毕业设计论文基于51单片机的双精度电子称设计.docx

毕业设计论文基于51单片机的双精度电子称设计.docx

《毕业设计论文基于51单片机的双精度电子称设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文基于51单片机的双精度电子称设计.docx（72页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

毕业设计论文基于51单片机的双精度电子称设计

毕业设计（论文）

基于51单片机的双精度电子称设计

系别

自动化工程系

专业名称

测控技术与仪器

班级学号

学生姓名

指导教师

2012年6月15日

基于51单片机的双精度电子称设计

摘要

随着数字化技术的快速发展和应用，电子衡器称重技术同样也得到了广泛的发展和应用，各种数字化智能化的电子衡器逐渐问世，但商用电子称作为电子衡器的重要一部分，在中小型市场的智能化并没有得到普及，依然以杆秤、台秤和简易电子称为主的商用电子秤，存在着精度差、易损坏、难维修等缺陷，尤其是在进行轻微物体如茶叶、药材等的测量时误差更明显。

本文设计的双精度电子称主要以AT89S52单片机为核心，通过Proteus软件和KEIL软件实现了对电子称的功能仿真设计。

主要分为五个模块：

双精度的物体重量采集模块、单片机处理模块、键盘控制模块、数据显示模块以及软件驱动模块。

以不同压力传感器采集压力参数，经过信号处理和A/D转换送给单片机，单片机通过重量参数自动选择12位精度值或8位精度值进行运算处理，最终将键盘输入的单价值和总价值在LCD12864液晶上进行实时显示。

整个电子称系统能够智能化的实现双精度自动测量、自动报警、直观显示等功能，具有操作方便，双精度测量准确，成本低、稳定性可靠性高等特点，可以更好的应用于不同的应用场合，适应了中小型市场的需求。

关键词：

双精度电子称，单片机AT89S52，称重传感器，A/D转换，液晶显示器

Saiddesignbasedon51single-chipdouble-precisionelectronic

Author：

JinShan

Tutor：

QiShiqing

Abstract

Withtherapiddevelopmentandapplicationofdigitaltechnology,electronicweighingtechnologyhasbeendevelopedandappliedextensively.Andavarietyofintelligentdigitalelectronicweighingisemergingprogressively,butinsmallandmiddlemarket,thecommercialelectronics,whichisanimportantpartoftheelectronicweighing,isstilllimitedtothesimpleelectronicssaidsuchassteelyard,platformscalesandsimpleelectronics.Alltheseareknownasthemaincommercialelectronicscales,buttheexistenceofaccuracy,easilydamage,anddifficulttorepairdefectsalsoaffectitself.Especiallyduringweighingsomeminorobjectssuchastea,medicinalherbs,mistakesiseasytoappearancethroughmeasuring.

Thispaper,thedesignofthedouble-precisionelectronicusingmicrocontrollerAT89S52asthecore,achievethesimulationcapabilitiesofelectronicdesignbyusingProteusSoftwareandKEILsoftware.Nowdividingthispaperintofivemainmodules:

howtocollecttheweightoftheobjectwiththisdouble-precisionelectronicsaidmodule,howtodealwiththedatathroughsingle-chipmachine,howtocontrolkeyboardmodule,thedisplaymoduleandhowtodrivesoftwaremodule.Fristly,usedifferentpressuresensortoacquirepressureparameters.SecondlythesignalprocessorandA/Dconversionworkoutthedata,finallygiventotheMCU.ThridlyaccordingtothedataabovetheMCUwillautomaticallyselectwhetherthe12precisionvalues​​or8precisionvaluecomputingprocessor.UltimatelytheinputthroughthekeyboardwillbeshowedontheLCD12864real-timedisplay.Theentireelectronicsystemcanintelligentlyaccomplishdouble-precisionmeasurementautomatically,automaticalarm,visualdisplay,atthesametime,it’seasytooperate,accuratemeasurement,lowcost,stabilityandhighreliability.Basedontheintroductionabove,itcanbeusedindifferentapplicationsoccasions,anditcanadapttotheneedsofsmallandmedium-sizedmarket.

KeyWords:

Double-precisionelectronic,AT89S52,Loadsensor,A/Dconverter,LCDdisplay

1绪论

1.1课题研究背景

电子衡器称重技术是现代称重技术和控制系统工程的重要基础之一，自50年代中期电子技术渗入到衡器的辅助测量装置，60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过40多年的不断改进和完善，从最初的机电结合型发展到现在全电子型和数字化智能型，电子衡器称重技术经历了长远的发展，其便于与电子计算机结合而实现称重计量与过程控制自动化的特点，在工商贸易、能源交通、冶金矿山、轻工食品、医药卫生、航天航空等部门得到了广泛的应用。

而衡器作为国家法定计量器具，自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备。

电子衡器作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，不仅是提供重量数据的单体仪表，而且推进了工业生产的自动化和管理的现代化，它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。

因此衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。

商用电子称作为电子衡器产品的一部分，随着电子衡器技术的发展，也同样在技术装备和检测试验手段上达到了国际90年代中期的水平，从机械称到机电称再到电子称在称重装置智能化的道路上取得长足的进步，但就总体而言，我国商用电子称产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、价格昂贵、稳定性和可靠性较差等。

这些缺陷在中小市场上尤显不足，因此大部分产品还都是相对比较简易的杆秤或是操作简便的电子秤，这些称重仪器在进行粗精度测量时还可以满足要求，但要进行高精度的称量，比如药材、茶叶等微量商品时，往往无法满足要求，因此研发一种多精度简易的电子商用称将具有很大的研究意义和研究价值。

1.2电子衡器的研究现状

1.2.1国内外发展情况

从国际上看，随着二十世纪战后的经济繁华，为了把称重技术引入到生产工艺过程中去，对称重技术提出了新的要求，希望称重过程自动化，为此电子技术渗入衡器制造业。

在1954年使用了带新式打印机的倾斜式称，其输出信号能控制商用结算器，并且用电磁铁机构与人工操作的按键与办公机器联用。

在1960年开发出了与衡器相联的专门称重值打印机。

当时带电子装置的衡器其称重工作是机械式的，但与称重有关的显示、记录、远传式控制器等功能是电子方式的。

电子称的发展过程与其他事物一样，也经历了由简单到复杂、由粗糙到精密、由机械到机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。

特别是近30年以来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重以及产品质量的检测等工作，都离不开输出信号的电子衡器。

这是由于电子衡器不仅给出质量或重量信号，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制盒检验功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。

近年来电子称已成为工艺技术、储运技术、顶包装技术、收货业务及商业销售领域中不可或缺的组成部分。

随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子称的发展奠定了基础，国外如美国、西欧等一些国家在20世纪60年代就出现了0.1%称量准确度的电子称，并在70年代中期约对75%的机械进行了机电结合式改造。

回首国内，我国的衡器在20世纪40年代以前还全是机械式的，40年代开始发展了机电结合式的衡器。

50年代开始出现了以称重传感器为主的电子衡器。

80年代以来，我国通过自行研究引进消化吸收和技术改造。

已由传统机械式衡器步入集传感器、微电子技术、计算机技术与一体化的电子衡器发展阶段。

目前，由于电子衡器具有称量快、读数方便、能在恶劣条件下工作、便于与计算机技术结合而实现称重技术和过程控制的自动化特点，已被广泛应用于工矿企业、能源交通、商业贸易和科学技术等各个部门，但商用电子称在国内的发展，并没有像其他功用的电子秤一样取得飞速的发展，只有在部分大型超市可以看到多功能电子称的运用，但其造价高操作复杂，无法在中小市场得到广泛的推广应用，中小市场仍然依赖于传统的杆秤和简易的低精度电子称，但随着电子技术的不断发展，以及衡器工艺技术的不断完善，更多品种的的电子称研发必然会推动中小市场电子秤的改进。

1.2.2电子称的发展方向

电子称的发展动向为：

小型化、模块化、智能化、集成化；其技术性能趋向于速率高、准确度高、可靠性高；其应用性趋向于综合性、组合性；而且更需要向多种功能的方向发展。

目前电子称的附加功能主要有以下几种：

（1）具有皮重、净重显示、语音播报等功能呢。

电子称部分已具备了动态称量模式，即通过进行算术平均、积分处理和自动调零等方法，消除上述的误差；

（2）电子称附加了计算机信息补偿处理装置，可以进行自诊断、自校正和多种补偿计算和处理；

（3）附加单价总额计算功能。

目前的电子称有附加多种计算和数据额处理功能，以满足多种使用的要求。

1.3课题的研究意义

今后，随着电子高科技的快速发展，电子称重技术也定将日新月异。

功能更加齐全的高精度的先进电子称将会不断问世，其应用范围也会更加广阔。

从实际情况看来，目前中小型市场上使用的称量工具，主要还是以杆秤、台秤、小型简易电子称为主，操作简单但精度比较低，而且调整时间长，运行不可靠，易损件多，维修困难，能源消耗大，生产成本比较高。

这些特点导致了中小型市场上电子称产品的整体水平偏低，产品质量在低水平徘徊。

在这些中小型市场，称重仪器选择的局限性，已逐渐无法满足越来越走向现代化的需求，对电子称的要求不仅仅要简便而且要更公平更合理，对精度不仅有要求，对功能也有更多的期望，电子称不仅要称量较重物体，还能够更精确的称量较轻的物体，比如茶叶和药材等，要求精度更高，称量更准确。

双精度电子称便是基于此而提出的研发课题，不仅能够自动切换精度进行测量不同物体，还能够克服上述诸多缺点，实现操作简易、维修容易、调整时间短、不易损坏等特点，还具有较大的实用价值。

1.4本文的设计思路

随着微控制器技术、传感器技术的发展和计算机技术的广泛应用，电子产品的更新速度达到了日新月异的地步。

本系统在设计过程中，除了能实现系统的基本功能外，设计两个称重电路以对应不同精度、不同承重范围的物品，还增加了超重提示功能，在连接电路图时，选用尽量少的管脚来实现设计的全部功能，这样方便以后的功能拓展，比如可以实现和其他机器或设备（包括上位PC机和数据存储设备）交换数据。

除此之外，系统的微控制器部分选择了兼容性比较好的AT89系列单片机，在系统更新换代的时候，只需要增加很少的硬件电路，甚至仅仅删改系统控制程序就能够实现。

电子秤不仅要向高精度、高可靠方向发展，而且更需向多种功能的方向发展。

据悉,目前电子秤的附加功能主要有这些方面：

电子秤附加了计算机信息补偿处理装置，可以进行自诊断、自校正和多种补偿计算和处理；具有皮重、净重显示等特种功能。

电子秤有些已具备了动态称量模式,即通过进行算术平均、积分处理和自动调零等方法,消除上述的误差；附加特殊的数据处理功能。

目前的电子秤有附加多种计算和数据处理功能,以满足多种使用的要求。

另外由于实际应用当中，称重器可以有一定量的过载，但不能超出要求的范围，系统自动零显示，提示出错。

综上所述,本课题的主要设计思路是：

利用压力传感器采集因压力变化产生的电压信号，经过电压放大电路放大，然后再经过模数转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机。

单片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的重量及总额，然后再显示出来。

此外，还可通过键盘设定所称物品的价格。

本文主要主要以下几个方面的工作：

（1）详细讲解了称重器工作原理。

（2）对称重器系统进行总体方案的设计。

（3）对于称重器的硬件系统，重点介绍关于精度、转换速率的压力传感器和A/D转换模块器件的选取。

（4）对于称重器的软件系统，通过解说LCD液晶显示的使用及键盘的工作原理，对于主程序的编写与调试提供重要的依据。

（5）依据称重系统的总电路，通过Keil软件C语言编程和Proteus仿真，实现模拟的称重显示。

（6）对称重系统的测量值与显示值的差值，进行系统的调试与误差校正。

主要技术指标为：

称量范围0～10Kg;分度值0.01kg;精度等级Ⅲ级;电源DC1.5V（一节5号电池供电）。

这种高精度智能电子秤体积小、计量准确、携带方便,集重量称量功能与价格计算功能于一体,能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。

图1.1设计思路框图

2系统方案论证与硬件选型

2.1系统总体设计方案的比较与论证

在设计系统时，针对各个模块实现的功能来设计电子秤的方案有以下几种：

方案一数码管显示。

结构如图2.1所示：

图2.1数码管显示方案

此方案利用数码管显示物体重量，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机。

此设计的硬件部分简单，接口电路易于实现，并且在编程时大大减少程序量，在电路结构上只有简单的输出输入关系。

缺点是：

硬件部分简单，虽然可以实现电子称基本的称重功能，但是不能实现外部数据的输入，无法实时地设定各种控制参数。

由于数码管只能实现简单的数字和英文字符的显示，不能显示汉字以及其他的复杂字符，不能达到显示购物清单的要求。

又因为采用了具有模数转换功能的单片机，系统电路过于简单，系统硬件的扩展必受到限制，电子秤的功能过于单一，达不到设计的标准。

方案二在前一种方案的基础上进行扩展，增加一键盘输入装置，增加外界对单片机内部的数据设定，使电子称实现称重计价的功能。

结构简图如图2.2所示：

图2.2带有键盘输入的结构简图

此方案设计的电子秤，可以实现称物计价功能，但是局限于数码管的功能，在显示时只能显示单价、购物总额以及简单的货物代码等。

在显示重量时，如果数码管没有足够的位数，那么称量物体重量的精度必受到限制，所以此方案需要较多的数码管接入电路中。

这样在处理输入输出接口时需要另行扩展足够多的I/O接口供数码管使用，比较麻烦。

方案三前端信号处理时，选用放大、信号转换等措施，尤其在显示方面采用具有字符图文显示功能的LCD显示器。

这种方案不仅加强了人机交换的能力，而且满足设计要求，可以显示购物清单、所称量的物体信息等相关内容。

结构简图如图2.3所示:

图2.3LCD显示的方案

目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出被测物体的重量。

单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点。

但其缺点是外围电路比较复杂,编程复杂。

使用这种方案会给系统设计带来一定的难度。

方案四采用以现场可编程门阵列（FPGA）为控制核心，利用EDA软件编程，下载烧制实现。

系统集成于一片Xilinx公司的SpartanⅡ系列XC2S100E芯片上，体积大大减小、逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点，可实现大规模和超大规模的集成电路。

采用FPGA测频测量精度高，测量频率范围大，而且编程灵活、调试方便，设计要求的精度较高，所以要求系统的稳定性要好，抗干扰能力要强。

从下图中可以看到系统的基本工作流程和各单元电路所用到的核心器件。

其中控制器采用Xilinx公司可编程器件FPGA为核心，基于ISE软件平台，采用VHDL编程实现数据处理、LED和LCD驱动、时钟芯片的I2C通讯、键盘控制等模块。

结构简图如图2.4所示：

图2.4电子称系统的组成结构图

FPGA的逻辑容量密度大，集成度高，可大大减少印刷电路板的空间，减低系统功耗，同时还可以提高设计的工艺性和产品的可靠性。

虽然以FPGA为核心的电子称系统很优化，但只有在大规模和超大规模集成电路中其高集成度才能更好得以体现。

其主要在PC机接口卡的总线接口、程控交换机的信号处理与接口、雷达声纳系统的成像控制与数字处理、数控机床的测试系统等方面有广泛应用。

鉴于本电子称的设计并不太复杂，单片机完全能实现所需功能，所以在具体设计时，采用了第三种设计方案。

2.2硬件方案设计与论证

2.2.1CPU的选择方案

本文基于以单片机为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。

这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。

再则由于系统没有其它高标准的要求，又考虑到本设计中程序部分比较大，根据总体方案设计的分析，设计这样一个简单的的系统，可以选用带EPROM的单片机，由于应用程序不大，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展存储器，这样电路也可简化。

INTEL公司的8051和8751都可使用，在这里选用ATMENL生产的AT89SXX系列单片机。

AT89SXX系列与MCS-51相比有两大优势：

第一，片内存储器采用闪速存储器，使程序写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路体积更小。

此外价格低廉、性能比较稳定的MCPU，具有8K×8ROM、256×8RAM、2个16位定时计数器、4个8位I/O接口。

这些配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求。

最后我们最终选择了AT89S52这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。

AT89S52内部带有8KB的程序存储器，基本上已经能够满足我们的需要。

2.2.2传感器的选择

传感器的定义：

能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

通常传感器由敏感元件和转换元件组成。

其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。

现代科技的快速发展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理，而传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知获取与检测信息的窗口；传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号。

称重传感器是力传感器当中一个重要的品种,实际应用及其广泛.称重传感器中最多的是电阻应变式称重,应变片是称重传感器的核心单元,弹性体是基础组成部分.称重传感器按结构类型分主要有S行双连孔式传感器,柱式传感器,轮辐式与桥式传感,柱环式传感器,剪切梁式传感器和单S梁式传感器.S行双连孔式传感器量程范围一般在2Kg到500Kg,这种类型称重传感器抗偏，抗侧能力较强。

柱式传感器的测量范围都很大，一般最大可以达到几百吨，它刚性好，抗过载能力强，加工也简单，重量也比较轻。

轮辐式传感器由于结构的对称性，所以能够承受大的侧向力，由于它有较大的滞后误差，很多场合都被桥式传感器所取代。

桥式传感器的弹性体形状象桥，因此得得名。

桥式传感器精度高，标定方便，普遍应用于汽车秤跟平台秤等多个场合。

柱环式传感器由于本身的结构特性目前大多仅用于测量拉力，其精度一般在0.03到0.05之间。

剪切梁式传感器运用剪切原理制作而成，精度跟稳定性都很高，一般都不需要要线性补偿都能达到要求。

它不受测力点变化的影响。

测量范围在几十千克的场合一般选用单S梁式传感器，它不适合在振动大的时候使用。

称重传感器在选用过程中一般要考虑以下问题：

（1）安装要求，有些场合就直适合某种特定的称重传感器。

（2）使用环境条件，如需密封、防爆等。

（3）传感器的精度等级。

精度等级通常由弹性体结构决定，以及处理过程中是否有线性补偿。

（4）传感器的量程范围。

估算被测物体的最大重量在多少，要想获得较准备的测量数值一般选择的量程是被测体最大重量的2到2.5倍。

（5）传感器使用过程受温度影响的特性和蠕变特性

经过查询资料对比，适合本设计的可以用L-PSIII型传感器，最大量程为20Kg，精度为0.01%，满量程时误差为0.002Kg；也可以采用SP20C-G501电阻应变式传感器,其最大量程为7.5Kg，精度为0.05%，满量程时误差为0.01Kg。

在称重0～2Kg的物体时，选用L-PSIII型传感器组成点称重电路，由于L-PSIII型传感器精度高，具有过载保护装置。

在称重2Kg～10Kg的物体时，选用SP20C-G501电阻应变传感器组成的称重电路，由于SP20C-G501由组合式S型梁结构及金属箔式应变计构成，同样具有过载保护装置。

考虑到惠斯登电桥具有诸如抑制温度变化的影响，抑制干扰，补偿方便等优点，两种电路中的传感器电路均采用惠斯登电桥设计，所以两种传感器在测量不同重量的物体时，均使得测量达到精度高、温度特性好、工作稳定等优势，广泛用于各种结构的动、静态测量及各种电子秤的一次仪表。

SP20C-G501称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，其工作原理如图2.5所示：

图2.5传感器工作原理图

其工作原理：

用应变片测量时，将其粘贴在弹性体上。

当弹性体受力变形时，应变片的的敏感栅也随之变形，其阻值发生相应的变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。

由于内部线路采用惠更斯电桥，当弹