基于51單片機的稱重儀設計

1、 稱重儀的設計物理與機電工程學院專業(yè)電子信息工程200402108饒憲指導老師：任志山老師摘要本系統(tǒng)采用單片機AT89C51為控制核心，實現(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)部分主要是實現(xiàn)數(shù)碼管顯示及鍵盤控制，數(shù)據(jù)采集部分由稱重彳義模擬器、信號的前級處理（采用儀表放大器INA121）和雙積分A/D轉換部分組成。由于稱重儀設計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的雙積分A/D轉換器MC14433。關鍵詞單片機最小系統(tǒng)；微弱信號；雙積分AD轉換；儀表放大引言稱重儀是電子衡器的一種，電子衡器是自動

2、化稱重控制和貿易計量的重要手段,對加強企業(yè)管理、嚴格生產、貿易結算、交通運輸、港口計量和科學研究都起到了重要作用。電子衡器具有反應速度快、測量范圍廣、應用面廣、結構簡單、使用操作方便、信號遠傳便于計算機控制等特點，被廣泛應用于煤炭、石油、化工、電力、輕工、冶金、礦山、交通運輸、港口建筑機械制造和國防等各個領域。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。為了具備這一性能，市場上的電子衡器的電路普遍較復雜，相對地，成本也較高。而本產品電路簡單，成本低，抗工頻干擾強，具有很好的推廣價值。設計要求與系統(tǒng)設計方案1.1設計要求簡述此次的設

3、計要求如下：設計一稱重儀，對模擬器輸出的微弱信號(012mV)進行前級放大處理,再以較小的失真、誤差來進行A/D轉換，并要求具備較強的抗工頻干擾能力。最后利用單片機AT89C51對數(shù)字信號進行處理，控制數(shù)碼管顯示等。要求浮動誤差在02.00%之內，顯示值與輸入信號值比值在1.551.75之內。1.2系統(tǒng)總體設計輸入信號送入前級放大器放大，再經(jīng)過A/D轉換器轉換成BCD碼，然后把BCD碼送入單片機AT89C51中進行處理，最后把數(shù)據(jù)送出數(shù)碼管顯示。圖1-1系統(tǒng)總體設計2、各電路模塊設計方案的選擇電源模塊放大模塊與A/D轉換模塊需要正負電源，且要求電源具有穩(wěn)定性。方案一：采用MC7812（正壓）M

4、C7912MC（負壓）構成的的12V穩(wěn)壓電源。但其不可調，不能滿足所需要的正負5V電源的要求。方案二：采用自制電源，可調式三端集成穩(wěn)壓器是輸出電壓可以連續(xù)調節(jié)的穩(wěn)壓器，有輸出正電壓的CW317系列（LM317）三端穩(wěn)壓器；有輸出負電壓的CW337系列（LM337）三端穩(wěn)壓器。自制電源輸出電壓的可調范圍為Uo=-1212V，滿足要求。放大模塊由于壓力傳感器輸出的電壓信號為毫伏級，所以對運算放大器精度的要求很高。方案一：高精度低漂移運算放大器構成差動放大器。差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點，圖2-1OP07構成的差動放大器電阻R1、R2電容C1、C2、C3、C4用于濾除前級的噪聲，C1、C2

5、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。其內部結構圖如圖2-2所示：圖2-2INA121內部結構圖INA121是TexesInstrumentsBB公司生產的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構成的電路簡單，元器件少，成本較低。2.3A/D轉換模塊方案一：采用8位A/D轉換器ADC0809

6、。ADC0809是逐次逼近式A/D轉換期，雙列直插式，最快的轉換速度為100us，其引腳圖如圖2-3所示。叫128一1%IN4-227INj326-IN.叫f425ADDA叫一524ADDBSTART623ADDCEOC一7ADC22ALE珂一8080921鉀(MSB)QE920一牡CLK10192J111824REF(+)1217(lsbGND1316REF(-)2門一1415計圖2-3ADC0809引腳圖它由8路模擬開關，8位A/D轉換器，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轉換器。雙積分型A/D轉換器具有很強的抗工頻干擾能力。對正負對

7、稱的工頻干擾信號積分為零，所以對50HZ的工頻干擾抑制能力較強，對高于工頻干擾(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，對輸出就不產生影響。尤其對本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號，很容易受到工頻信號的影響。故而采用雙積分型A/D轉換器可大大降低對濾波電路的要求。作為電子秤，系統(tǒng)對AD的轉換速度要求并不高，精度上11位的AD足以滿足要求。另外雙積分型A/D轉換器較強的抗干擾能力，和精確的差分輸入，低廉的價格。綜合的分析其優(yōu)點和缺點，我最終選擇了MC14433?？刂颇K方案一：采用cpld(復雜可編程邏輯電路)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

8、/O引腳，、使用方便靈活，不但可實現(xiàn)常規(guī)的邏輯器件功能，還可實現(xiàn)復雜的時序邏輯功能，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可作為實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能，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、調試，易于進行功能擴展0fpga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)模實時系統(tǒng)的控制核心。但由于設計的是擺錘運動控制，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，同時芯片的引腳多使實物硬件電路板布線復雜，加重了電路設計的實際焊

9、接的工作，降低了pcB板的靈活性。方案二：采用普通單片機控制，如8位的51單片機AT89C51oAT89C51是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含4kbytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內置功能強大的微型計算機的AT89C51提供了高性價比的解決AT89C51是一個低功耗高性能單片機，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，同時內含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工

10、串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。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ASCII碼字符，采用CMOS工藝低功耗,內置KS0066驅動器，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)碼管顯示，LED能顯示數(shù)字和一些基本的字母，簡單易用，把

11、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。各個模塊的最終方案經(jīng)過仔細的分析和比較、實際模擬和理論論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下：電源模塊：采用自制可調式三端集成穩(wěn)壓電源；放大模塊：采用儀表放大器INA121；A/D轉換模塊：采用雙積分A/D轉換器MC14433；控制模塊：采用單片機AT89C51；顯示模塊：采用七段LED數(shù)碼管；系統(tǒng)硬件設計和實現(xiàn)3.1前級放大模塊儀表放大器INA121構成的放大器及濾波電路如圖3-1所示:通過調節(jié)R3的阻值來改變放大倍數(shù)。微弱信號V和V+被分別放大后從INA121的第6腳輸出。雙積分A/D轉換器MC14433的輸入電壓變

12、化范圍是-2V+2V,稱重儀模擬器的輸出電壓信號在012mv左右，因此放大器的放大倍數(shù)在100200左右，可將R3接成1K的滑動變阻器，從而改變其放大倍數(shù)。由于輸入信號為直流電壓，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）。A/D轉換模塊MC14433是美國Motorola公司推出的單片31/2位A/D轉換器，其中集成了雙積分式A/D轉換器所有的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，并且具有自動校零和自動極性轉換功能，只要外接少量的阻容件即可構成一個完整的A/D轉換器，其主要功能特性如下：精

13、度：讀數(shù)的0.05%1字模擬電壓輸入量程：1.999V和199.9mV兩檔轉換速率：2-25次/s輸入阻抗：大于1000MQ電源電壓：4.8V8V功耗：8mW（5V電源電壓時，典型值）采用字位動態(tài)掃描BCD碼輸出方式，即千、百、十、個位BCD碼分時在Q0Q3輪流輸出，同時在DS1DS4端輸出同步字位選通脈沖，很方便實現(xiàn)LED的動態(tài)顯示。MC14433的內部結構圖如圖3-2所示:圖3-2MC14433內部結構圖模擬電路部分有基準電壓，模擬電壓輸入。模擬輸入電壓量程為199.9MV或1.9999V兩種，對應的基準電壓為+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，時鐘

14、，極性判別，溢出檢測等電路組成。才用字位動態(tài)掃描BCD碼輸出方式，即千，百，十，個位BCD碼輪流在Q0Q3端輸出。同時，在DS1DS4出現(xiàn)同步字位選通信號。由于MC14433的A/D轉換結果是動態(tài)分時輸出的BCD碼，所以，Q0Q3和DS1DS4可以通過8051單片機的并行口P1或通過擴展I/O電路與其相連。MC14433與8051單片機的P2口相連的電路如圖3-3所示；+5VR114O.liiF5tt5689101617181920+5irC3卜0.U211Fi|Gi-IDMC14433O.liiF123斗5678MC1403圖3-3MC14433與單片機連接圖該電路采用查詢方式管理MC144

15、33的操作。由于引腳EOC與DU連接在一起，所以MC14433能自動轉換。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較簡單，故采用單片機最小系統(tǒng)。單片機最小系統(tǒng)，是指在盡可能少的外部電路的條件下，形成一個可以獨立工作的單片機系統(tǒng)。圖3-4是單片機最小系統(tǒng)的原理圖。實現(xiàn)以下功能：處理重量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)重量的顯示，控制數(shù)碼管的顯示。1234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225FUTHKD4Z32024ZQz91offll71151731hQuoMUL98765yj+1-DuOEHh5AKQuoAKQuoQuoQuoQuoRM417Q6Q盯5QKLC

16、4Q53QU2Q1-1Q1B-0Q|L|A丨RMKLC7Q6Q5Q4Q3Q2QIQB-3-2-65-43113IT-4310Hofedcbeofedcba417 圖3-5系統(tǒng)硬件總電路圖4.系統(tǒng)軟件設計和實現(xiàn)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5.系統(tǒng)測試為了確定系統(tǒng)是否達到要求，并測試系統(tǒng)的基本參數(shù)，對系統(tǒng)的顯示及放大倍數(shù)進行了實際的測試。5.1測試儀器序號儀器名稱儀器型號用途備注1穩(wěn)壓電源供電自制251/2數(shù)位臺式自動量程真有效值數(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模擬信號發(fā)生器輸出(0-

17、12mV)微弱信號指標測試放大模塊的參數(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浮動，但總體上達到了要求.顯示與輸出的參數(shù)測試見表5-1.表5-1:測試次數(shù)第一次第二次第三次第四次第五次MiniMax1Min2Max2Min3Max3Min4Max4Min5Max5數(shù)碼管顯示值(噸)4.935.0314.3914.6615.6815.8517.5417.8418.

18、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二噸/mv1.5871.6131.6991.7301.7301.7201.6771.6821.6791.684顯示浮動最大誤差(max-min)/min2.02%1.87%1.08%1.70%1.14%分析系統(tǒng)能準確地顯示重量,浮動誤差在02.00%之內，顯示值與輸入信號值比值在1.551.75之內?；具_到了設計要求。通過研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)浮動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。由于實驗室不能提供較高精度的電容，所以本系統(tǒng)的精

19、度只限于目前的程度。改進方案：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)的精度及減少浮動誤差。結束語此次系統(tǒng)以單片機AT89C51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A/D轉換器,把轉換后的BCD碼送入AT89C51中進行數(shù)據(jù)處理,最后在數(shù)碼管上顯示.系統(tǒng)的精度基本達到了要求。由于實驗室提供的電容精度不夠高，導致系統(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。致謝語在設計期間，遇到了種種困難，但是在任老師的精心指導下，各種問題都得到了很好的解決，同時還有同學們的熱心幫助，在此我表示誠摯的謝意。參考文獻趙總社.關于電子

20、秤的工作原理與應用J科技信息，2007,(01)楊曉麗，陳晴.電子稱重儀的精度分析J.自動化儀表,2000,(02).胡漢才.單片機原理及系統(tǒng)設計M.北京：清華大學出版社，2002.5王亞平.電子秤的抗干擾技術J.石油化工自動化，2006,(03)顧瑞良.電子衡器的分類及其發(fā)展動向J.自動化儀表,2000,(03)張宏偉.印制電路板的抗干擾性設計J.南陽師范學院學報，2004,(6)楊東海.國內外電子秤的發(fā)展趨向及幾點看法J.水利電力機械，1986,(06)王盛奎，紀尚安，吳賀榮.小型電子秤電路的研究J.儀表技術，1999,(06)何立民.單片機應用技術選編M.北京：北京航空航天大學出版社，1

21、998.10黃智偉，王彥，陳文光等.全國大學生電子設計競賽訓練教程M.電子工業(yè)出版社.2005年BURR-BROWN公司芯片手冊全國大學生電子設計競賽組委會.第六屆全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編M.北京理工大學出版社，2005年劉九卿.電子稱重技術的發(fā)展動向J.衡器，199&(02). MOVA,P2 附表1主要元件清單序號元件型號元件名數(shù)量備注1AT89C51單片機12MC14433雙積分AD轉換器13MC1403基準電壓14INA121儀表放大器15數(shù)碼管4附錄一:主要元氣件清單附錄二:org0000hljmpmainorg0020hmain:lcallservezbcd:mova,2

22、0h;千位放入R1anla,#10hmov40h,#04hzhyi1:rradjnz40h,zhyi1movr1,amova,20h;百位放入R2anla,#0fhmovr2,amova,21h;十位放入R3anla,#0f0hmov40h,#04hzhyi2:rradjnz40h,zhyi2movr3,amova,21h;個位放入R4anla,#0fhmovr4,alcallzdgshlcallYANSHIlcallYANSHIsjmpmain*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*

23、x*x*x*x*x*x*;最高位為0時不顯示*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*zdgsh:cjner1,#00h,dsplay;最高位為0,不顯示movr1,#0ah;數(shù)碼管暗cjner2,#00h,dsplaymovr2,#0ahcjner3,#00h,dsplaymovr3,#0ahcjner4,#00h,dsplaymovr4,#0ah*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*;顯示子程序*X*X*X*X*X*X*X*

24、X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*dsplay:MOVMOVLED:MOVMOVMOVCSETBcjneaddTART:RLCMOVCLRSETBDJNZDECCJNERETDPTR,#TabR0,#04HR6,#08HA,R0A,A+DPTRP1.1r0,#02h,TARTa,#80hAP1.0,CP1.1P1.1R6,TARTR0R0,#00H,LED;找表首;讀數(shù)據(jù);P1.1時鐘信號;P1.0數(shù)據(jù)信號*X*X*X*X*X*X*X*X*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i

25、*i*i*;延時子程序*X*X*X*X*X*X*X*X*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*YANSHI:MOVR0,#00HLOOP15:MOVR1,#00HLOOP16:NOPDJNZR1,LOOP16DJNZR0,LOOP15RET*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*;查詢子程序*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*serve:mov

26、a,p2JNBACC.4,serve;等待DS1=1.千位選通信號JBACC.2,PP1SETB07HAJMPPP2PP1:CLR07HPP2:JBACC.3,PP3SETB04HAJMPPP4PP3:CLR04HPP4:JNBACC.5,PP4;等待百位BCD碼選通信號DS2MOVR0,#20HXCHDA,R0;百位數(shù)送入20H低4位PP5:MOVA,P2JNBACC.6,PP5SWAPAINCR0MOVR0,APP6:MOVA,P2JNBACC.7,PP6XCHDA,R0;等待十位選通信號DS3;高低4位互換;指向21H單元;十位數(shù)送入21H高4位;等待個位選通信號DS4;個位數(shù)送入21H低4位RET*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*;本表為顯示數(shù)據(jù)表*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*Tab:DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,00h;0，1，2，3，4，5，6，7,8，9end # weighingmetersdesignPhysicsandMachineelectricalEngineeringColl