称重显示控制课程设计.docx
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称重显示控制课程设计
烟台南山学院
自动化工程学院
单片机课程设计
08电气工程03班
姓名:
张增亮
2010/12/14
单片机课程设计任务书
一、基本情况
学时：
2周学分：
2学分适应班级：
08电气工程3、4班
二、课程设计的意义、性质、目标、要求
1．意义
课程设计是单片机课程教学的最后一个环节，是对学生进行全面的系统的训练。
进行课程设计可以让学生把学过的比较零碎的知识系统化，真正的能够把学过的知识落到实处，能够开发简单的系统，也进一步激发了学生再深一步学习的热情，因此课程设计是必不少的，是非常必要的。
2．性质
课程设计是提高学生单片机技术应用能力以及文字总结能力的综合训练环节，是配合单片机课程内容掌握、应用得的专门性实践类课程。
3．目标
通过典型实际问题的实际，训练学生的软硬件的综合设计、调试能力以及文字组织能力，建立系统设计概念，加强工程应用思维方式的训练，同时对教学内容做一定的扩充。
4．要求
（1）课程设计的基本要求
单片机课程设计的主要内容包括：
理论设计与撰写设计报告等。
其中理论设计又包括选择总体方案，硬件系统设计、软件系统设计；硬件设计包括单元电路，选择元器件及计算参数等；软件设计包括模块化层次结构图，程序流程图。
程序设计是课程设计的关键环节，通过进一步完善程序设计，使之达到课题所要求的指标。
课程设计的最后要求是写出设计总结报告，把设计内容进行全面的总结，若有实践条件，把实践内容上升到理论高度。
（2）课程设计的教学要求
单片机课程设计的教学采用相对集中的方式进行，以班为单位全班学生集中到设计室进行。
做到实训教学课堂化，严格考勤制度，在实训期间（两周）累计旷课达到6节以上，或者迟到、早退累计达到8次以上的学生，该课程考核按不及格处理。
在实训期间需要外出查找资料，必须在指定的时间内方可外出。
课程设计的任务相对分散，每3—5名学生组成一个小组，完成一个课题的设计。
小组成员既有分工、又要协作，同一小组的成员之间可以相互探讨、协商，可以互相借鉴或参考别人的设计方法和经验。
但每个学生必须单独完成设计任务，要有完整的设计资料，独立撰写设计报告，设计报告雷同率超过50%的课程设计考核按不及格处理。
三、课程设计题目及设计过程
（一）汽车转向灯的设计
利用定时器或计数器与中断系统组成控制系统的工作原理，从而达到控制汽车在不同运行状态时各个车灯是不是闪烁，从而达到传递交通信息的作用。
（二）设计过程
1、设计要求
汽车在驾驶时有左转弯、右转弯、刹车、合紧急开关、停靠等操作。
在左转弯或右转弯时，通过转弯操作杆应使左转开关或右转开关合上，从而使左头灯、仪表板左转弯灯、左尾灯或右头灯、仪表板右转弯灯、右尾灯闪烁；合紧急开关时要求前面所述的6个信号灯全部闪烁；汽车刹车时，两个尾灯点亮；如正当转弯时刹车，则转弯时原应闪烁的信号灯仍应闪烁。
以上闪烁，都是频率为1Hz的低频闪烁；在汽车停靠而停靠开关合上时左头灯、右头灯、左尾灯、右尾灯按频率为30Hz。
的高频闪烁由上所述，各种情况作操作时，信号灯应输出信号列于表1.1。
表1.1汽车驾驶操纵与信号
驾驶操作
输出信号
仪表板左转弯灯
仪表板右转弯灯
左头灯
右头灯
左尾灯
右尾灯
左转弯（合上左转开关）
闪烁
——
闪烁
——
闪烁
——
右转弯（合上右转开关）
——
闪烁
——
闪烁
——
闪烁
合紧急开关
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
刹车（合上刹车开关）
——
——
——
——
亮
亮
左转弯时刹车
闪烁
——
闪烁
——
闪烁
亮
右转弯时刹车
——
闪烁
——
闪烁
亮
闪烁
刹车，并合紧急开关
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
亮
亮
左转弯时刹车，并合紧急开关
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
亮
右转弯时刹车，并合紧急开关
闪烁
闪烁
闪烁
闪烁
亮
闪烁
停靠（合停靠开关）
——
——
30Hz
闪烁
30Hz
闪烁
30Hz
闪烁
30Hz
闪烁
具体设计要求如下：
1、设计转向灯控制系统，其结构如图1.1所示，工作方式满足上述要求。
。
2、设计要点
（1）硬件设计：
1）单片机选用可自行选定，建议选用与8051兼容的单片机，存储器、I/O口的扩展视所选单片机与设计要求定。
2）汽车转弯灯设计5个按键控制信号灯的转向、停靠、应急等。
按键安排见下：
S1键为刹车开关；
S2键为紧急开关；
S3键为停靠开关；
S4键为左转弯开关；
S5键为右转弯开关；
（2）本系统的工作流程：
由定时器/计数器与中断系统的联合组成控制系统的工作原理。
如汽车上有一个转弯控制杆，其中有三个位置：
中间位置，汽车不转弯；向上，汽车左转；向下汽车右转。
转弯时，规定左右尾灯、左右头灯仪表板上2个指示灯相应地发出闪烁信号。
应急开关合上时，6个信号灯都应闪烁。
汽车刹车时，2个尾灯发出不闪烁信号。
如正当转弯时刹车，转弯时原应闪烁的信号仍应闪烁。
它们都是频率为1Hz低频闪烁，在汽车停靠而停靠开关合上时，左头灯、右头灯、左尾灯、右尾灯按频率为30Hz的高频闪烁。
（3）软件设计：
1）系统资源分配：
为了便于程序的设计、阅读及修改，需要先对系统的存储器资源进行分配和说明。
2）软件模块：
根据上述工作流程和设计要求，软件设计可以分为以下几个功能模块：
a．定时器功能
实际也是通过计数器来实现的，但此时的计数脉冲来自单片机的内部，也每个机器周期计数器加1
b．中断系统
单片机中断技术主要用于实时控制，在单片机上有两个引脚，即INT0、INT1。
外部的中断信号通过这两个引脚输入到单片机，和单片机的定时器一样，对中断系统的处理需要通过C51的软件编程实现
3、硬件设计
硬件设计的要求：
（1）确定元器件的型号及参数。
（2）画出硬件设计的结构框图。
（3）画出各部分电路的原理图，并说明各部分电路的工作原理设计依据；画出完整的原理图。
（4）列出元器件清单。
4、软件设计
根据设计要点，软件设计首先应对系统资源进行进行分配和说明。
为了增加程序的可读性，理清程序的编写思路，建议程序采用模块化结构。
软件设计的要求：
（1）画出整个控制系统的程序流程图。
（2）画出各功能部分的程序流程图，并能够编写相应的原程序。
四、设计报告
设计完成后，必须撰写课程设计报告。
设计报告必须独立完成，格式符合要求，文字（不含图形、程序）不少于3000字，图形绘制规范报告书用A4纸书写，装订成册。
设计报告的格式如下：
1、封面
2、内容提要（摘要）
3、目录
4、正文
（1）所作题目的意义、本人所做的工作及系统的主要功能；
（2）硬件电路设计及描述；
1）确定元器件的型号及参数。
2）画出完整的原理图。
3）列出元器件清单。
（3）软件设计流程及描述；
5、心得体会（总结）
6、参考文献
7、附录（源程序代码）
8、有关图纸
五、进度安排
单片机课程设计共安排2周，合计80学时，具体分配如下：
实习动员及准备工作：
2学时
总体方案设计：
10学时
硬件设计：
16学时
软件设计：
20学时
撰写设计报告：
12学时
答辩与总结：
8学时
教师辅导：
12学时
六、考核方法
单片机课程设计的考核方式为考查，考核结果为优秀、良好、中等、及格和不及格五等，分数在90-100之间为优秀，80-89分之间为良好，70-79分之间为中等，60-69分之间为及格，60分以下为不及格。
考核分三个方面进行：
平时表现20%；设计过程25%；设计报告40%；设计答辩15%。
有下列情形之一者，课程设计考核按不及格处理：
1、设计期间累计迟到、早退达8次；
2、设计期间累计旷课达6节；
3、设计报告雷同率超过50%或无设计报告；
4、不能完成设计任务，达不到设计要求。
七、设计题目称重显示控制仪
摘要
一台数字称重仪，实际上就是一个数据采集系统，当重物放到衡器上时，压力传感器输出响应的模拟电压信号，经过模/数转换（A/D变换）后就得到数字量D。
但是，数字量D并不是重物的实际重量值W，W需要由数字量D在显示器内部经过一系列的运算——即数据处理才能得到。
这一系列的运算——即数据处理是由装在称重系统中的微型计算机来完成的；不仅如此，称重显示器的整个工作过程也都是在微型计算机的控制下有条不紊地进行。
其中的每一个子系统都对整个系统的精度和设计的合理化起着至关重要的作用。
近年来，随着大规模集成电路的飞速发展，单片机更加广泛的应用在各种智能化仪表中，在数字称重系统中使用单片机可使系统的性能提高，成本降低，具有明显的优越性，数字称重仪具有一定的研究价值。
本设计是基于单片机的数字称重仪，它的硬件电路的设计包括单片机、A/D转换器、称重传感器、语音电路、LED显示电路、+5V稳压电源电路、单片机与PC机之间的通讯连接电路等几部分设计内容。
整个设计系统由Atmel公司生产51系列89C51单片机进行控制；专用称重传感器L-PSII-10A/D；转换器采用MAX187，它把称重传感器采集的模拟信号转换成数字信号后供单片机读取；软件实现功能开机检测，主要是开机后自动逐个扫描LED数码管，以防止某段数码管损坏造成视觉误差；出于人性化考虑我们还可以增加语音电路，实现自动语音播报重量或价格。
第1章绪论
1.1引言
在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是就用到秤，但是随着社会的进步、科学的发展，我们对其要求操作方便、易于识别。
随着计量技术和电子技术的发展，传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。
电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。
通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。
1.2选题背景和意义
称重技术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。
电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，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，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。
称重装置不仅是提供重量数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，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。
称重装置的应用已遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效益。
电子秤是称重技术中的一种新型仪表，广泛应用于各种场合。
电子秤与机械秤比较有体积小、重量轻、结构简单、价格低、实用价值强、维护方便等特点，可在各种环境工作，重量信号可远传，易于实现重量显示数字化，易于与计算机联网，实现生产过程自动化，提高劳动生产率。
例如标签秤在超市中的应用已经是耳闻目睹的了。
一张小小的标签包含着：
品名、价格、重量等，一一列表在这小小的电子标签上。
标签机的使用大大加快了销售速度，也方便了顾客。
顶尖条码标签称有着许多卓越的特点，以太网功能使管理更加方便。
因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。
50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。
60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。
经过40多年的不断改进与完善，衡器技术也在不断进步和提高。
从世界水平看，衡器技术已经经历了四个阶段，从传统的全部由机械元器件组成的机械称到用电子线路代替部分机械元器件的机电结合秤，再从集成电路式到目前的单片机系统设计的电子计价秤。
我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。
现今电子衡器制造技术及应用得到了新发展：
电子称重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展。
常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。
1.3本论文的研究内容及结构安排
首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。
输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。
放大后的模拟电压信号经V/F转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。
按照设计的基本要求，系统可分为三大模块，数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。
其中数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和V/F转换部分组成。
转换后的数字信号送给控制器处理，由控制器完成对该数字量的处理，驱动显示模块完成人机间的信息交换。
此部分对软件的设计要求比较高，系统的大部分功能都需要软件来控制。
在扩展功能上，本设计增加了一个过载报警提示。
第2章系统方案设计
2.1系统总体设计方案比较与论证
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：
结构简图如下：
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。
由此设计出的电子秤系统，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，无法根据实际情况灵活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。
结构简图如下图所示：
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。
结构简图如下图所示：
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。
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硬件的方案设计与论证
2.2.1传感器
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。
因此，传感器的地位与作用特别重要。
传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。
因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。
表征传感器静态特性的主要参数有：
线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。
传感器动态特性是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。
在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。
这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。
最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示[3]。
方案一压电传感器
压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。
其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。
压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。
目前多用于加速度和动态力或压力的测量。
压电器件的弱点：
高内阻、小功率。
功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。
方案二电阻应变式传感器
电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。
电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。
导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。
电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。
因此，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。
其转换电路常用测量电桥。
直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。
下图为一直流供电的平衡电阻电桥，
接直流电源E：
图2.5传感器结构原理图
当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。
当忽略电源的内阻时，由分压原理有：
=（2.2）
当满足条件R1R3=R2R4时，即
（2.3）
=0，即电桥平衡。
式（2.3）称平衡条件。
应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。
若差动工作，即R1=R-△R,R2=R+△R,R3=R-△R，R4=R+△R,按式（2.2），则电桥输出为
（2.4）
应变片式传感器有如下特点：
（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。
（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。
（3）结构轻小，对试件影响小，对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。
（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量[5]。
通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第三种方案。
题目要求称重范围0～5Kg,满量程量误差不大于
0.005Kg，考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定称重5Kg。
我们选择的是电阻应变片压力传感器，量程为5Kg，精度为0.01%，满足本系统的精度要求。
2.2.2前级放大器部分
经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低；经由电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行信号转换。
为此，测量电路中常设有模拟放大环节。
这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。
放大器的输入信号一般是由传感器输出的。
传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。
因此，一般对放大器有如下一些要求：
1、输入阻抗应远大于信号源内阻。
否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。
2、抗共模电压干扰能力强。
3、在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。
从而保证放大器输出性能稳定。
4、能附加一些适应特定要求的电路。
如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。
我们考虑了以下几种方案：
方案一利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。
普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。
由于信号转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。
所以，此种方案不宜采用。
方案二由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。
差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放（如OP07）做成一个差动放大器，如下图所示：
图2.6利用普通运放构成的放大器
电阻R1、R2和电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声，C1、C2为普通小电容，可以滤除高频干扰，C3、C4为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。
优点：
输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，滑动变阻器R6可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。
输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用要求。
缺点：
此电路要求R3、R4相等，误差将会影响输出精度，难度较大。
实际测量，每一级运放都会引入较大噪声，对精度影响较大[12]。
方案三采用专用仪表放大器，如：
AD620，INA126等。
此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。
以 INA126为例,接口如下图所示：
图2.7INA126仪表放大结构图
放大器增益 ，通过改变RG的大小来改变放大器的增益。
INA126具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点。
其最大输入偏置电流为20nA，这一参数反映了它的高输入阻抗。
INA126在外接电阻RG时，可实现1~1000范围内的任意增益；工作电源范围为±2.3~±18V；最大电源电流为1.3mA；最大输入失调电压为125
V；频带宽度为120kHz（在G=100时）。
基于以上分析，我决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器INA126。
2.2.3信号转换
方案一采用A/D转换
A/D转换原理：
1、逐次逼近法
逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。
采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。
基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。
逐次逼近法转换过程是：
初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为 Ｖo，与送入比较器的待转换的模拟量Ｖi进行比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留
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