課程設(shè)計（論文）基于單片機實現(xiàn)高精度電子秤的設(shè)計

1、電子稱課程設(shè)計1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計1.1.1 電子秤的工作原理當被稱物體放置在秤體的秤臺上時，其重量便通過秤體傳遞到稱重傳感器，傳感器隨之產(chǎn)生力電效應，將物體的重量轉(zhuǎn)換成與被稱物體重量成一定函數(shù)關(guān)系(一般成正比關(guān)系)的電信號(電壓或電流等)。通常此電壓信號很小，需要通過前端信號處理電路進行準確的線性放大，放大后的模擬電壓信號經(jīng)過濾波電路和a/d轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號被送入到主控電路的單片機中，單片機不斷掃描鍵盤和各種功能開關(guān)，根據(jù)鍵盤輸入內(nèi)容和各種功能開關(guān)的狀態(tài)進行必要的判斷、分析、由儀表的軟件來控制各種運算。運算結(jié)果送到內(nèi)存貯器，需要顯示時，單片機發(fā)出指令，從內(nèi)存貯器中讀出送到顯示器顯示。1

2、.2 總體方案設(shè)計按照設(shè)計的基本要求，可以確定系統(tǒng)共分為五大模塊，數(shù)據(jù)采集模塊、最小系統(tǒng)模塊、超重報警模塊、鍵盤和顯示模塊。其中，數(shù)據(jù)采集模塊包括稱重傳感器和a/d轉(zhuǎn)換電路；最小系統(tǒng)模塊由at89s51單片機及其外圍電路組成；鍵盤由44位矩陣鍵盤組成，可以控制顯示商品種類和價錢等信息；顯示部分采用lm4229液晶顯示，顯示當前商品的名稱、單價、重量及總價等信息。軟件部分由c語言編程，實現(xiàn)對各部分的控制。該電子秤可以實現(xiàn)顯示商品的名稱、單價、重量、總價等功能。其稱重范圍為010kg，分度值為0.005g。在擴展功能上，本設(shè)計增加了一個超重報警提示。其總體設(shè)計的框圖如圖2-1所示：圖1-1 總體設(shè)

3、計方框圖系統(tǒng)工作原理：把所稱物體放到秤臺上，物體的重力通過秤體傳給稱重傳感器，傳感器受到壓力使電阻發(fā)生變化引起電壓變化，再將電壓值送到a/d轉(zhuǎn)換電路，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送至單片機進行處理，并顯示結(jié)果。單片機最小系統(tǒng)由at89s51和外圍的時鐘電路及復位電路組成。顯示電路設(shè)計采用lm4229液晶顯示，對各部分的控制由采用c語言編程的軟件來實現(xiàn)。1電阻應變式稱重傳感器按照稱重傳感器選擇的指標要求，以及對各種傳感器的比較，本設(shè)計選定電阻應變片式傳感器，下面對此類傳感器做詳細介紹。電阻應變式稱重傳感器是把電阻應變計粘貼在彈性敏感元件上，彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變

4、形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。俳?jīng)相應的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。電阻應變式稱重傳感器包括兩個主要部分，一個是彈性敏感元件：利用它將被測的重量轉(zhuǎn)換為彈性體的應變值；另一個是電阻應變計：它作為傳感元件將彈性體的應變，同步地轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。電阻應變片所感受的機械應變量一般為10-610-2，隨之而產(chǎn)生的電阻變化率也大約在10-610-2數(shù)量級之間。這樣小的電阻變化用一般測量電阻的儀表很難測出，必須采用一定形式的測量電路將微小的電阻變化率轉(zhuǎn)變成電壓或電流的變

5、化，才能用二次儀表顯示出來。在電阻應變式稱重傳感器中通過橋式電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。當傳感器不受載荷時，彈性敏感元件不產(chǎn)生應變，粘貼在其上的應變片不發(fā)生變形，阻值不變，電橋平衡，輸出電壓為零；當傳感器受力時，即彈性敏感元件受載荷p時，應變片就會發(fā)生變形，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，有輸出電壓。圖2-2為電阻應變式稱重傳感器橋式測量電路。圖2-2 電阻應變式稱重傳感器橋式測量電路r1、r2、r3、r4為4個應變片電阻，組成了橋式測量電路，rm為溫度補償電阻，e為激勵電壓，v為輸出電壓。若不考慮rm，在應變片電阻變化以前，電橋的輸出電壓為：（1-1）由于橋臂的起始電阻全等，即r1=r2=r

6、3=r4=r，所以v=0。當應變片的電阻r1、r2、r3、r4變成r+r1、r+r2、r+r3、r+r4時，電橋的輸出電壓變?yōu)椋海?-2）通過化簡，上式則變?yōu)椋海?-3）也就是說，電橋輸出電壓的變化與各橋臂電阻變化率的代數(shù)和成正比。如果四個橋臂應變片的靈敏系數(shù)相同，且=k，則上式又可寫成：（1-4）式中k為應變片靈敏系數(shù)，為應變量。式2-5表明，電橋的輸出電壓和四個轎臂的應變片所感受的應變量的代數(shù)和成正比。在電阻應變式稱重傳感器中，4個應變片分別貼在彈性梁的4個敏感部位，傳感器受力作用后發(fā)生變形。在力的作用下，r1、r3被拉伸，阻值增大，r1、r3正值，r2、r4被壓縮，阻值減小，r2、r4為

7、負值。再加之應變片阻值變化的絕對值相同，即（1-5）（1-6）因此（1-7）若考慮rm，則電橋的輸出電壓變成：（1-8）令，則（1-9）su稱為傳感器系數(shù)或傳感器輸出靈敏度。對于一個高精度的應變傳感器來說，僅僅靠4個應變片組成橋式測量電路還是遠遠不夠的。由于彈性梁材料金相組織的不均勻性及熱處理工藝、應變片性能及粘貼工藝、溫度變化等因素的影響，傳感器勢必產(chǎn)生一定的誤差。為了減少傳感器隨溫度變化產(chǎn)生的誤差，提高其精度和穩(wěn)定性，需要在橋路兩端和橋臂中串入一些補償元件。如：初始不平衡值的補償、零載輸出溫度補償、輸出靈敏度溫度補償?shù)取? 硬件設(shè)計2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖圖2-1為系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)方框圖，系

8、統(tǒng)共分為三大部分：數(shù)據(jù)采集模塊、單片機控制模塊以及鍵盤和顯示模塊。各模塊所采用的主要芯片型號已于圖中有所標示。圖2-1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計方框圖2.2 單片機主控單元的設(shè)計2.2.1 at89s51最小系統(tǒng)設(shè)計單片機最小系統(tǒng),或者稱為最小應用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。對51系列單片機來說,最小系統(tǒng)包括:單片機、晶振電路、復位電路。其中復位電路采用上電復位。其最小系統(tǒng)電路圖見圖2-2所示：對于at89s51單片機，其最小系統(tǒng)只需要電源、復位電路、時鐘電路就能工作。由于我們的程序存儲器（rom）采用內(nèi)部flash存儲單元，所以單片機上的ea接高。微處理器系統(tǒng)在開始工作時必須對

9、微處理器內(nèi)部的寄存器等進行復位，使各個寄存器的值設(shè)為預定狀態(tài)才能順利開始工作。復位電路的好壞決定著單片機能否正常工作。復位電路基本功能是在系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號。復位電路可以使用專用復位芯片，也可以用電阻電容搭建。本文從可靠性和成本考慮最終選用電阻電容來搭建復位電路。對于51內(nèi)核的單片機，rst是復位信號輸入端，高電平有效。當此輸入端保持兩個機器周期(24個時鐘振蕩周期)的高電平時，可以完成復位操作。圖2-2 單片機最小系統(tǒng)圖2.2.2 a/d轉(zhuǎn)換單元設(shè)計根據(jù)對各種a/d轉(zhuǎn)換器的介紹與分析，本設(shè)計選定adc0832作為本設(shè)計的a/d轉(zhuǎn)換模塊。下面對該芯片的情況

10、進行簡要的介紹。adc0832是美國國家半導體公司生產(chǎn)的一種8位分辨率、雙通道a/d轉(zhuǎn)換芯片。具有體積小，兼容性強，性價比高的特點，具體參數(shù)如下： 8位分辨率； 雙通道a/d轉(zhuǎn)換； 輸入輸出電平與ttl/cmos相兼容； 5v電源供電時輸入電壓在05v之間； 工作頻率為250khz，轉(zhuǎn)換時間為32us； 一般功耗僅為15mw； 8p、14p-dip（雙列直插）、picc多種封裝； 商用級芯片溫寬為070，工業(yè)級芯片溫寬為-4085；2、adc0832的接口電路正常情況下，adc0832與單片機的接口應為4條數(shù)據(jù)線，分別是cs、clk、do、di，但由于do端與di端在通信時并未同時有效并與單片

11、機的接口是雙向的，所以電路設(shè)計時可以將do與di并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。單片機與adc0832的接口電路如圖2-3所示。圖2-3單片機與adc0832連接圖當adc0832未工作時其cs輸入端應為高電平，此時芯片禁用，clk和do/di的電平可以任意，當要進行a/d轉(zhuǎn)換時，須先將cs使能端置于低電平并保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端clk輸入時鐘脈沖，do/di端則使用di端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。2.3 鍵盤和顯示電路單元設(shè)計2.3.1 鍵盤電路設(shè)計在本設(shè)計中，采用的是44的矩陣式鍵盤，將單片機的p1.0-p1.3作為鍵盤的行線接口，p1.4

12、-p1.7作為列線接口，列線通過電阻接+5v。商品的單價已由程序設(shè)定好，并可由鍵盤選擇各種商品的價格。2.3.2 顯示電路設(shè)計本設(shè)計中顯示部分采用了當今常用的lm4229液晶顯示模塊。其與單片機的接線如圖3-6所示，為完善其功能，電路中添加了上拉電阻。圖2-4 液晶顯示模塊lm4229與單片機接線圖2.4 系統(tǒng)總體原理圖在系統(tǒng)各部分的設(shè)計完成后，把各模塊根據(jù)其功能和信號處理的流程連接起來，便得到系統(tǒng)總體設(shè)計的原理圖，如圖3-7所示，為簡潔起見，其中的接線部分采用網(wǎng)絡標號連接。圖2-5 系統(tǒng)總體原理圖2.5 硬件抗干擾設(shè)計電子秤在使用中，常常會出現(xiàn)各種各樣的異?，F(xiàn)象，電子秤本身的質(zhì)量問題是一個方

13、面，但更重要的方面是外界干擾和接地引起的異常。本電子稱重器的核心部件是單片機，所以我們的抗干擾措施主要是針對單片機。還用到稱重傳感器，所采用的應變式傳感器是高阻抗器件，其絕緣性能、機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等，直接影響工作特性的穩(wěn)定。因此，應變片傳感器的絕緣材料必須有很高的絕緣性能、足夠的機械強度、高形狀穩(wěn)定性及良好的抗?jié)裥阅堋Ｏ旅嬷攸c介紹單片機的抗干擾措施。隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對單片機測控系統(tǒng)的各種性能要求越來越高。而系統(tǒng)的可靠性更倍受人們的關(guān)注，這是因為系統(tǒng)的可靠性決定了系統(tǒng)能否達到所需要的精度。就單片機測控系統(tǒng)來講，其主要干擾是來自電源和信號傳輸通道的干擾。1、電源的抗干擾措施普通用電中含

14、有多種高次諧波，它們很容易經(jīng)電源進入單片機系統(tǒng)，還有一些射頻發(fā)射、電磁波等也會由電源線感應反饋進入單片機系統(tǒng)造成干擾。因此，在電源電路中必需采取有效地濾波措施，來抑制這些高頻干擾的侵入。電源濾波的一般方法是在電源變壓器初、次級分別設(shè)置低通濾波器和線間電容濾波器，使50hz市電基波通過，而抑制掉高頻信號。此外在變壓器的初、次級之間均采用屏蔽層隔離，其中初級屏蔽層接大地，次級屏蔽層接系統(tǒng)邏輯地，以減少其分布電容，提高抗共模干擾的能力。2、信號傳輸通道的抗干擾措施信號傳輸通道包括系統(tǒng)的前向通道和后向通道，其主要干擾有：雜散電磁場通過感應和輻射方式進入通道的干擾；由于地阻抗耦合、漏電流等因素產(chǎn)生的加性

15、干擾；以及因傳輸線衰減、阻抗失配等因素引起的乘性干擾。對于這三類干擾，可以采用以下幾種措施加以排除。（1）光電隔離技術(shù)光電耦合器對干擾信號具有良好的隔離性能，一是它的輸入阻抗很小，約為100fl-lldl，而干擾源內(nèi)阻則很大，通常為105q108q，因此能分壓到光電耦合器輸入端的噪聲很?。欢枪怆婑詈掀鬏斎氩糠值陌l(fā)光二極管是在電流狀態(tài)下工作的，即使干擾噪聲有較高的電壓幅度，但由于能量小，不能提供足夠的電流使發(fā)光二極管發(fā)光而被抑制掉；三是光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間分布電容極小，絕緣電阻很大，回路一邊的干擾很難通過光電耦合器饋送到另一邊去。因此，采用光電耦合器可將單片機與前向通道、后向通道

16、及其他部分從電氣上隔離開來，能有效地防止干擾信號的侵入。（2）接地技術(shù)本系統(tǒng)既有模擬電路又有數(shù)字電路，因此數(shù)字地與模擬地要分開，最后只在一點相連，如果兩者不分，則會互相干擾。（3）輸入輸出信號線采用屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線對于靜電干擾和電磁干擾有很好的抑制作用，有條件的話應盡量采用。但使用中應注意： 線纜敷設(shè)時不要過分用力或使電纜打結(jié)、避免彎曲超過900、避免過緊地纏繞電纜，以保護雙絞47線的扭絞狀態(tài)； 做線時，避免損壞線纜的外皮、不要切壞線纜內(nèi)的導線； 接線時，雙絞線的開絞長度盡量小，不要超過20mm； 雙絞線的屏蔽層采用設(shè)備端單端接地方式。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)程序使用模塊化的程序設(shè)計思想，主

17、程序通過調(diào)用子程序以實現(xiàn)各部分功能。先進行軟件的總體設(shè)計，然后進行各功能模塊設(shè)計。3.1 主程序設(shè)計電子秤需要有數(shù)據(jù)采集、處理、存結(jié)果、送顯示的運行過程。根據(jù)這一要求，電子秤的信息采集與處理分三個階段：在微處理器的控制下，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換的電壓信號通過輸入電路送入a/d轉(zhuǎn)換器處理，存入到數(shù)據(jù)存儲器中；微處理器對采集的測量數(shù)據(jù)進行必要的數(shù)據(jù)處理，把數(shù)據(jù)信號處理為顯示所要求的信號格式，通過輸出接口電路輸出并顯示。主流程圖見圖3-1所示：圖3-1 主程序流程圖3.2 lm4229液晶顯示驅(qū)動程序圖3-2 lm4229液晶顯示驅(qū)動程序流程圖lm4229液晶能夠顯示比較復雜的漢字和圖形，首先必須對其寫入控制

18、操作字，包括圖形的顯示方式，字體的模式。然后寫入初始行地址，指針自動左移，直到寫完全部數(shù)據(jù)為止。write_data(place&0xff); /寫入地址高位write_data(place/256); /寫入地址低位write_com(0x24); /地址設(shè)置write_com(0xb0); /設(shè)置數(shù)據(jù)自動寫write_data(asc_msk(c1-0x20)*16+k); /*-例如：0的ascii碼為0x30,在asc_msk中的位置為0x10*16 -16字節(jié)字碼依次寫入lcd-*/write_com(0xb2); /自動復位place=place+30;3.3 adc0832采樣程

19、序 圖3-3 adc0823采樣程序流程圖 圖3-4 鍵盤程序流程圖 單片機通過拉低cs、拉高clk來啟動adc0832進行外部壓力傳感轉(zhuǎn)換后的電壓信號進行采樣，每產(chǎn)生8個clk脈沖，data獲得一位完整的8bit數(shù)據(jù)，此時mcu發(fā)送中斷請求，拉高cs，拉低clk,并將數(shù)據(jù)dat返回。3.4 鍵盤程序本設(shè)計中采用了44矩陣式鍵盤，單片機定時進行查詢。首先單片機發(fā)送行掃描代碼，然后進行列掃描，當發(fā)現(xiàn)某一列出現(xiàn)了低電平時，即返回相應的鍵盤值。若沒有發(fā)現(xiàn)則說明當前行沒有鍵按下，行掃描右移一位，繼續(xù)執(zhí)行列掃描。4 系統(tǒng)仿真在系統(tǒng)硬件與軟件全部設(shè)計完成的情況下，將系統(tǒng)在protues7.5環(huán)境下進行了軟

20、件仿真，以確保本設(shè)計方案的可行性與準確性。因為在仿真時不能實際的把物體放到稱重臺上，所以在仿真時采用直接輸入模擬電壓信號的方法，來代替信號的采集。4.1 歡迎界面的仿真開始仿真時，先將用c語言編寫的程序用keil軟件進行編譯，生成可執(zhí)行程序，然后裝入單片機中進行仿真，按開始按鈕，單片機及其他各部分電路開始工作，單片機調(diào)用內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)對各部分接口電路初始化。200ms后lm4229進入歡迎界面，如圖5-1所示。圖4-1 電子秤歡迎界面仿真4.2 無重物情況仿真歡迎界面過后，電子秤進入稱重界面。此時，adc0832不斷對外部數(shù)據(jù)進行采樣交給單片機進行處理，一旦有物品放入載物臺，adc0832立即發(fā)

21、送中斷請求，并將本次采集數(shù)據(jù)交給單片機進行處理。調(diào)節(jié)壓力傳感模擬電路電壓，將電壓設(shè)為0.00表示此時載物臺上沒有物體。此時lm4229顯示指示“實用電子秤，名稱單價：0.000元/千克，總重量：0.000千克，總價：00.000元”。如圖5-2所示。圖4-2 無重物稱重界面仿真4.3 稱量物體仿真上調(diào)壓力傳感電壓，表示已有商品放在載物臺上，adc0832立即發(fā)送中斷請求，并將本次采集的數(shù)據(jù)交給單片機進行處理，之后送入lm4229顯示相應數(shù)據(jù)量。在此過程中，鍵盤不斷進行掃描，一旦有鍵按下，單片機便對其數(shù)據(jù)進行相應處理，然后將對lm4229進行寫操作。此時，按下鍵盤，選擇相應的商品。如按下3號鍵，選擇草