成的系統(tǒng)設(shè)計時僅需要外接幾個電阻、電容。 但考慮到所轉(zhuǎn)換的信號為一慢變信號，逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換器的快速的優(yōu)點不能很好的發(fā)揮，且根據(jù)系統(tǒng)的要求， 14位 AD 足以滿足精度要求，太高的精度就反而浪費了系統(tǒng)資源。所以此方案并不是理想的選擇。 方案二、雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器：如： ICL7135、 ICL7109等。 雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器精度高，但速度較慢 (如： ICL7135),具有精確的差分輸入，輸入阻抗高，可自動調(diào)零，超量程信號，全部輸出于 TTL電平兼容。 雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器具有很強的抗干擾能力。對正負(fù)對稱的工頻干擾信號積分為零，所以對 50HZ 的工頻干擾抑制能力較強，對高于工頻干擾（例如噪聲電壓）已有良好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零，對輸出就不產(chǎn)生影響。尤其對本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號，很容易受到工頻信號的影響。故而采用雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器可大大降低對濾波電路的要求 。 作為電子秤，系統(tǒng)對 AD的轉(zhuǎn)換速度要求并不高，精度上 14位的 AD 足以滿足要求。另外雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器較強的抗干擾能力，和精確的差分輸入，低廉的價格。綜合的分析其優(yōu)點和缺點，我們最終選擇了 ICL7135。 3.1.3、人機交互界面 1、鍵盤輸入 鍵盤輸入是人機交互界面中最重要的組成部分，它是系統(tǒng)接受用戶指令的直接途徑。 我們采用了專用的鍵盤顯示芯片 ZLG 7289。 Intel8279 是一種比較成熟的可編程鍵盤 / 顯示芯片，可以滿足小系統(tǒng)的要求。 ZLG7289 是周立功單片機公司設(shè)計的串行輸 入輸出可編程鍵盤 / 顯示芯片有強大的鍵盤顯示功能，支持 64 鍵控制?？梢员容^方便的擴展系統(tǒng)。另外 ZLG7289 內(nèi)部有譯碼電路，大大簡化了程序。我選擇功能更好的 ZLG7289 作為鍵盤掃描顯示芯片 。 2、顯示輸出 雖然 ZLG7289 具有控制數(shù)碼管顯示的功能，但考慮到本題目要求中文顯示，數(shù)碼管無法滿足，只能考慮用帶有中文字庫的液晶顯示器。由于可以分頁顯示，無需太大屏幕，我們選擇了點陣式 128 64 型 LCD OCM4X8C 。 3.4 軟件設(shè)計 3.4.1 系統(tǒng)流程 ： 自動校準(zhǔn) 提示輸入收銀員編號和日期 開中斷 INT0和 INT1 讀 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) 計算金額和總價 顯示清單 初始化 LCD 和 7289 開始 清單 -0？ Cal. 常量是 1流程圖 主程序流程如圖所示： 圖 1主流程圖 2、軟件說明 由于涉及到大量數(shù)據(jù)的運 算，程序不宜采用匯編語言， C語言大大縮短了開發(fā)時間，且程序可讀性非常好。 程序中對 AD采入的數(shù)據(jù)進行了數(shù)字濾波，進一步減小 AD讀入數(shù)據(jù)的誤差。 7289鍵盤控制采用中斷方式，加快了程序的執(zhí)行效率。 詳細(xì)的操作過程見使用說明。 3.4.2 使用操作說明 本系統(tǒng)采用 32鍵鍵盤來實現(xiàn)，分為數(shù)字鍵： 0-9，商品 1-商品 10， 6個控制鍵。 本系統(tǒng)開機顯示公司名稱，后提示輸入收銀員編號和當(dāng)前日期。正確輸入后，進入稱重顯示。 數(shù)字鍵和小數(shù)點鍵：用于輸入單價； 累加鍵：相當(dāng)于確認(rèn)，可以將當(dāng)然信息保存至 購物清單；并且將金額累加，得到所購買商品的總金額。 去皮鍵：用于去除皮重； 清單價：用于輸入的單價錯誤的時候，重新輸入； 購物清單鍵：當(dāng)需要顯示當(dāng)前顧客的總的購物清單時，可以連續(xù)按下購物清單鍵，分頁顯示所購買的商品信息，并且若以達(dá)到最后一頁，則顯示總計金額，收銀員編號，和公司名稱，當(dāng)然日期。 運行中如果顧客購買已存入的 10種商品，只需按下相應(yīng)的商品鍵，既可以將商品的名稱和單價以中文的形式顯示，同樣累加鍵保存此商品的信息，包括其重量，金額和當(dāng)前累計金額。 另外，已存入的 10 種商品的單價均可重新設(shè)置，直接輸入其單價即可，方便實用。如果所稱重物超過了系統(tǒng)最大量程 10Kg,則蜂明器發(fā)出報警聲音。 3.4.3 程序 電子秤的信號采集、處理、顯示的程序 . i nclude i nclude /ad 控制線 #define ad_244 XBYTE0xbfff; sbit ad_stb=P33; sbit ad_start=P11; /lcd 控制線 sbit lcd_di=P17; sbit lcd_rw=P12; sbit lcd_e=P10; /7289 控制線 sbit cs7289=P13; sbit clk7289=P14; sbit dio7289=P15; /sbit key7289=P16; /7289 查詢方式 sbit key7289=P32; /7289 中斷方式 sbit baoj=P35; /7289 子程序 void ini_7289(void); void send7289(short); short receive(void); void keyin(void); /lcd 子程序 void ini_lcd(void); void lcdd_send(short); void lcdi_send(short); void chk_busy(void); /ad 子程序 void ad(void); void baojing(void); void d_change(long); / 初始化，編號，日期 void ini(); void error1(void); void nop1() void change(s) int dealy; / 全局變量 short sh=0; / 商品號 short dot=0; / 小數(shù)點標(biāo)志 bit list=0; short qb=0; char xdata shuju7=; short xdata bcd5; char xdata s116= 單價 : 元 ; char xdata s216= 重量 :