基于51單片機(jī)的稱重儀設(shè)計(jì)

1、稱重儀的設(shè)計(jì)物理與機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)電子信息工程200402108 饒憲 指導(dǎo)老師：任志山老師摘要 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。關(guān)鍵詞單片機(jī)最小系統(tǒng)；微弱信號(hào)；雙積分AD轉(zhuǎn)換；儀表放大引言 稱重儀是電子衡器的一種，電

2、子衡器是自動(dòng)化稱重控制和貿(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、測量范圍廣、應(yīng)用面廣、結(jié)構(gòu)簡單、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)械制造和國防等各個(gè)領(lǐng)域。在工業(yè)現(xiàn)場和環(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)

3、計(jì)要求簡述此次的設(shè)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

4、塊與A/D轉(zhuǎn)換模塊需要正負(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

5、的特點(diǎn)，可以利用普通運(yùn)放 ( 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

6、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INA121構(gòu)成的電路簡單，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

7、對(duì)50HZ的工頻干擾抑制能力較強(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)場可編程門列陣）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

8、便靈活，不但可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的邏輯器件功能，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，F(xiàn)PGA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

9、PCB板的靈活性。方案二：采用普通單片機(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

10、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)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(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題，靈活性降低。方案二：采用七段LED數(shù)碼管

11、顯示，LED能顯示數(shù)字和一些基本的字母，簡單易用，把它和74LS164（串入并出移位寄存器）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

12、過調(diào)節(jié) R3的阻值來改變放大倍數(shù)。微弱信號(hào)V-和V+被分別放大后從INA121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

13、，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：±4.8V±8V ·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

14、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，多路開關(guān)，時(shí)鐘，極性判別，溢出檢測等電路組成。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8051單片機(jī)的并行口P1或通過

15、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)硬件總電路圖見圖3-5所示：圖3-5 系統(tǒng)

16、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圖4-1：開始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P2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)總流程圖見圖4-2：開始調(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)測試為了確定系統(tǒng)是否達(dá)到要求，并測試系統(tǒng)的基本參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的顯示及

17、放大倍數(shù)進(jìn)行了實(shí)際的測試。5.1測試儀器序號(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)字萬用表UT805測電壓電流電阻優(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）微弱信號(hào)5.2 指標(biāo)測試 (1)放大模塊的參數(shù)測試: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)測試見表5-1.

18、表5-1:測試次數(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）4.935.0314.3914.6615.6815.8517.5417.8418.4118.62模擬器輸出值（mv）3.1063.1178.4698.6059.1669.21410.45610.60210.96211.052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

19、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)

20、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。致謝語在設(shè)計(jì)期間，遇到了種種困難，但是在任老師的精心指導(dǎo)下，各種問題都得到了很好的解決，同時(shí)還有同學(xué)們的熱心幫助，在此我表示誠摯的謝意。參考文獻(xiàn) 1 趙總社. 關(guān)于電子秤的工作原理與應(yīng)用J. 科技信息, 2007,(01)2 楊曉麗,陳晴. 電子稱重儀的精度分析J. 自動(dòng)化儀表, 2000,(02).3 胡漢才單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)M北京：清華大學(xué)出版社，200254 王亞平. 電子秤的抗干擾技術(shù)J. 石油化工自動(dòng)化, 2006,(03)5 顧瑞良. 電子衡器的分類及其發(fā)展動(dòng)向J. 自動(dòng)化儀表, 2000,(03)

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22、重技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向J. 衡器, 1998,(02). 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,

23、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

24、,#00h,dsplay mov r4,#0ah;*;顯示子程序;*dsplay: MOV DPTR,#Tab ;找表首 MOV R0,#04H LED: MOV R6,#08H MOV A,R0 ;讀數(shù)據(jù) MOVC A,A+DPTR SETB P1.1 ;P1.1時(shí)鐘信號(hào) cjne r0,#02h,TART add a,#80h TART: RLC A MOV P1.0,C ;P1.0數(shù)據(jù)信號(hào) CLR P1.1 SETB P1.1 DJNZ R6,TART DEC R0 CJNE R0,#00H,LED RET;*;延時(shí)子程序;*YANSHI: MOV R0,#00H LOOP15:MOV

25、R1,#00H LOOP16:NOP DJNZ R1,LOOP16 DJNZ R0,LOOP15 RET;*;查詢子程序;*serve: mov a,p2 JNB ACC.4,serve ;等待DS1=1.千位選通信號(hào) JB ACC.2,PP1 SETB 07H AJMP PP2PP1:CLR 07HPP2:JB ACC.3,PP3 SETB 04H AJMP PP4PP3:CLR 04HPP4: MOV A,P2 JNB ACC.5,PP4 ;等待百位BCD碼選通信號(hào)DS2 MOV R0,#20H XCHD A,R0 ;百位數(shù)送入20H低4位PP5: MOV A,P2 JNB ACC.6,P

26、P5 ;等待十位選通信號(hào)DS3 SWAP A ;高低4位互換 INC R0 ;指向21H單元 MOV R0,A ;十位數(shù)送入21H高4位PP6: MOV A,P2 JNB ACC.7,PP6 ;等待個(gè)位選通信號(hào)DS4 XCHD A,R0 ;個(gè)位數(shù)送入21H低4位 RET;*; 本表為顯示數(shù)據(jù)表 ;*Tab: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,00h ;'0，1，2，3，4，5，6，7, 8，9' end weighing meter's design Physics and Machine electrical Engineering College Electronic and Information Engineering200402108 Rao Xian Guide Teacher:Ren Zhishan Abstract This system uses monolithic integrated circuit AT89C51 is t