稱重儀的設(shè)計(jì)

1、稱重儀的設(shè)計(jì) 摘要 本系統(tǒng)采用單片機(jī) at89c51 為控制核心，實(shí)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)采集兩大部分。最小系統(tǒng)部分主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示及鍵盤(pán)控制，數(shù)據(jù)采集部分由稱重儀模擬器、信號(hào)的前級(jí)處理（采用儀表放大器ina121）和 雙積分a/d 轉(zhuǎn)換部分組成。由于稱重儀設(shè)計(jì)中電路的精度及抗工頻干擾能力要求較高，故選用精度較高的儀表放大器ina121和抗工頻干擾能力較強(qiáng)的雙積分a/d轉(zhuǎn)換器mc14433。weighing meters designabstract this system uses monolithic integrated circuit at89c

2、51 is the control core, realizes electronic scales basic control function. systems hardware part including smallest system board, data acquisition two major parts. the smallest system part is mainly realizes the nixietube demonstration and the keyboard control, the data acquisition part before the w

3、eighing meter simulator, signal level processing (uses measuring appliance amplifier ina121) and the double integral a/d conversion fraction is composed. because in the weighing meter design electric circuits precision and the anti-power frequency disturbance ability request is high, therefore selec

4、ts precision high measuring appliance amplifier ina121 and anti-power frequency disturbance ability strong double integral a/d switch mc14433。key words monolithic integrated circuit smallest system weak signal double integral ad transformation measuring appliance enlargement引言 稱重儀是電子衡器的一種，電子衡器是自動(dòng)化稱重

5、控制和貿(mào)易計(jì)量的重要手段,對(duì)加強(qiáng)企業(yè)管理、嚴(yán)格生產(chǎn)、貿(mào)易結(jié)算、交通運(yùn)輸、港口計(jì)量和科學(xué)研究都起到了重要作用。電子衡器具有反應(yīng)速度快、測(cè)量范圍廣、應(yīng)用面廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用操作方便、信號(hào)遠(yuǎn)傳便于計(jì)算機(jī)控制等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于煤炭、石油、化工、電力、輕工、冶金、礦山、交通運(yùn)輸、港口建筑機(jī)械制造和國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和環(huán)境中干擾源是各種各樣的，如噪音干擾、工頻干擾等，抗工頻干擾能力成為衡量電子衡器性能的重要指標(biāo)。為了具備這一性能，市場(chǎng)上的電子衡器的電路普遍較復(fù)雜，相對(duì)地，成本也較高。而本產(chǎn)品電路簡(jiǎn)單，成本低，抗工頻干擾強(qiáng)，具有很好的推廣價(jià)值。1. 設(shè)計(jì)要求與系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案1.1設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)述此次的設(shè)

6、計(jì)要求如下：設(shè)計(jì)一稱重儀，對(duì)模擬器輸出的微弱信號(hào)（012mv）進(jìn)行前級(jí)放大處理，再以較小的失真、誤差來(lái)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，并要求具備較強(qiáng)的抗工頻干擾能力。最后利用單片機(jī)at89c51對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，控制數(shù)碼管顯示等。要求浮動(dòng)誤差在02.00%之內(nèi)，顯示值與輸入信號(hào)值比值在1.551.75之內(nèi)。1.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 輸入信號(hào)送入前級(jí)放大器放大，再經(jīng)過(guò)a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成bcd碼，然后把bcd碼送入單片機(jī)at89c51中進(jìn)行處理，最后把數(shù)據(jù)送出數(shù)碼管顯示。輸入信號(hào)前級(jí)放大a/d轉(zhuǎn)換at89c51數(shù)碼管顯示鍵盤(pán)處理圖1-1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2、各電路模塊設(shè)計(jì)方案的選擇2.1 電源模塊放大模塊與a/d轉(zhuǎn)換模塊

7、需要正負(fù)電源，且要求電源具有穩(wěn)定性。方案一：采用 mc7812(正壓)mc7912mc（負(fù)壓）構(gòu)成的的12v穩(wěn)壓電源。但其不可調(diào)，不能滿足所需要的正負(fù)5v電源的要求。方案二：采用自制電源，可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器是輸出電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓器，有輸出正電壓的cw317系列（lm317）三端穩(wěn)壓器；有輸出負(fù)電壓的cw337系列（lm337）三端穩(wěn)壓器。自制電源輸出電壓的可調(diào)范圍為uo=-1212v，滿足要求。2.2放大模塊由于壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)為毫伏級(jí)，所以對(duì)運(yùn)算放大器精度的要求很高。 方案一：高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成差動(dòng)放大器。差動(dòng)放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，可以利用普通運(yùn)放 (

8、如 op07) 做成一個(gè)差動(dòng)放大器，如圖2-1所示。 圖2-1 op07構(gòu)成的差動(dòng)放大器電阻 r1 、 r2 電容 c1 、 c2 、 c3 、 c4 用于濾除前級(jí)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。 但其電路復(fù)雜，需要的元器件多，成本較高。 方案二：選用儀表放大器ina121芯片。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示：圖2-2 ina121內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ina121是texes instruments bb公司生產(chǎn)的fet輸入、低功耗儀器放大電路，性能優(yōu)越。前置放大電路的放大倍數(shù)設(shè)置為50。較小的前置放大倍數(shù)可以避免極化電壓的影

9、響。電壓放大電路的放大倍數(shù)設(shè)置的較高（取為100200倍），則可以保證總的放大倍數(shù)。采用儀表放大器ina121構(gòu)成的電路簡(jiǎn)單，元器件少，成本較低。2.3 a/d轉(zhuǎn)換模塊方案一：采用8位a/d轉(zhuǎn)換器adc0809。adc0809是逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換期，雙列直插式，最快的轉(zhuǎn)換速度為100us，其引腳圖如圖2-3所示。圖2-3 adc0809引腳圖 它由8路模擬開(kāi)關(guān)，8位a/d轉(zhuǎn)換器，三態(tài)輸出鎖存器以及地址鎖存器譯碼器等組成。但其抗工頻干擾能力較弱。 方案二：采用雙積分a/d轉(zhuǎn)換器。雙積分型 a/d轉(zhuǎn)換器具有很強(qiáng)的抗工頻干擾能力。對(duì)正負(fù)對(duì)稱的工頻干擾信號(hào)積分為零，所以對(duì)50hz的工頻干擾抑制能力較

10、強(qiáng)，對(duì)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(duì)輸出就不產(chǎn)生影響。尤其對(duì)本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號(hào)，很容易受到工頻信號(hào)的影響。故而采用雙積分型a/d轉(zhuǎn)換器可大大降低對(duì)濾波電路的要求。作為電子秤，系統(tǒng)對(duì) ad的轉(zhuǎn)換速度要求并不高，精度上11位的ad足以滿足要求。另外雙積分型a/d轉(zhuǎn)換器較強(qiáng)的抗干擾能力，和精確的差分輸入，低廉的價(jià)格。綜合的分析其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，我最終選擇了mc14433。2.4 控制模塊 方案一：采用cpld（復(fù)雜可編程邏輯電路）或fpga（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)列陣）作為系統(tǒng)的控制器。cpld具有豐富的可編程i/o引腳，、使用方便靈活，不但可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的邏輯器

11、件功能，還可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的時(shí)序邏輯功能，適合完成各種算法和組合邏輯，但是功耗要比較大 ,且集成度越高越明顯。fpga可作為實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，特別用于大電流、大電壓場(chǎng)合的控制，規(guī)模大，密度高，它將所有的器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可用eda軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。fpga采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。但由于設(shè)計(jì)的是擺錘運(yùn)動(dòng)控制，fpga的高速處理功能不能得到充分的體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時(shí)芯片的引腳多使實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)的實(shí)際焊接的工作，降低了pcb板的靈活性。方案二：采用

12、普通單片機(jī)控制，如8位的51單片機(jī)at89c51。at89c51是一個(gè)低電壓，高性能cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的flash只讀程序存儲(chǔ)器和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和flash存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的at89c51提供了高性價(jià)比的解決方案。 at89c51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（i/o）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，at89c51可以按

13、照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。2.5 顯示模塊顯示模塊主要用于重量的顯示。方案一：采用字符型液晶模塊 jm1602c，jm1602c能顯示基本的asc碼字符，采用cmos工藝低功耗，內(nèi)置ks0066驅(qū)動(dòng)器，數(shù)據(jù)可直接傳送，用并行輸入輸出形式，數(shù)據(jù)傳送快，低延遲顯示體現(xiàn)多樣性，但是jm1602c的引腳電平為+5v，ram的引腳電平為+3.3v，這樣就要解決電壓不匹配問(wèn)題，靈活性降低。方案二：采用七段led數(shù)碼管顯示，led能顯示數(shù)字和一些基本的字母，簡(jiǎn)單易用，把它和74ls164（串入并

14、出移位寄存器）相使用，大大減少了控制器的i/o口。2.6 各個(gè)模塊的最終方案經(jīng)過(guò)仔細(xì)的分析和比較、實(shí)際模擬和理論論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下：（1）電源模塊：采用自制可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓電源；（2）放大模塊：采用儀表放大器ina121；（3）a/d轉(zhuǎn)換模塊：采用雙積分a/d轉(zhuǎn)換器mc14433；（4）控制模塊：采用單片機(jī)at89c51；（5）顯示模塊：采用七段led數(shù)碼管；3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)3.1 前級(jí)放大模塊儀表放大器ina121構(gòu)成的放大器及濾波電路如圖3-1所示：圖3-1 ina121構(gòu)成的放大器通過(guò)調(diào)節(jié) r3的阻值來(lái)改變放大倍數(shù)。微弱信號(hào)v-和v+被分別放大后從ina121

15、的第6腳輸出。雙積分a/d轉(zhuǎn)換器mc14433的輸入電壓變化范圍是-2v+2v，稱重儀模擬器的輸出電壓信號(hào)在012mv左右，因此放大器的放大倍數(shù)在100200左右，可將 r3接成 1k的滑動(dòng)變阻器，從而改變其放大倍數(shù)。由于輸入信號(hào)為直流電壓，在ina121的輸入管腳之前需接入濾波電路（圖中的r1，r2，c1，c2，c3，c4電路）。3.2 a/d轉(zhuǎn)換模塊mc14433是美國(guó)motorola公司推出的單片3 1/2位a/d轉(zhuǎn)換器，其中集成了雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器所有的cmos模擬電路和數(shù)字電路。具有外接元件少，輸入阻抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只

16、要外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的a/d轉(zhuǎn)換器，其主要功能特性如下：精度：讀數(shù)的0.05%1字 模擬電壓輸入量程：1.999v和199.9mv兩檔 轉(zhuǎn)換速率：2-25次/s 輸入阻抗：大于1000m 電源電壓：4.8v8v 功耗：8mw（5v電源電壓時(shí)，典型值） 采用字位動(dòng)態(tài)掃描bcd碼輸出方式，即千、百、十、個(gè)位bcd碼分時(shí)在q0q3輪流輸出，同時(shí)在ds1ds4端輸出同步字位選通脈沖，很方便實(shí)現(xiàn)led的動(dòng)態(tài)顯示。 mc14433的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-2所示： 圖3-2 mc14433內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 模擬電路部分有基準(zhǔn)電壓，模擬電壓輸入。模擬輸入電壓量程為199.9mv或1.9999v兩種，對(duì)應(yīng)的

17、基準(zhǔn)電壓為+200mv和+2v。 數(shù)字電路部分由邏輯控制bdc碼，輸出鎖存器，多路開(kāi)關(guān)，時(shí)鐘，極性判別，溢出檢測(cè)等電路組成。才用字位動(dòng)態(tài)掃描bcd碼輸出方式，即千，百，十，個(gè)位bcd碼輪流在q0q3端輸出。同時(shí)，在ds1ds4出現(xiàn)同步字位選通信號(hào)。 由于mc14433的a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果是動(dòng)態(tài)分時(shí)輸出的bcd碼，所以，q0q3和ds1ds4可以通過(guò)8051單片機(jī)的并行口p1或通過(guò)擴(kuò)展i/o電路與其相連。mc14433與8051單片機(jī)的p2口相連的電路如圖3-3所示； 圖3-3 mc14433與單片機(jī)連接圖該電路采用查詢方式管理mc14433的操作。由于引腳eoc與du連接在一起，所以mc14433

18、能自動(dòng)轉(zhuǎn)換。3.3 控制模塊及顯示模塊 本系統(tǒng)的控制模塊與顯示模塊相對(duì)較簡(jiǎn)單，故采用單片機(jī)最小系統(tǒng)。 單片機(jī)最小系統(tǒng)，是指在盡可能少的外部電路的條件下，形成一個(gè)可以獨(dú)立工作的單片機(jī)系統(tǒng)。圖3-4是單片機(jī)最小系統(tǒng)的原理圖。實(shí)現(xiàn)以下功能：處理重量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)重量的顯示，控制數(shù)碼管的顯示。 圖3-4 最小系統(tǒng)原理圖3.4 系統(tǒng)硬件總電路 系統(tǒng)硬件總電路圖見(jiàn)圖3-5所示：圖3-5 系統(tǒng)硬件總電路圖4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)4.1 查詢子程序流程圖 查詢子程序流程圖見(jiàn)圖4-1：開(kāi)始p2口送入a千位選通信號(hào)ds1=1？ny千位送入20h高4位5位p2口送入a百位選通信號(hào) ds2=1？ny百位送入20h低4位p

19、2口送入a十位選通信號(hào) ds3=1？ny十位送入21h高4位個(gè)位送入21h低4位結(jié)束y個(gè)位選通信號(hào) ds4=1？p2送入an圖4-1 查詢子程序流程圖4.2 系統(tǒng)總流程圖 系統(tǒng)總流程圖見(jiàn)圖4-2：開(kāi)始調(diào)用查詢子程序千.百.十個(gè)位放入r1. r2. r3. r4中調(diào)用顯示子程序返回圖4-2 系統(tǒng)總流程圖5. 系統(tǒng)測(cè)試為了確定系統(tǒng)是否達(dá)到要求，并測(cè)試系統(tǒng)的基本參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的顯示及放大倍數(shù)進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)試。5.1測(cè)試儀器序號(hào)儀器名稱儀器型號(hào)用途備注1穩(wěn)壓電源供電自制251/2數(shù)位臺(tái)式自動(dòng)量程真有效值數(shù)字萬(wàn)用表ut805測(cè)電壓電流電阻優(yōu)利德科技（東莞）有限公司3模擬信號(hào)發(fā)生器輸出（0-12mv）微弱信

20、號(hào)5.2 指標(biāo)測(cè)試 (1)放大模塊的參數(shù)測(cè)試:放大前輸入電壓v1=11.401mv放大后輸出電壓v2=1.50311.5206v放大倍數(shù)a=1.5v/11.4mv=131倍最大誤差:(1.5206-1.5031)/1.5031=1.16%由于系統(tǒng)濾波電路中的電容精度不高，還存在少許高頻干擾,所以放大后輸出的電壓會(huì)浮動(dòng)，但總體上達(dá)到了要求.(2)顯示與輸出的參數(shù)測(cè)試見(jiàn)表5-1.表5-1:測(cè)試次數(shù)第一次第二次第三次第四次第五次min1max1min2max2min3max3min4max4min5max5數(shù)碼管顯示值（噸）4.935.0314.3914.6615.6815.8517.5417.84

21、18.4118.62模擬器輸出值（mv）3.1063.1178.4698.6059.1669.21410.45610.60210.962待添加的隱藏文字內(nèi)容311.052線性比例k=噸/mv1.5871.6131.6991.7301.7301.7201.6771.6821.6791.684顯示浮動(dòng)最大誤差(max-min）/min2.02%1.87%1.08%1.70%1.14%5.3分析 系統(tǒng)能準(zhǔn)確地顯示重量, 浮動(dòng)誤差在02.00%之內(nèi)，顯示值與輸入信號(hào)值比值在1.551.75之內(nèi)?；具_(dá)到了設(shè)計(jì)要求。通過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)浮動(dòng)誤差的根本原因是儀表放大模塊的濾波電路中電容的精度不高。由于實(shí)驗(yàn)室

22、不能提供較高精度的電容，所以本系統(tǒng)的精度只限于目前的程度。 改進(jìn)方案：把放大模塊中濾波電路中的電容換為高精度的電容，就可提高系統(tǒng)的精度及減少浮動(dòng)誤差。結(jié)束語(yǔ)此次系統(tǒng)以單片機(jī)at89c51為控制部件，稱重儀模擬信號(hào)為輸入信號(hào) ,通過(guò)前級(jí)放大器,雙積分a/d轉(zhuǎn)換器,把轉(zhuǎn)換后的bcd碼送入at89c51中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最后在數(shù)碼管上顯示.系統(tǒng)的精度基本達(dá)到了要求。由于實(shí)驗(yàn)室提供的電容精度不夠高，導(dǎo)致系統(tǒng)具有一定的浮動(dòng)誤差，若把放大模塊中的電容換成高精度的電容，系統(tǒng)的精度也必然會(huì)提高。附錄一: 主要元?dú)饧鍐?附表1 主要元件清單序號(hào)元件型號(hào)元件名數(shù)量備注1at89c51單片機(jī)12mc14433雙積分

23、ad轉(zhuǎn)換器13mc1403基準(zhǔn)電壓14ina121儀表放大器15數(shù)碼管4附錄二: org 0000h ljmp main org 0020h main: lcall servezbcd: mov a,20h ;千位放入r1 anl a,#10h mov 40h,#04h zhyi1:rr a djnz 40h,zhyi1 mov r1,a mov a,20h ;百位放入r2 anl a,#0fh mov r2,a mov a,21h ;十位放入r3 anl a,#0f0h mov 40h,#04h zhyi2:rr a djnz 40h,zhyi2 mov r3,a mov a,21h ;個(gè)位放入r4 anl a,#0fh mov r4,a lcall zdgsh lcall yanshi lcall yanshi sjmp main;*;最高位為0時(shí)不顯示;*zdgsh: cjne r1,#00h,dsplay ; 最高位為0,不顯示 mov r1,#0ah ; 數(shù)碼管暗 cjne r2,#00h,dsplay mov r2,#0ah cjne r3,#00h,dsplay mov r3,#0ah cjne r4,#00h,dsplay mov r4,#0ah;*;顯示子程序;