單片機(jī)電子稱課程設(shè)計(jì)1

1、單片機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)題目:電子秤的設(shè)計(jì)專業(yè)年級(jí):08電子信息工程本科小組成員: 楊婷(202100802035華娟(202100802041王尹懌(202100802048成績(jī):完成時(shí)間:20210702【設(shè)計(jì)題目】電子稱的設(shè)計(jì)【設(shè)計(jì)要求】(1設(shè)計(jì)一款電子秤,用LED液晶顯示器顯示被稱物體的質(zhì)量(2可以設(shè)定該秤所稱的上限(3當(dāng)物體超重時(shí),能自動(dòng)報(bào)警【設(shè)計(jì)過程】1.【方案設(shè)計(jì)】在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),針對(duì)各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的功能來設(shè)計(jì)電子秤的方案有以下幾種:方案一結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下列圖所示: 圖1 帶有鍵盤輸入的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖此方案設(shè)計(jì)的電子秤,可以實(shí)現(xiàn)稱物計(jì)價(jià)功能,但是局限于數(shù)碼管的功能,在顯示時(shí)只能

2、顯示單價(jià)、購(gòu)物總額以及簡(jiǎn)單的貨物代碼等。在顯示重量時(shí),如果數(shù)碼管沒有足夠的位數(shù),那么稱量物體重量的精度必受到限制,所以此方案需要較多的數(shù)碼管接入電路中。這樣在處理輸入輸出接口時(shí)需要另行擴(kuò)展足夠多的I/O接口供數(shù)碼管使用,比擬麻煩。方案二前端信號(hào)處理時(shí),選用放大、信號(hào)轉(zhuǎn)換等措施,尤其在顯示方面采用具有字符圖文顯示功能的LCD顯示器。這種方案不僅加強(qiáng)了人機(jī)交換的能力,而且滿足設(shè)計(jì)要求,可以顯示購(gòu)物清單、所稱量的物體信息等相關(guān)內(nèi)容。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下列圖所示: 圖2 LCD顯示的方案目前單片機(jī)技術(shù)比擬成熟,功能也比擬強(qiáng)大,被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大整形后送入單片機(jī),由單片機(jī)對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理并根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)關(guān)系譯碼顯

3、示出被測(cè)物體的重量。單片機(jī)控制適合于功能比擬簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng),而且其具有本錢低,功耗低,體積小算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng),技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。但其缺點(diǎn)是外圍電路比擬復(fù)雜,編程復(fù)雜。使用這種方案會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來一定的難度。方案三采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA為控制核心采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA為控制核心,利用EDA軟件編程,下載燒制實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)集成于一片Xilinx公司的Spartan系列XC2S100E芯片上,體積大大減小、邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍廣等特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路。采用FPGA測(cè)頻測(cè)量精度高,測(cè)量頻率范圍大,而且編程靈活、調(diào)試方便,設(shè)計(jì)要求的精度較高,所以要求系統(tǒng)的穩(wěn)定性要

4、好,抗干擾能力要強(qiáng)。從下列圖中可以看到系統(tǒng)的根本工作流程和各單元電路所用到的核心器件。其中控制器采用Xilinx公司可編程器件FPGA為核心,基于ISE軟件平臺(tái),采用VHDL編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、LED和LCD驅(qū)動(dòng)、時(shí)鐘芯片的I2C通訊、鍵盤控制等模塊。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下列圖所示: 圖2.4 電子稱系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖FPGA的邏輯容量密度大,集成度高,可大大減少印刷電路板的空間,減低系統(tǒng)功耗,同時(shí)還可以提高設(shè)計(jì)的工藝性和產(chǎn)品的可靠性。雖然以FPGA為核心的電子稱系統(tǒng)很優(yōu)化,但只有在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中其高集成度才能更好得以表達(dá)。其主要在PC機(jī)接口卡的總線接口、程控交換機(jī)的信號(hào)處理與接口、雷達(dá)聲納系統(tǒng)

5、的成像控制與數(shù)字處理、數(shù)控機(jī)床的測(cè)試系統(tǒng)等方面有廣泛應(yīng)用。鑒于本電子稱的設(shè)計(jì)并不太復(fù)雜,單片機(jī)完全能實(shí)現(xiàn)所需功能,所以在具體設(shè)計(jì)時(shí),采用了第三種設(shè)計(jì)方案1.12.【器件選擇】顯示器的選擇方案方案一:采用LED(數(shù)碼管顯示。LED(數(shù)碼管是light-emitting diode 的縮寫,它經(jīng)過合理的設(shè)置可以完成顯示被測(cè)物質(zhì)量、單價(jià)、總價(jià)以及可測(cè)上限值的任務(wù),并且經(jīng)濟(jì)耐用。同時(shí)LED具有高亮度,高刷新率的優(yōu)點(diǎn),能提供寬達(dá)160°的視角,可以在較遠(yuǎn)的距離上看清楚。但是它的顯示存在信息量少,顯示不直觀,不易理解,連線復(fù)雜等缺點(diǎn)。方案二:采用LCD(液晶屏顯示。LCD(液晶屏是Liquid

6、Crystal Display 的縮寫,它具有字符顯示的功能,不但可以同時(shí)顯示被測(cè)物質(zhì)量、單價(jià)、總價(jià)以及可測(cè)上限值,還可以同時(shí)顯示相應(yīng)的控制命令、指示符號(hào)及單位等,信息量豐富且直觀易懂。另外,液晶顯示有功耗低,體積小,質(zhì)量輕,壽命長(zhǎng),不產(chǎn)生電磁輻射污染等優(yōu)點(diǎn)。綜合比擬二者的優(yōu)缺點(diǎn),本設(shè)計(jì)最終采用LCD1602作為顯示器。1.2AD芯片的選擇方案方案一:采用AD7810作為A/D轉(zhuǎn)換器件。AD7810是美國(guó)模擬器件公司(Analog Devices生產(chǎn)的一種低功耗10位高速串行A/D轉(zhuǎn)換器。該產(chǎn)品有8腳DIP和SOIC兩種封裝形式,并帶有內(nèi)部時(shí)鐘。它的外圍接線極其簡(jiǎn)單,AD7810的轉(zhuǎn)換時(shí)間為2

7、s,采用標(biāo)準(zhǔn)SPI同步串行接口輸出和單一電源(2.7V5.5V供電。在自動(dòng)低功耗模式下,該器件在轉(zhuǎn)換吞吐率為1kSPS時(shí)的功耗僅為27W,因此特點(diǎn)適合于便攜式儀表及各種電池供電的應(yīng)用場(chǎng)合使用。方案二:采用ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換器件。ADC0809是采樣分辨率為8位的、微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān),它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào),只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,可以和單片機(jī)直接接口。綜上所述,由于考慮到8位模數(shù)轉(zhuǎn)換已經(jīng)滿足本次設(shè)計(jì)要求,而且ADC0809的價(jià)格相對(duì)較低,所以本設(shè)計(jì)采用ADC0809作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器

8、件。1.3CPU的選擇方案方案一:采用傳統(tǒng)的8位的51系列單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。AT89C52是一個(gè)低電壓,高性能CMOS 8位單片機(jī),片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和256 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,功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)可以提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合。而且我們做的很多產(chǎn)品都是在51的根底上完成,對(duì)51系列的單片機(jī)相對(duì)來說較為熟悉。方案二:采用32位的ARM2138作為系統(tǒng)控制器。ARM2138具有強(qiáng)大的存

9、儲(chǔ)空間,內(nèi)嵌32K片內(nèi)靜態(tài)RAM和512K的flash存儲(chǔ)器,可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)可編程(ISP、在應(yīng)用可編程(IAP,2個(gè)8路10位A/D轉(zhuǎn)換器,1個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換迅速準(zhǔn)確,引腳資源豐富,多達(dá)47個(gè)可承受5V電壓的通用I/O口,多個(gè)串行接口,包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、2個(gè)高速I2C接口(400Kb/s、SPI 和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變功能的SSP。但價(jià)格相對(duì)較高。綜上分析,由于考慮到器件的價(jià)格、現(xiàn)有資源和對(duì)器件的掌握程度,控制器模塊選擇方案一。3.【系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)】綜合考慮本次設(shè)計(jì)要求、現(xiàn)有元器件資源、元器件價(jià)格和對(duì)元器件的熟悉掌握程度,本次設(shè)計(jì)選用AT89C52作為CPU控制器

10、, ADC0809作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件,LCD1602作為顯示器件,再配以其他相關(guān)元器件來實(shí)現(xiàn)硬件電路的設(shè)計(jì)。 圖2-1 基于單片機(jī)控制的電子秤的根本組成框圖傳感器的測(cè)量電路選用全橋電路,由四個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)組成。無外力作用時(shí),橋路平衡,輸出電壓為零;有外力作用時(shí),電阻應(yīng)變計(jì)的阻值發(fā)生變化,橋路失去平衡,有相應(yīng)的電壓輸出。但是由于此電壓信號(hào)過于微弱,難以被ADC0809采集,那么需經(jīng)過放大電路放大才能經(jīng)ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)單片機(jī)處理后送顯示器顯示。本設(shè)計(jì)還增加了鍵盤和報(bào)警電路,鍵盤的功能是調(diào)節(jié)滿量程的上限值和當(dāng)前的單價(jià),如果被測(cè)量的物質(zhì)重量超出所設(shè)定的滿量程上限值,那么蜂鳴器

11、報(bào)警,否那么顯示當(dāng)前的重量、單價(jià)和相對(duì)應(yīng)的總價(jià)。1.4 4.【軟件設(shè)計(jì)主程序的設(shè)計(jì)主程序設(shè)計(jì)的流程如下列圖所示,開機(jī)后先對(duì)LCD1602進(jìn)行初始化,并顯示單價(jià)及上限閾值,接下去那么循環(huán)采集AD數(shù)據(jù)及鍵盤程序。 圖4-1 主程序流程圖1.5AD數(shù)據(jù)采集及處理子程序的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集由ADC0809芯片來完成,主要分為啟動(dòng)、讀取數(shù)據(jù)、等待轉(zhuǎn)換結(jié)束、讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果、采集的數(shù)據(jù)求和、取平均(退出幾個(gè)步驟。ADC0809初始化后,就具有了將某一通道輸入的05V模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量0x000xff,然后再存入指定緩沖單元中。其轉(zhuǎn)換方式可以采用程序查詢方式,延時(shí)等待方式和中斷方式三種。本設(shè)計(jì)采用的是延時(shí)等待

12、方式,具體程序流程圖如圖4-2所示。 圖4-2 AD數(shù)據(jù)采集及處理子程序流程圖數(shù)據(jù)處理子程序是整個(gè)程序的核心。主要用來調(diào)整輸入值系數(shù),使輸出滿足量程要求。另外完成A/D的采樣結(jié)果從二進(jìn)制數(shù)向BCD碼轉(zhuǎn)化14。在硬件調(diào)試過程中重量與電壓的關(guān)系如表一所示: 線性符合設(shè)計(jì)要求,且每個(gè)砝碼對(duì)應(yīng)的電壓值轉(zhuǎn)BCD碼后正好近似20,那么無需其他處理。1.6鍵盤處理程序的設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中,總共用到三個(gè)按鍵。按鍵0是切換鍵,按一次切換鍵進(jìn)入單價(jià)修改狀態(tài),按兩次進(jìn)入上限閾值修改狀態(tài),按三次進(jìn)入電子稱去皮處理狀態(tài),再按一次那么返回正常顯示狀態(tài)。按鍵1實(shí)現(xiàn)對(duì)單價(jià)或上限閾值加一的功能。按鍵2實(shí)現(xiàn)對(duì)單價(jià)或上限閾值減一的功

13、能。每個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)的流程圖如下所示。 圖4-3 按鍵0的子程序流程圖 圖4-4 按鍵1的子程序流程圖 圖4-5 按鍵2的子程序流程圖】1.7【結(jié)果分析】設(shè)計(jì)結(jié)果本設(shè)計(jì)成功實(shí)現(xiàn)了電子稱量功能,在原始電子稱的根底上還增加了單價(jià)調(diào)節(jié)、閾值報(bào)警和去皮稱重功能。利用LCD1602同時(shí)顯示當(dāng)前重量值、當(dāng)前重量所對(duì)應(yīng)的單價(jià)、總價(jià)以及可測(cè)重量的上限值,如圖5-1所示。其中“P表示當(dāng)前的單價(jià),“M表示當(dāng)前重量值,“$表示當(dāng)前物質(zhì)的總價(jià),“max表示當(dāng)前設(shè)定的承載上限值。“P、“max和“M(可以去皮稱重的調(diào)整操作如下:單價(jià)調(diào)節(jié)功能操作:先按一下切換鍵當(dāng)液晶屏上的“P后面顯示“?時(shí),在按加一減一鍵調(diào)整價(jià)格值,調(diào)整好

14、后在按切換鍵退出;測(cè)量上限調(diào)節(jié)功能操作:先按兩下切換鍵,當(dāng)液晶屏上的“max后面顯示“?時(shí),在按加一減一鍵調(diào)整上限值,調(diào)整好后在按切換鍵退出;去皮功能操作:先按三下切換鍵,直到顯示屏上的“M值顯示“000 g,再按一下切換鍵那么顯示去皮前重量值。本產(chǎn)品總體實(shí)現(xiàn)智能電子稱的功能。但是由于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)由于傳感器發(fā)出的信號(hào)不是很穩(wěn)定，所以稱重時(shí)誤差很大。如果使用精密度較高的傳感器，效果 會(huì)好很多。其次是數(shù)據(jù)采集處理階段，此階段是對(duì)傳感器發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行量化、 采集，主要分為信號(hào)放大、采集，然后進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。該階段需注意的地方是 對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，應(yīng)選取適宜的運(yùn)算放大電路。最好是預(yù)先計(jì)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(shí)，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。 【設(shè)計(jì)總結(jié)】 1. 設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題和相應(yīng)的解決方案。 2. 個(gè)人體會(huì)。 【參考文獻(xiàn)】參考文獻(xiàn) 參考文獻(xiàn)】 1 劉敏, 張強(qiáng), 郝樹虹，王艷芬. 稱重傳感器的選用原那么A. 電子科學(xué), 2021, 01: 39. 2 謝惠玲. 應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)動(dòng)向和開展趨勢(shì)J. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2021, 14: 114-116. 3 田