新畢業(yè)論文doc

1、（輸入章及標(biāo)題）本科畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機的電子秤設(shè)計劉蕓磊燕 山 大 學(xué)2014年 6月 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機的電子秤設(shè)計學(xué) 院： 里仁學(xué)院 專 業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù) 學(xué)生 姓名： 劉蕓磊 學(xué) 號： 101308061341 指導(dǎo) 教師： 鄭紅軍 答辯日期： 2014年6月21日 V燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書學(xué)院：里仁學(xué)院 系級教學(xué)單位：電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)號101308061341學(xué)生姓名劉蕓磊專 業(yè)班 級10級電子科學(xué)與技術(shù)4班題目題目名稱基于單片機的電子秤設(shè)計題目性質(zhì)1.理工類：工程設(shè)計 ( )；工程技術(shù)實驗研究型( )；理論研究型( )；計算機軟件型( )；綜合型( )2

2、.管理類( )；3.外語類( )；4.藝術(shù)類( )題目類型1.畢業(yè)設(shè)計( ) 2.論文( )題目來源科研課題( ) 生產(chǎn)實際( )自選題目( )主要內(nèi)容利用51單片機完成電子秤的設(shè)計，該系統(tǒng)的主要功能是稱重測量，超載報警。測量范圍在0到5千克之間，測量精度0.01，電源DC5V。該過程就是物體壓力使傳感器發(fā)生形變產(chǎn)生模擬信號，然后經(jīng)放大電路等處理后在LED上顯示的過程?；疽?熟悉單片機編程的應(yīng)用。2設(shè)計單片機與壓力傳感器還有A/D轉(zhuǎn)換的電路連接。3實現(xiàn)電子秤的稱重測量。4完成畢業(yè)論文20000字左右。5完成英文翻譯3000字。參考資料孫以材、劉玉嶺、孟慶浩編著的壓力傳感器的設(shè)計、制造與應(yīng)用

3、冶金工業(yè)出版社。段九州主編的放大電路實用設(shè)計手冊遼寧科學(xué)技術(shù)出版社。周志敏、周紀(jì)海、紀(jì)愛華編著的LED驅(qū)動電路設(shè)計與應(yīng)用人民郵電出版社。周 次第 1 4 周第 5 6 周第7 11 周第1215周第1618周應(yīng)完成的內(nèi)容查閱資料熟悉內(nèi)容電路設(shè)計軟件編寫硬件連接及調(diào)試軟件調(diào)試及測試撰寫論文指導(dǎo)教師： 鄭紅軍職稱： 2014年 3 月12 日系級教學(xué)單位審批： 年 月 日 摘要摘 要隨著微電子技術(shù)的應(yīng)用，市場上使用的傳統(tǒng)稱重工具已經(jīng)滿足不了人們的要求。為了改變傳統(tǒng)稱重工具在使用上存在的問題，在本設(shè)計中將智能化、自動化、人性化用在了電子秤重的控制系統(tǒng)中。本系統(tǒng)主要由單片機來控制，測量物體重量部分由稱

4、重傳感器及A/D轉(zhuǎn)換器組成，加上顯示單元，此電子秤俱備了功能多、性能價格比高、功耗低、系統(tǒng)設(shè)計簡單、使用方便直觀、速度快、測量準(zhǔn)確、自動化程度高等特點。本系統(tǒng)以AT89S51單片機為主控芯片，外圍附以稱重電路、顯示電路、報警電路等構(gòu)成智能稱重系統(tǒng)電路板，從而實現(xiàn)自動稱重系統(tǒng)的各種控制功能。可以說,此設(shè)計所完成的電子秤很大程度上滿足了應(yīng)用需求。關(guān)鍵詞AT89S51、稱重傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、LED顯示器5AbstractWith the application of micro-electronics technology, tradition ponderation instrument us

5、ed in market has been not satisfaction with human requirements already. In order to make up for the traditional apparatus shortcoming, we improve the apparatus's control system with intelligence and automation. This system is mainly controlled by microcontroller, the section of height measuremen

6、t accomplish by supersonic sensor, the section of weight measurement accomplish by weight sensor and A/D transformer, this apparatus have many characteristic such as having more function, consume less energy, small and move easily, low price, measure precisely, the speed is quick, automatic work wit

7、hout people and so on.The system is mainly controlled by the microcontroller AT89S51, the periphery is consist of the circuit of clock and calendar, the circuit of measure height and weight, the circuit of display , all of these comprise the circuit board of the intelligent apparatus of height and w

8、eight. It can achieve all function of the apparatusKeywords AT89S51、ponderation sensor、A / D converter、LED Display目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 引言11.2 選題的背景和意義11.3 國內(nèi)外電子秤發(fā)展及成果.21.4本論文的研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排4第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計.72.1電子秤的基本工作原理.72.2電子秤的系統(tǒng)總體框72.3電子秤的主控系統(tǒng)設(shè)計.82.4電子秤各模塊方案選.92.5本章小結(jié).11第3章 硬件方案選擇133.1控制器部分.133.2數(shù)據(jù)采

9、集部分.133.3本章小結(jié).18第4章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計194.1AT89S51最小電路系統(tǒng)介194.2信號放大電路.244.3信號轉(zhuǎn)換電路.254.4顯示電路與AT89S51單片接口電路設(shè)計.274.5報警電路設(shè)計.284.6本章小結(jié).28第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計.295.1主程序設(shè)計.295.2子程序設(shè)計.305.3本章小結(jié)33第6章 系統(tǒng)設(shè)計仿真356.1系統(tǒng)仿真356.2本章小結(jié)37結(jié)論39參考文獻40致謝.41附錄1開題報告.43附錄2文獻綜述.49附錄3英文資料翻譯.54附錄4英文資料.61附錄5電路原理圖67附錄6程序設(shè)計68第1章 緒論第1章 緒論1.1 引言在我們生活中經(jīng)常都需要

10、測量物體的重量，于是就用到秤，但是隨著社會的進步、科學(xué)的發(fā)展，我們對其要求操作方便、易于識別。隨著計量技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)純機械結(jié)構(gòu)的桿秤、臺秤、磅秤等稱量裝置逐步被淘汰，電子稱量裝置電子秤、電子天平等以其準(zhǔn)確、快速、方便、顯示直觀等諸多優(yōu)點而受到人們的青睞。電子秤向提高精度和降低成本方向發(fā)展的趨勢引起了對低成本、高性能模擬信號處理器件需求的增加。通過分析近年來電子衡器產(chǎn)品的發(fā)展情況及國內(nèi)外市場的需求，電子衡器總的發(fā)展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術(shù)性能趨向是速率高、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向是稱重計量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其應(yīng)用性能趨向于

11、綜合性和組合性1。1.2 選題的背景和意義稱重技術(shù)自古以來就被人們所重視，作為一種計量手段，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、科研、交通、內(nèi)外貿(mào)易等各個領(lǐng)域，與人民的生活緊密相連。電子秤是電子衡器中的一種，衡器是國家法定計量器具，是國計民生、國防建設(shè)、科學(xué)研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺少的計量設(shè)備，衡器產(chǎn)品技術(shù)水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會經(jīng)濟效益的提高。稱重裝置不僅是提供重量數(shù)據(jù)的單體儀表，而且作為工業(yè)控制系統(tǒng)和商業(yè)管理系統(tǒng)的一個組成部分，推進了工業(yè)生產(chǎn)的自動化和管理的現(xiàn)代化，它起到了縮短作業(yè)時間、改善操作條件、降低能源和材料的消耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及加強企業(yè)管理、改善經(jīng)營管理等多方面的作用。稱重裝置

12、的應(yīng)用已遍及到國民經(jīng)濟各領(lǐng)域，取得了顯著的經(jīng)濟效益。電子秤是稱重技術(shù)中的一種新型儀表，廣泛應(yīng)用于各種場合。電子秤與機械秤比較有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、價格低、實用價值強、維護方便等特點，可在各種環(huán)境工作，重量信號可遠傳，易于實現(xiàn)重量顯示數(shù)字化，易于與計算機聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，提高勞動生產(chǎn)率。例如標(biāo)簽秤在超市中的應(yīng)用已經(jīng)是耳聞目睹的了。一張小小的標(biāo)簽包含著：品名、價格、重量等，一一列表在這小小的電子標(biāo)簽上。標(biāo)簽機的使用大大加快了銷售速度，也方便了顧客。頂尖條碼標(biāo)簽稱有著許多卓越的特點，以太網(wǎng)功能使管理更加方便。因此，稱重技術(shù)的研究和衡器工業(yè)的發(fā)展各國都非常重視。50年代中期電子技術(shù)的滲入

13、推動了衡器制造業(yè)的發(fā)展。60年代初期出現(xiàn)機電結(jié)合式電子衡器以來，隨著時代科技的迅猛發(fā)展，微電子學(xué)和計算機等現(xiàn)代電子技術(shù)的成就給傳統(tǒng)的電子測量與儀器帶來了巨大的沖擊和革命性的影響。經(jīng)過40多年的不斷改進與完善，衡器技術(shù)也在不斷進步和提高。從世界水平看，衡器技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了四個階段，從傳統(tǒng)的全部由機械元器件組成的機械稱到用電子線路代替部分機械元器件的機電結(jié)合秤，再從集成電路式到目前的單片機系統(tǒng)設(shè)計的電子計價秤。我國電子衡器從最初的機電結(jié)合型發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型。現(xiàn)今電子衡器制造技術(shù)及應(yīng)用得到了新發(fā)展：電子稱重技術(shù)從靜態(tài)稱重向動態(tài)稱重發(fā)展；計量方法從模擬測量向數(shù)字測量發(fā)展；測量特點從單參數(shù)

14、測量向多參數(shù)測量發(fā)展。常規(guī)的測試儀器儀表和控制裝置被更先進的智能儀器所取代，使得傳統(tǒng)的電子測量儀器在遠離、功能、精度及自動化水平定方面發(fā)生了巨大變化，并相應(yīng)的出現(xiàn)了各種各樣的智能儀器控制系統(tǒng)，使得科學(xué)實驗和應(yīng)用工程的自動化程度得以顯著提高。1.3 國內(nèi)外電子秤發(fā)展及成果隨著第二次世界大戰(zhàn)后的經(jīng)濟繁榮，為了把稱重技術(shù)引入到生產(chǎn)工藝過程中去，對稱重技術(shù)提出了心動要求，希望稱重過程自動化，為此電子技術(shù)滲入衡器制造業(yè)。在1954年使用了帶新式打印機的傾斜式秤，其輸出信號能控制商用結(jié)算器，并且用電磁鐵機構(gòu)與人工操作的按鍵與辦公機器聯(lián)用。在1960年開發(fā)出了與衡器相聯(lián)的專門稱重值打印機。當(dāng)時帶電子裝置的衡

15、器其稱量工作是機械式的，但與稱量有關(guān)的顯示、記錄、遠傳式控制器等功能是電子方式的。電子稱的發(fā)展過程與其他事物一樣，也經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜、又粗糙到精密、由機械到機電結(jié)合再到全電子化、由單一功能到多功能的過程。特別是近30年以來，工藝流程中的現(xiàn)場稱重、配料定量稱重、以及產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)測等工作，都離不開能輸出信號的電子衡器。這是由于電子衡器不僅給出質(zhì)量或重量信號，而且也能作為總系統(tǒng)中的一個單元承擔(dān)著控制和檢驗功能，從而推進工業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易交往的自動化和合理化。近年來電子稱已愈來愈多地參與到數(shù)據(jù)的處理和控制過程中。現(xiàn)代稱重技術(shù)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)已經(jīng)成為工藝技術(shù)、儲運技術(shù)、預(yù)包裝技術(shù)、收貨業(yè)務(wù)及商業(yè)銷售領(lǐng)域中不可或

16、缺的組成部分。隨著稱重傳感器各項性能的不斷突破，為電子稱的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，國外如美國、西歐等一些國家在20世紀(jì)60年代就出現(xiàn)了0.1%稱量準(zhǔn)確度的電子稱，并在70年代中期約對75%的機械稱進行了機電結(jié)合式改造。我國的衡器在20世紀(jì)40年代以前還全是機械式的，40年代開始發(fā)展了機電結(jié)合式的衡器。50年代開始出現(xiàn)了以稱重傳感器為主的電子衡器。80年代以來，我國通過自行研究引進消化吸收和技術(shù)改造。已由傳統(tǒng)的機械式衡器步入集傳感器、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)與一體化的電子衡器發(fā)展階段。目前，由于電子衡器具有稱量快、讀數(shù)方便、能在惡劣條件下工作、便于與計算機技術(shù)相結(jié)合而實現(xiàn)稱重技術(shù)和過程控制的自動化特點，已

17、被廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、能源交通、商業(yè)貿(mào)易和科學(xué)技術(shù)等各個部門、隨著稱重傳感器技術(shù)以及超大規(guī)模集成電路和微處理器的進一步發(fā)展，電子稱重技術(shù)及其應(yīng)用范圍將更進一步的發(fā)展，并被人們越來越重視。電子衡器產(chǎn)品量大面廣、種類繁多，從通用的各種規(guī)格的電子稱到大型的電子稱重系統(tǒng)，從單純的稱重、計價到生產(chǎn)過程檢測系統(tǒng)的一個測量控制單元，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷地擴大。根據(jù)近些年來電子稱重技術(shù)和電子衡器的發(fā)展情況及電子衡器市場的需求，電子稱的發(fā)展動向為：小型化、模塊化、智能化、集成化；其技術(shù)性能趨向于速率高、準(zhǔn)確度高、可靠性高；其應(yīng)用性趨向綜合性、組合性2。1.4 本論文的研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排首先是通過壓力傳感器采集到被測物

18、體的重量并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號。輸出電壓信號通常很小，需要通過前端信號處理電路進行準(zhǔn)確的線性放大。放大后的模擬電壓信號經(jīng)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，再經(jīng)過單片機控制譯碼顯示器，從而顯示出被測物體的重量。按照設(shè)計的基本要求，系統(tǒng)可分為三大模塊，數(shù)據(jù)采集模塊、控制器模塊、人機交互界面模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊由壓力傳感器、信號放大器和A/D轉(zhuǎn)換部分組成。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送給控制器處理，由控制器完成對該數(shù)字量的處理，驅(qū)動顯示模塊完成人機間的信息交換。此部分對軟件的設(shè)計要求比較高，系統(tǒng)的大部分功能都需要軟件來控制。在擴展功能上，本設(shè)計增加了一個過載報警提示。本文的結(jié)構(gòu)安排如下：第

19、1章緒論，簡單介紹了本課題電子稱的研究背景、研究目的、意義及國內(nèi)外的研究狀況。第2章系統(tǒng)方案設(shè)計，本章主要內(nèi)容是電子稱的方案設(shè)計，首先是對整體的方案進行選擇與設(shè)計，再針對各個模塊（傳感器、放大模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊、人機交界模塊）進行具體的方案論證及設(shè)計。第3章硬件方案選擇，在選定的方案中，對各方案的器件進行了簡介。著重講了放大器和壓力傳感器的功能及計算過程。第4章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計，在本章中對用到的主要芯片進行簡單功能介紹及應(yīng)用，并且給出了本次電路設(shè)計的具體電路圖。第5章系統(tǒng)軟件設(shè)計，本章主要是介紹電子稱的軟件設(shè)計，給出了本次設(shè)計的主程序流程圖及一些模塊的子程序流程圖。第6章系統(tǒng)仿真顯示，本章主要

20、講了電子秤的一些仿真顯示，介紹了仿真結(jié)果。最后，對本次的研究課題的主要工作及結(jié)果做出了總結(jié)與討論，并且指出了本次研究工作中存在的不足和發(fā)現(xiàn)的一些問題。第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 電子秤的基本工作原理電子秤的工作原理以電子元件:稱重傳感器，放大電路,AD轉(zhuǎn)換電路，單片機電路，顯示電路，通訊接口電路等電路組成。當(dāng)物體放在秤盤上時，壓力施給傳感器，該傳感器發(fā)生形變，從而使阻抗發(fā)生變化，同時使用激勵電壓發(fā)生變化，輸出一個變化的模擬信號。該信號經(jīng)放大電路放大輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換成便于處理的數(shù)字信號輸出到CPU運算控制。CPU根據(jù)程序?qū)⑦@種結(jié)果輸出到顯示器，直至顯示這種結(jié)果。2.2

21、電子秤的系統(tǒng)總體框圖按照本設(shè)計功能的要求，系統(tǒng)由4個部分組成：控制器部分、測量部分、報警部分、數(shù)據(jù)顯示部分，系統(tǒng)設(shè)計總體方案框圖如圖2-1所示。 圖2-1設(shè)計思路框圖測量部分是利用稱重傳感器檢測壓力信號，得到微弱的電信號（本設(shè)計為電壓信號），而后經(jīng)處理電路（放大電路）處理后，送A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出。控制器部分接受來自A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號，經(jīng)過復(fù)雜的運算，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為物體的實際重量信號，并將其存儲到存儲單元中，數(shù)據(jù)顯示部分根據(jù)需要實現(xiàn)顯示功能。報警部分只要是在超重時對使用者發(fā)出警告聲。2.3 電子秤的主控系統(tǒng)設(shè)計2.3.1電子秤的主控系統(tǒng)工作原理該系統(tǒng)選用AT89S5

22、1單片機為主控制器，主要是先進行數(shù)據(jù)采集，采集由前級放大器把壓力傳感器獲取的電壓信號放大的模擬信號，在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號。此信號在單片機內(nèi)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理及各種運算把所感知的二進制信號轉(zhuǎn)換成十進制，并送進顯示模塊顯示出來。此外，當(dāng)單片機感知測量對象超出系統(tǒng)測量范圍時，單片機會向報警模塊發(fā)出指令，啟動聲光報警裝置，設(shè)計中為了安全起見，留有較大的過負載能力，因此系統(tǒng)報警時的負載并不會對測量器件造成損壞。2.3.2電子秤的主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （一）主控制系統(tǒng)具備的功能該系統(tǒng)采用單片機作為主控制系統(tǒng)，主要目的在于稱重之后的數(shù)字化顯示和實現(xiàn)精確的測量，故系統(tǒng)應(yīng)該具有單片機工作所需的穩(wěn)定的+5V直流電

23、源，又考慮到數(shù)字化顯示所用到的數(shù)碼管中會出現(xiàn)某段被損壞而不被點亮的情況，系統(tǒng)應(yīng)該具有開機自檢功能，就是開機后自動逐個掃描每一個晶體管，用來檢查數(shù)碼管各段是否完好，可以依靠軟件編程實現(xiàn)。除此之外還有超重報警功能，防止超重物對傳感器件造成損壞。 （二）單片機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示：圖2-2 單片機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.4 電子秤各模塊方案選型整個硬件系統(tǒng)由四大模塊組成，下面以控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為依據(jù)就針對各模塊做具體的方案設(shè)計。2.4.1 數(shù)據(jù)采集模塊方案選型數(shù)據(jù)采集模塊分為3個部分：稱重傳感器、前級放大器和A/D轉(zhuǎn)換器。 （一）稱重傳感器 首先這里傳感器選用SP20C-G501電阻應(yīng)變式傳感器，

24、稱重傳感器由組合式S型梁結(jié)構(gòu)及金屬箔式應(yīng)變計構(gòu)成，是電子計價秤的專用產(chǎn)品。這里說下傳感器的選型方法，可具體參考以下步驟：1.計算并確定轉(zhuǎn)換系數(shù)(f)，轉(zhuǎn)換系數(shù)(f)是表明每一個檢定分度值(V)中有多少個示值單位，是用于把全部示值單位轉(zhuǎn)換為“V”的，它是由初始公稱試驗溫度20時，進程負荷試臉下試臉效據(jù)平均值確定的。2.計算參比示值，所謂“參比值”即是 “理論示值”或“理想示值“。3.計算各試驗點EL。4.各試驗點誤差與最后一列最大允許誤差相比較。5.將計算結(jié)果與系統(tǒng)對傳感器的要求做出比較，以確定選型是否成功。 （二）前級放大器其次前級放大器的設(shè)計有以下幾種方案可以采用：方案一、利用普通低溫漂運算

25、放大器構(gòu)成多級放大器。普通低溫漂運算放大器構(gòu)成多級放大器會引入大量噪聲。由于 A/D 轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號就會直接影響最后的測量精度。所以，此種方案不宜采用。方案二、由高精度低漂移運算放大器構(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，可以利用普通運放 ( 如 OP07) 做成一個差動放大器。 實際測量，每一級運放都會引入較大噪聲。對精度會有較大影響。方案三、采用專用儀表放大器，如LM324。LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，價格低廉等優(yōu)點，被運用于各種電路。它有五個引腳，其中“+”“-”為輸入端，V+,V-為電源端，VO為輸出端。兩個信號輸入

26、端“-”為反相輸入端表示與輸出端信號相位相反，“+”為同相輸入端，表示輸出端信號與之相位相同。（三）A/D轉(zhuǎn)換器按照設(shè)計要求：電子稱最大稱重為5公斤，重量誤差不能大于1%0。我們的理解是滿刻度時，只能有±5g的誤差，精度要求較高。方案一：采用V/F變換芯片LM331該方案是使用壓頻變換器件，把電壓信號轉(zhuǎn)化為頻率信號，單片機通過計數(shù)獲得重物的重量，此方案，可不用A/D，但需要比較復(fù)雜的小信號放大、調(diào)理電路，并且LM331外圍電路較繁瑣，參數(shù)配置相對嚴(yán)格，故未采用。方案二：采用十位AD轉(zhuǎn)換芯片TLC1543。TLC1543采用串行通信接口，具有輸入通道多，性價比高，易于和單片機接口的特點

27、，可廣泛用于各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。故采用此方案3。2.4.2 主控制器模塊方案選型根據(jù)本設(shè)計與主控制系統(tǒng)的功能要求，以及性價比的最大化這里選用51單片機。而且以單片機為主控制器的設(shè)計，可以容易地將計算機技術(shù)和測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新型的只需要改變軟件程序就可以更新?lián)Q代的“智能化測量控制系統(tǒng)”。2.4.3 數(shù)據(jù)顯示模塊方案選型本設(shè)計只需要顯示出所稱實物的實際重量，由于LED耗電省、使用壽命長、成本低、亮度高等優(yōu)點，再加上驅(qū)動簡單，容易利用單片機對其進行控制和編程等特點4,選用LED顯示。2.4.4 報警模塊方案選型報警電路只在實物超出人為設(shè)定的值時，才被單片機驅(qū)動。在這就是對使用者有個提醒作用

28、，人為使用普通的聲光報警就可以。我們選用發(fā)光二極管來設(shè)計報警電路。2.5本章小結(jié)本章主要是闡述系統(tǒng)的總體框圖和電子秤的基本工作原理。對電子秤的主控設(shè)計進行了一定的描述，在本章中對各模大模塊的方案設(shè)計進行了比較與篩選，并且為各方案的選型做了一一的講解，最終確定選型結(jié)果，完成方案設(shè)計。78第3章 硬件方案選擇第3章 硬件方案選擇3.1控制器部分本設(shè)計由于要求必須使用單片機作為系統(tǒng)的主控制器,而且以單片機為主控制器的設(shè)計，可以容易地將計算機技術(shù)和測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新型的只需要改變軟件程序就可以更新?lián)Q代的“智能化測量控制系統(tǒng)”。這種新型的智能儀表在測量過程自動化、測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理以及功能的

29、多樣化方面，都取得了巨大的進展。再則由于系統(tǒng)沒有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，又考慮到本設(shè)計中程序部分比較大，根據(jù)總體方案設(shè)計的分析，設(shè)計這樣一個簡單的的系統(tǒng)，可以選用帶EPROM的單片機，由于應(yīng)用程序不大，應(yīng)用程序直接存儲在片內(nèi)，不用在外部擴展存儲器，這樣電路也可簡化。INTEL公司的8051和8751都可使用，在這里選用ATMENL生產(chǎn)的AT89SXX系列單片機。AT89SXX系列與MCS-51相比有兩大優(yōu)勢：第一，片內(nèi)存儲器采用閃速存儲器，使程序?qū)懭敫臃奖?；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整個硬件電路體積更小。此外價格低廉、性能比較穩(wěn)定的MCPU，具有8K×8ROM、256×8R

30、AM、2個16位定時計數(shù)器、4個8位I/O接口。這些配置能夠很好地實現(xiàn)本儀器的測量和控制要求最后我們最終選擇了AT89S51這個比較常用的單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求。AT89S51內(nèi)部帶有8KB的程序存儲器，基本上已經(jīng)能夠滿足我們的需要5。3.2 數(shù)據(jù)采集部分3.2.1 傳感器傳感器的作用是人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。 傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文

31、物保護等等極其之泛的領(lǐng)域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器6。 傳感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個不含時間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、漂移等。傳感器動態(tài)特性是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)來表示。這是

32、因為傳感器對標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)容易用實驗方法求得，并且它對標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)與它對任意輸入信號的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示7。壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)。壓力傳感器工作原理：將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性元件特定表面上，當(dāng)力、扭矩、速度、加速度及流量等物理量作用于彈性元件時，會導(dǎo)致元件應(yīng)力和應(yīng)變的變化，進而引起電阻應(yīng)變片電阻的變化。電

33、阻的變化經(jīng)電路處理后的以電信號的方式輸出，這就是電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理。傳感器量程的計算公式是在充分考慮到影響秤體的各個因素后，經(jīng)過大量的實驗而確定的。其公式如下：CK0×K1×K2×K3×(WmaxW)/N （3.1）C單個傳感器的額定量程；W秤體自重；Wmax被稱物體凈重的最大值；N秤體所采用支撐點的數(shù)量；K0保險系數(shù)，一般取值在1.21.3之間；K1沖擊系數(shù)；K2秤體的重心偏移系數(shù)；K3風(fēng)壓系數(shù)。本設(shè)計要求稱重范圍05kg，重量誤差不大于0.01kg，根據(jù)傳感器量程計算公式（3.1）可知： C1.25×1×1.03×

34、;1×（201.9）19.01205 (3.2)為保證電子秤稱量結(jié)果的準(zhǔn)確度，克服傳感器在低量程段線性度差的缺點。傳感器的量程應(yīng)根據(jù)皮帶秤的最大流量來選擇。在實際工中，要求稱重傳感器的有效量程在20%80%之間，線性好，精度高。重量誤差應(yīng)控制在±0.01Kg，又考慮到秤臺自重、振動和沖擊分量，還要避免超重損壞傳感器，根據(jù)式3.1的計算結(jié)果，所以我們確定傳感器的額定載荷為7.5Kg，允許過載為150%F.S，精度為0.05%，最大量程時誤差0.01kg，可以滿足本系統(tǒng)的精度要求。綜合考慮,本設(shè)計采用SP20C-G501電阻應(yīng)變式傳感器,其最大量程為7.5 Kg.稱重傳感器由組

35、合式S型梁結(jié)構(gòu)及金屬箔式應(yīng)變計構(gòu)成，具有過載保護裝置。由于惠斯登電橋具諸如抑制溫度變化的影響，抑制干擾，補償方便等優(yōu)點，所以該傳感器測量精度高、溫度特性好、工作穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛用于各種結(jié)構(gòu)的動、靜態(tài)測量及各種電子秤的一次儀表。該稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，其工作原理如圖3-1所示： 圖3-1稱重傳感器原理圖表3-2 壓力傳感器主要技術(shù)指標(biāo)準(zhǔn)確度等級 Accuracy classC3 0.02 0.03額定載荷Rated loadkg1、2.5、5、7.5、10、15靈敏度 SensitivitymV/V1.8±0.08非線性 Nonlinearity %F.S.

36、±0.02滯后 Hysteresis0.02重復(fù)性 Repeatability0.02蠕變 Creep%F.S./30min±0.02蠕變恢復(fù)creep recovery零點輸出 Zero balance%F.S.±1零點溫度系數(shù) Zero temperature coefficient%F.S./10±0.02額定輸出溫度系數(shù)Rated output temperature coefficient輸入電阻 Input resistance415445輸出電阻 Output resistance349355絕緣電阻 Insulation resistan

37、ceM5000供橋電壓 Supply voltageV12（DC/AC）溫度補償范圍 Temperature compensation range-10+50允許溫度范圍 Safe temperature range-20+60允許過負荷 Safe overload%F.S.120極限過負荷 Ultimate overload%F.S200四角誤差 Four corner error%F.S.0.03連接電纜Connect cablemm3.8×300接線方式 Method of connecting wire輸入 Input（+）: Red 輸入 Input（-）:White 輸出

38、Output（+）:Green 輸出Output（-）:Blue 屏蔽 Shield : Yellow其測量原理：用應(yīng)變片測量時，將其粘貼在彈性體上。當(dāng)彈性體受力變形時，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化8。 3.2.2放大電路選擇稱重傳感器輸出電壓振幅范圍020mV。而A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓要求為02V，因此放大環(huán)節(jié)要有100倍左右的增益。對放大環(huán)節(jié)的要求是增益可調(diào)的（70150倍），根據(jù)本設(shè)計的實際情況增益設(shè)為100倍即可，零點和增益的溫度漂移和時間漂移極小。按照輸入電壓20mV，分辨率20000碼的情況，漂移要小于1µV。由于其具有

39、極低的失調(diào)電壓的溫漂和時漂（±1µV），從而保證了放大環(huán)節(jié)對零點漂移的要求。殘余的一點漂移依靠軟件的自動零點跟蹤來徹底解決。穩(wěn)定的增益量可以保證其負反饋回路的穩(wěn)定性，并且最好選用高阻值的電阻和多圈電位器。由3.2.1中稱重傳感器的稱重原理可知，電阻應(yīng)變片組成的傳感器是把機械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成R/R，而應(yīng)變電阻的變化一般都很微小，例如傳感器的應(yīng)變片電阻值120，靈敏系數(shù) K=2，彈性體在額定載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?000，應(yīng)變電阻相對變化量為：R/R = K×= 2×1000×106 =0.002 （3.3）由式3.3可以看出電阻變化只有0.24，其電阻

40、變化率只有0.2%。這樣小的電阻變化既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路，把應(yīng)變計的R/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，但是這個電壓或電流信號很小，需要增加增益放大電路來把這個電壓或電流信號轉(zhuǎn)換成可以被A/D轉(zhuǎn)換芯片接收的信號。經(jīng)過上述的計算結(jié)果，本設(shè)計決定采用非常精確地儀表放大器LM3249。3.3本章小結(jié)本章主要是介紹傳感器的應(yīng)用與它的特性曲線，其著重介紹了壓力傳感器的稱重原理和計算過程，在本電子稱重系統(tǒng)中，采用的是SP20C-G501電阻應(yīng)變式壓力傳感器，并對其特性進行了詳細的描述，見表格3-2。根據(jù)傳感器的輸出電壓情況對放大電路進行了選擇。第4章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計第4

41、章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計4.1 AT89S51最小電路系統(tǒng)介紹4.1.1單片機芯片AT89S51介紹單片機采用MCS-51系列單片機。由ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在線系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S51為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。AT89S51具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，

42、三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。而且，它還具有一個看門狗（WDT）定時/計數(shù)器，如果程序沒有正常工作，就會強制整個系統(tǒng)復(fù)位，還可以在程序陷入死循環(huán)的時候，讓單片機復(fù)位而不用整個系統(tǒng)斷電，從而保護你的硬件電路10。AT89S51有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，片上Flash允許程

43、序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。其芯片引腳如圖4-1所示： 圖4-1AT89S51引腳圖4.1.2單片機管腳說明VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，

44、P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時

45、，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89S51的一些特殊功能口，如下表所示：表4-2 P3.0口引腳功能表P3口引腳第二功能P3.0RXD（串行口輸入）P3.1TXD（串行口輸出）P3.2INT0（外部中斷0輸入）P3.3INT1（外部中斷1輸入）P3.4T0（定時器0外部脈沖輸入）P3.5T1（定時器

46、1外部脈沖輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖輸出）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖輸出）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只

47、有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電

48、路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出11。4.1.3單片機最小電路系統(tǒng)AT89S51單片機的最小系統(tǒng)由時鐘電路、復(fù)位電路、電源電路及單片機構(gòu)成。單片機的時鐘信號用來提供單片機片內(nèi)各種操作的時間基準(zhǔn)，復(fù)位操作則使單片機的片內(nèi)電路初始化，使單片機從一種確定的初態(tài)開始運行。單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。當(dāng)MCS-5l系列單片機的復(fù)位引腳RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個機器周期以上

49、的高電平時，單片機就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和上電或開關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復(fù)位操作。上電或開關(guān)復(fù)位要求電源接通后，單片機自動復(fù)位，并且在單片機運行期間，用開關(guān)操作也能使單片機復(fù)位。單片機的復(fù)位操作使單片機進入初始化狀態(tài)，其中包括使程序計數(shù)器PC0000H，這表明程序從0000H地址單元開始執(zhí)行。系統(tǒng)復(fù)位是任何微機系統(tǒng)執(zhí)行的第一步，使整個控制芯片回到默認的硬件狀態(tài)下。51單片機的復(fù)位是由RESET引腳來控制的，此引腳與高電平相接超過24個振蕩周期后，51單片機即進入芯片內(nèi)部復(fù)位狀態(tài)，而

50、且一直在此狀態(tài)下等待，直到RESET引腳轉(zhuǎn)為低電平后，才檢查EA引腳是高電平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片內(nèi)部的程序代碼，若為低電平便會執(zhí)行外部程序12。單片機最小電路系統(tǒng)電路圖如下： 圖4-3單片機最小電路系統(tǒng)4.2信號放大電路4.2.1芯片LM324的應(yīng)用lm124、lm224和lm324引腳功能及內(nèi)部電路完全一致。lm124是軍品；lm224為工業(yè)品；而lm324為民品。由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等特點，因此他被非常廣泛的應(yīng)用在各種電路中。4.2.2芯片LM324的功能和管腳圖LM324為四運放集成電路，采用14腳雙列直插塑料封裝。內(nèi)部

51、有四個運算放大器，有相位補償電路。電路功耗很小，lm324工作電壓范圍寬，可用正電源330V，或正負雙電源±15V±15V工作。它的輸入電壓可低到地電位，而輸出電壓范圍為0Vcc。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互單獨。每一組運算放大器可用如圖所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。 LM324引腳排列見下圖4-4： 圖4-4 LM324引腳排列圖4.2.3具體電路設(shè)計 圖4-5放大器電路設(shè)計圖該電路采取的是反相放大，在該電路系統(tǒng)中，由傳感器輸出020mv的模擬電壓，但由于無相應(yīng)的傳感器遂用電位器來代替輸出電壓。該放大器將模擬電壓放大后輸入到AD轉(zhuǎn)換器中，進行轉(zhuǎn)換。4.3信號轉(zhuǎn)換電路4.3.1芯片TLC1543的應(yīng)用TLC1543主要用于信號采集中的模數(shù)轉(zhuǎn)換，僅能輸入正電壓。4.3.2芯片TLC1543功能介紹、引腳說明TLC1543采用串行通信接口，具有輸入通道多，性價易于和單片機接口的特點，可廣泛用于各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。TLC1543為20腳DIP裝的CMOS10