單片機(jī)自動稱重系統(tǒng)設(shè)計

1、摘要本文設(shè)計的單片機(jī)稱重系以單片機(jī)為主要部件， 用匯編語言進(jìn)行 軟件設(shè)計，硬件則以傳感器、放大系統(tǒng)、轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、顯示 系統(tǒng)、 報警系統(tǒng)和鍵盤控制系統(tǒng)七個部分組成。 通過對電路輸出電壓 和標(biāo)準(zhǔn)重量的線性關(guān)系，建立具體的數(shù)學(xué)模型，將電壓量綱（V）改為重量綱（g）即成為一臺原始電子稱重系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上增加了顯 示、鍵盤控制和閾值報警功能，隨時可改變上限閾值，顯示總重量的 功能，使本產(chǎn)品智能化，符合現(xiàn)代社會電子信息化的要求。關(guān)鍵詞： 單片機(jī)，傳感器，轉(zhuǎn)換，顯示，閾值報警目錄第 1 章 概 述 第 2 章 工作原理 2.1 系統(tǒng)介紹 2.2 設(shè)計要求 2.3 系統(tǒng)組成框圖 2.4 系統(tǒng)原理 第

2、3 章 硬件電路 3.1 單片機(jī) 3.2 應(yīng)變電阻式稱重荷重傳感器 .3.3 運(yùn)算放大器 3.4 轉(zhuǎn)換電路 3.5 鍵盤 3.6 靜態(tài)顯示 3.7 聲光報警 3.8 硬件電路圖設(shè)計 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 4.1 查詢子程序流程圖 4.2 系統(tǒng)總流程圖 4.3 系統(tǒng)程序設(shè)計 錯誤! 未指定書簽 錯誤! 未指定書簽 錯誤! 未指定書簽 錯誤! 未指定書簽 錯誤! 未指定書簽 錯誤! 未指定書簽 錯誤! 未指定書簽 錯誤! 未指定書簽 錯誤! 未指定書簽 錯誤! 未指定書簽 錯誤! 未指定書簽 錯誤! 未指定書簽 錯誤! 未指定書簽 錯誤! 未指定書簽 錯誤! 未指定書簽 錯誤! 未指定書簽 錯

3、誤! 未指定書簽 錯誤! 未指定書簽 錯誤! 未指定書簽 錯誤! 未指定書簽4.4 聲光報警： 第5章設(shè)計結(jié)果與展望 . 錯誤! 未指定書簽5.1結(jié)果 錯誤! 未指定書簽5.2展望 錯誤! 未指定書簽第6章結(jié)束語 錯誤! 未指定書簽第7章致謝 錯誤! 未指定書簽參考文獻(xiàn) 錯誤! 未指定書簽第 1章 概 述隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的不斷發(fā)展， 以往那種自行稱重配料的方式 由于其用人工調(diào)整重量。這樣，一方面效率十分低下，稱量結(jié)果精度 不高，另一方面，用手工在現(xiàn)場調(diào)節(jié)增加了工人的勞動強(qiáng)度，而其生 產(chǎn)環(huán)境十分惡劣，粉塵大。因而必將為自動控制的稱重系統(tǒng)所取代， 此稱重系統(tǒng)中運(yùn)用穩(wěn)定可靠、小而廉的單片機(jī)，且單片

4、機(jī)體積小，重 量輕，抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性 好，開發(fā)較容易。本文提出的裝置就是基于 51 單片機(jī)和其外圍電路 所實(shí)現(xiàn)的。第 2章 工作原理2.1系統(tǒng)介紹為保障物料稱重系統(tǒng)的安全運(yùn)行， 獲得準(zhǔn)確的重量，必須對其運(yùn) 行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。本系統(tǒng)選用了 5G14433對采集數(shù)據(jù)做模數(shù)變換， 利用51型單片機(jī)控制，具有數(shù)字濾波、預(yù)置、檢查稱重值、光電隔 離、自動控制裝載閥門以和聲光報警等功能。其流程包括：預(yù)重量值 t稱重t下料。2.2設(shè)計要求簡述此次的設(shè)計要求如下：設(shè)計一稱重儀，對模擬器輸出的微弱 信號（012）進(jìn)行前級放大處理，再以較小的失真、誤差來進(jìn)行轉(zhuǎn)換， 并要求具

5、備較強(qiáng)的抗工頻干擾能力。最后利用單片機(jī)89C51對數(shù)字信 號進(jìn)行處理，控制數(shù)碼管顯示等。要求浮動誤差在02.00%之內(nèi)，顯示值與輸入信號值比值在1.551.75之內(nèi)。2.3系統(tǒng)組成框圖圖2.1系統(tǒng)組成框圖2.4系統(tǒng)原理為控制系統(tǒng)是一種采用單片機(jī)、專門用于工業(yè)自動定值配料的專 用控制器。其系統(tǒng)原理圖如圖2.2。由圖可以看出，系統(tǒng)由下面幾個 部分組成：（1）單片微型機(jī)（2）稱量傳感器（3）稱量斗（4）儲料倉和下料裝置。系統(tǒng)在定值稱量之前，需要操作者將各個儲料倉物料 的定值量等相關(guān)的數(shù)據(jù)通過儀表的鍵盤送入儀表。儀表在以后每次的定值過程中均以自動方式進(jìn)行。當(dāng)儲料倉中所要的物料已準(zhǔn)備好，系 統(tǒng)在得到啟動

6、命令后，將進(jìn)入自動稱料狀態(tài)。先打開大閘門，物料自 動注入稱量斗，此時，傳感器受壓力，產(chǎn)生應(yīng)變，并經(jīng)測量電橋輸出， 稱量斗上的各電橋是以串聯(lián)方式相連接的，電橋的總輸出送至51系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將模擬量變成數(shù)字量，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并與給定值 進(jìn)行比較，若稱量值小于90獅稱量值，則繼續(xù)放料，待稱量值大于 等于90獅稱量值，則關(guān)閉大閘門，打開小閘門，直到稱量值等于預(yù) 稱量值，關(guān)閉小閘門。而后打開稱量斗的閘門，將料落下。系統(tǒng)將顯 示本次測量值。大閘門小閘門儲料倉=-t f t圖2.2系統(tǒng)原理第3章硬件電路單片機(jī)稱重自動控制系統(tǒng)的硬件包括單片機(jī)、 重量檢測電路、 線 性放大電路、轉(zhuǎn)換電路、顯示器、鍵盤和其它

7、一些電路等組成。電路 原理圖見 3.8 硬件電路圖設(shè)計。3.1 單片機(jī)為了使測量過程實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制化，采用89C51系列單片機(jī)，89C51 是一個低電壓， 高性能 8 位單片機(jī)， 片內(nèi)含 4k 的可反復(fù)擦寫的只讀 程序存儲器和 128 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（） ，器件采用公司的高密 度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和存儲單元， 內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)的 89C51 提供 了高性價比的解決方案。89C51 是一個低功耗高性能單片機(jī)， 40 個引腳， 32 個外部雙向 輸入/輸出（）端口，同時內(nèi)含 2個外中斷口， 2個 1 6位可編程定時 計數(shù)器,2

8、個全雙工串行通信口， 89C51可以按照常規(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存儲器結(jié)合在一起， 特別是 可反復(fù)擦寫的存儲器可有效地降低開發(fā)成本。3.2 應(yīng)變電阻式稱重荷重傳感器（ 1 ） 彈性元件將應(yīng)變電阻片貼在專門的傳感部件彈性元件上， 即可組成不 同的荷重傳感器。這種傳感器中，彈性元件為力敏元件，把被測量的 大小轉(zhuǎn)換成應(yīng)變量的變化， 然后再把應(yīng)變量的變化轉(zhuǎn)換成電阻量的變 化。彈性元件是荷重傳感器的重要組成部分，應(yīng)具備以下性質(zhì)：具有 較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度， 以便在高載荷下保證具有足夠的安全性能 ,彈性好，受力變形后具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性；殘余應(yīng)力小，并具有均勻而 穩(wěn)定的組織

9、，而且是各向同性；抗疲勞性好；受溫度影響小，易于機(jī) 械加工和熱處理。這個系統(tǒng)中選用的是柱式傳感器中的柱形傳感器。其結(jié)構(gòu)是在圓筒上按一定方式貼上應(yīng)變片。為提高靈敏度，常采用空心的圓筒。設(shè) 計傳感器的關(guān)鍵問題是根據(jù)額定載荷 W和材料的允許應(yīng)力3,便可求 出產(chǎn)生的應(yīng)變力為 £ = 3 =式中，載荷的重量A圓柱形傳感器的橫截面積E彈性模量3 材料的允許應(yīng)力£ 產(chǎn)生的應(yīng)變采用柱式結(jié)構(gòu)的傳感器的測量范圍為幾百公斤到100噸，精度可達(dá)士 0.5%0.3%左右。下圖3.1為一空筒型柱式傳感器的結(jié)構(gòu)圖。被測力通過壓頭1直接作用在粘貼有電阻應(yīng)變片的彈性體 7上，使彈性元件發(fā)生形變，粘貼在其上的

10、電阻應(yīng)變片3阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，致 使電橋失去平衡。因而使電橋輸出與被測力成正比的信號40-9910U ",r Q-67.81-2-31壓頭2上蓋3膜片外套過載保護(hù)套電阻應(yīng)變片彈性體底座下壓頭接線盒圖3.1空筒型柱式傳感器的結(jié)構(gòu)圖(2)應(yīng)變檢測橋路的連接方法應(yīng)變式傳感器電阻的變化主要用電橋來測量。隨著應(yīng)變片粘貼數(shù)量的不同，其橋路的連接方法也不同。這里使用的是四個應(yīng)變片，其粘貼展開圖如圖3.2 （a）,橋路連接方法如圖3.2 （b）一RRR1R4圖3.2（a）粘貼展開圖（3）應(yīng)變檢測橋路的補(bǔ)償粘貼在彈性元件上的應(yīng)變片接成橋路后， 要求在不受外力作用時, 橋路的輸出為零，但由于應(yīng)變片阻值

11、的分散性，粘貼工藝的差別，溫 度的影響等等，均會造成一定的誤差。因此，當(dāng)橋路連接完以后，必 須進(jìn)行一系列的調(diào)整，即所謂零點(diǎn)補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、彈性模量和靈敏 度補(bǔ)償。3.3運(yùn)算放大器由于壓力傳感器輸出的電壓信號為毫伏級， 所以對運(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)成差動放大器。差動放大器 具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，可以利用普通運(yùn)放（如07）做成 一個差動放大器，如圖3.3所示。0JC7A.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。但其電路復(fù)雜，需要的元器件多，成本

12、較高。方案二：選用儀表放大器121芯片。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.4所示:圖3.4 121內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖121是 公司生產(chǎn)的輸入、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 121 構(gòu)成的電路簡單，元器件少，成本較低。3.4 A 轉(zhuǎn)換電路該系統(tǒng)選用了 5G14433轉(zhuǎn)換器做模/數(shù)轉(zhuǎn)換。5G14433是采用雙 重積分轉(zhuǎn)換原理一路模擬量輸入、 輸出為 3 位半碼的轉(zhuǎn)換器。 它的特 點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、外接元件少、抗工頻干擾能力強(qiáng)、精度稍高、但轉(zhuǎn)換 速

13、度慢（為 20 左右）。在對速度無多大要求的應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛使 用。14433是美國公司推出的單片 3 1/2 位轉(zhuǎn)換器，其中集成了雙積 分式轉(zhuǎn)換器所有的模擬電路和數(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)，并且具有自動校零和 自動極性轉(zhuǎn)換功能， 只要外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個完整的轉(zhuǎn)換 器，其主要功能特性如下：精度：讀數(shù)的±）.05%±字模擬電壓輸入量程：1.999V和199.9兩檔轉(zhuǎn)換速率： 2-25 次輸入阻抗：大于1000M1Q電源電壓： ±4.8V±8V功耗：8 （ ±）V電源電壓時，典型值）采用

14、字位動態(tài)掃描碼輸出方式，即千、百、十、個位碼分時在Q0-Q3輪流輸出，同時在1 4端輸出同步字位選通脈沖，很方便實(shí)現(xiàn)的動態(tài)顯示14433的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.5所示:名瞬選擇開關(guān)=> DS1-&S4二> Q卜返HlnrII百千溢岀I1|-*|'jVKEFDU fOC圖3.514433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 199.9或1.9999V兩種，對應(yīng)的基準(zhǔn)電壓為+200和+2V。由于5G14433轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出是連續(xù)的，所以必須通過并行接口 與其相連接。采用連續(xù)轉(zhuǎn)換方式，每次轉(zhuǎn)換結(jié)束，在端輸出一正脈沖， 經(jīng)反相后作為單片機(jī)89C51

15、的外部中斷1的請求信號。當(dāng)5G14433 的時鐘為50時，輸出脈沖的寬度為10。89C51采用邊沿觸發(fā)方式， 因此要求輸入的負(fù)脈沖寬度至少保持12個時鐘周期才能被響應(yīng)。若89C51單片機(jī)采用6晶振，則輸入脈寬應(yīng)大于2,所以輸出的脈沖寬 度能夠滿足要求。在脈沖出現(xiàn)之后，接著按從高到低的順序發(fā)選通脈 沖14,同時在QAQ0端先后輸出千、百、十、個位的碼數(shù)據(jù)。由于14433的轉(zhuǎn)換結(jié)果是動態(tài)分時輸出的碼，所以， Q03和14 可以通過8051單片機(jī)的并行口 P1或通過擴(kuò)展電路與其相連。14433 與8051單片機(jī)的P2 口相連的電路如圖3.6所示；lhJD DAijlIT圖3.6 14433與單片機(jī)連

16、接圖該電路采用查詢方式管理14433的操作。由于引腳與連接在一起， 所以14433能自動轉(zhuǎn)換。3.5鍵盤鍵盤由1*4的鍵列和相應(yīng)的掃描電路組成。列掃描信號是由單片 機(jī)從P0.7 口串行輸出，列碼經(jīng)74164移位寄存器變成并行輸出，74164 移位寄存器8個輸出端中3位用于控制顯示，余下的5位用于對鍵盤 列掃描進(jìn)行控制。同時，89C51的P0.7 口作為同步脈沖輸出控制線。3.6靜態(tài)顯示該系統(tǒng)所采用的顯示器由4位數(shù)碼管和驅(qū)動電路組成，顯示的數(shù) 是經(jīng)過查表得到相應(yīng)的顯示段劃碼，再送到共陽極驅(qū)動電路，顯示位 的控制是由計算機(jī)從F3.1 口串行輸出位選碼經(jīng)74164移位寄存器變成 并行輸出，74164

17、移位寄存器有八位輸出端，用其中三位控制位顯示。 這種靜態(tài)顯示方式亮度大，很容易做到顯示無閃爍。靜態(tài)顯示的優(yōu)點(diǎn)是不必頻繁的掃描顯示器單片機(jī)最小系統(tǒng)，是指在盡可能少的外部電路的條件下，形成一個可以獨(dú)立工作的單片機(jī)系統(tǒng)。圖 3.7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3.7最小系統(tǒng)原理圖3.7聲光報警本系統(tǒng)對測量值超過預(yù)置的稱重值時，可以給出報警信號，下面 既是實(shí)現(xiàn)聲光報警功能的電路，此電路中采用一片時基集成電路 555， 將其接成振蕩工作狀態(tài)。平時，由于單片機(jī)的 P3.7 口輸出為低電平。 即555復(fù)位腳“4”處于低電平，電路被迫停振，輸出“

18、3”恒為低電 平，揚(yáng)聲器無聲，9018三極管截止，報警燈不亮。一旦出現(xiàn)越時，P3.7 口置1。這樣，555時基電路依復(fù)位端“ 4”的信號變化，在它的輸出 端“3”產(chǎn)生出不同；頻率的振蕩輸出，推動揚(yáng)聲器工作，因此便可 獲得報警信號。同時“3”端也推動三極管工作，使報警燈同步點(diǎn)亮。冒9018圖3.83.8硬件電路圖設(shè)計第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1查詢子程序流程圖查詢子程序流程圖見圖4.1 :4.2系統(tǒng)總流程圖系統(tǒng)總流程圖見圖4.2 :圖4-2系統(tǒng)總流程圖4.3系統(tǒng)程序設(shè)計OOOOh0020ha,20h千位放入R110h4004hr1a,20h ; 百位放入 R20r2a,21h ; 十位放入 R30f

19、0h4004h2 a402r3a,21h ; 個位放入 R40r4 *5; 最高位為 0 時不顯示 *5: r100 ; 最高位為 0, 不顯示r200 r20r300r30r400r40 *5; 顯示子程序 *; 找表首R004HR608H0 ; 讀數(shù)據(jù)時鐘信號數(shù)據(jù)信號P1.1 1.1r00280hAP1.0 1.0P1.1P1.1R6R0R000 *5; 延時子程序 *5: R000H15 R100H16R116R015 *5; 查詢子程序 *5: 2.4 ; 等待 1=1. 千位選通信號.2107H1 07H2 .3304H43 04H4:2.54 ; 等待百位碼選通信號 2R020H0

20、；百位數(shù)送入20H低4位5:2.65 ; 等待十位選通信號 3A ;高低 4 位互換R0 ；指向21H單元0；十位數(shù)送入21H高4位6:2.76 ; 等待個位選通信號 40；個位數(shù)送入21H低4位 *本表為顯示數(shù)據(jù)表，1，2，3，4，5，6，7, * : 3,06H,5,4,66H,6,7,07H,7,6,00h ;'08，9'4.4 聲光報警： 程序清單： P3.7； P3.7 輸出高電平 , 鳴音亮燈： R7， #1；延時 301： R6，#0F0H2： R6，2R7 ，1P3.7； P3.7 輸出低電平 , 報警停；中斷返回第 5章設(shè)計結(jié)果與展望5.1 結(jié)果 本產(chǎn)品總體實(shí)

21、現(xiàn)智能電子稱重的功能。但是由于本次畢業(yè)設(shè)計由于傳感器發(fā) 出的信號不是很穩(wěn)定，所以稱重時誤差很大。 如果使用精密度較高的傳感器， 效 果會好很多。其次是數(shù)據(jù)采集處理階段， 此階段是對傳感器發(fā)出的信號進(jìn)行量化、 采集，主要分為信號放大、采集，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該階段需注意的地方是對傳感 器輸出的信號進(jìn)行放大時， 應(yīng)選取合適的運(yùn)算放大電路。 最好是預(yù)先計算好應(yīng)放 大的倍數(shù)，以便選取。還有就是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，選取適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系數(shù)，使 輸出滿足量程要求。5.2 展望 隨著集成電路和計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展， 使電子儀器的整體水平發(fā)生巨大變 化，傳統(tǒng)的儀器逐步的被智能儀器所取代。 智能儀器的核心部件是單片機(jī)，

22、因其 極高的性價比得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展， 從而加快了智能儀器的發(fā)展。 而傳感器作 為測控系統(tǒng)中對象信息的入口， 越來越受到人們的關(guān)注。 傳感器好比人體 “五官 ” 的工程模擬物，它是一種能將特定的被測量信息（物理量、化學(xué)量、生物量等） 按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件或裝置本次課設(shè)中的半橋電子秤就 是在以上儀器的基礎(chǔ)上設(shè)計而成的 15 。因此，只有充分了解有關(guān)智能儀器、 單片 機(jī)、傳感器以和各部分之間的關(guān)系才能達(dá)到要求。第 6章 結(jié)束語此次系統(tǒng)以單片機(jī)89C51為控制部件，稱重儀模擬信號為輸入信 號 , 通過前級放大器 , 雙積分轉(zhuǎn)換器 , 把轉(zhuǎn)換后的碼送入 89C51 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)的精度也必然會提高 , 本 次所設(shè)計的單片機(jī)稱重系統(tǒng)，具有價格低廉、功能強(qiáng)大、易使用、易 實(shí)現(xiàn)和適用面廣等特點(diǎn)，不失為一種較理想的稱重系統(tǒng)。另外，由于 水平有限，時間較短，設(shè)計中的軟、硬件錯誤在所難免，懇請各位老 師指點(diǎn)、糾正。本次設(shè)計中尤其指出的是，我得到了曲昀卿老師的親切指導(dǎo)和幫 助