称重系统设计综述.docx
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称重系统设计综述
杭州电子科技大学
设计报告
课程名称：
短学期PCB电路设计
学生姓名：
学生学号：
学生班级：
专业：
实验日期：
基于51单片机的称重系统设计
设计要求：
1.89C52单片机最小系统的构成及设计；（包括：
时钟、复位、电源、单片机、按键和显示等）
2.在此基础上完成称重系统的设计，称重量程为0~80吨，误差正负100kg。
A为称重系统选择合适的4个压力传感器，注意量程和误差。
B设计放大电路，以便单片机对其信号进行后续处理。
C用7段数码管或其他显示模块进行重量的显示，单位为：
kg。
D根据应用场合设计扩展功能（加分选做设计部分）
系统流程图:
主要设计内容和功能：
本设计研究的是一基于51单片机的称重系统，称重范围为0到80吨，承重范围较大，可以广泛地运用于汽车过磅，货物称重，也可以用来测体重。
本设计主要通过压力传感器采集货物重量信息，产生电压信号，通过运算放大器的放大，再经过一系列的A/D转换、单片机的处理，把货物的重量显示到数码管上。
如果有需要，也可以通过串口通信模块把数据到PC上位机中，再由计算机分析处理数据。
本设计可以通过按键来选择称重的最大量程，如果超过选择的最大量程，则会有蜂鸣器发出警报。
方案论证：
传感器：
压力传感器选用MPX2200
压强为200KPa时对应的最大电压为40mv，所以传感器底座面积设置为1平方米。
40mv时对应的重量为20吨。
放大器设计：
量程为80吨，最大电压对应20吨，故需要4个放大器，由于器件及参数限制，输出电压为4V左右，最大输入电压40mV,故放大倍数为100倍。
故电阻成100倍关系。
传感器采集的信号从Header2端口输入。
仿真结果：
从图中可以看到增益为101倍。
A/D转换：
因为设计要求为误差100kg,最大电压时对应重量为20吨，20×1000/100=200。
2^8=256>200。
故采用8位A/D转换器。
本设计可以采用ADC0809转换器。
ADC0809各引脚说明：
IN0～IN3：
从四个运放接四路模拟量输入。
D0～D7：
8位数字量的输出，D0～D7分别接单片机的P10～P17端。
ADDA、ADDB、ADDC：
3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。
ALE：
地址锁存允许信号，输入端，高电平有效。
START：
A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。
EOC：
A/D转换结束信号，输出端，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。
OE：
数据输出允许信号，输入端，高电平有效。
当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。
CLK：
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHz。
REF（+）、REF（-）：
基准电压。
VCC：
接+5V电源。
GND：
接地。
按键设置：
两个按键分别接单片机的P06和P07I/O口。
当按键没有按下，I/O口端的信号为高电平；当按键按下，I/O口端的信号为低电平，当单片机采集到低电平信号，根据程序做出调节量程的相关反应。
数码管显示：
因为本设计要求测量重量范围为0到80吨，且可以测量较小的重量，如体重（约为几十千克），所以对显示的位数要求较高，故采用六个八段数码管（最小可以显示到0.1kg）。
因为数码管位的显示要用掉单片机的8个I/O口，控制显示位又要用掉6个I/O口，对单片机的资源消耗较多，为节省单片机资源可以使用一个74LS138数据选择器，用3个I/O口来控制6个数码管的显示，这样就可以节约3个I/O口。
拓展功能：
超重报警：
当测量的重物超过设置的量程，蜂鸣器报警。
用蜂鸣器的一段接VCC，另一端接PNP三极管的发射极，三极管的基极通过一个电阻再接单片机的一个I/O口，三极管的集电极接地，这样就可以通过单片机I/O口的高低电平实现对蜂鸣器的控制。
串口通信：
本设计中通讯模块的主要功能是将STC89C52单片机采集到的数据，通过串口传输到RS-232中，最后在上位机中得以显示。
由于标准串口的电平规定是接收时电平范围在+/-3~+/-15V之间，发送时电平范围在+/-5~+/-15V之间，而一般单片机系统的工作时候的电压是+3.3V或+5V，由于单片机的电平输出范围并不能满足一般的标准串口电平的基本要求，所有串口端口不能直接与PC上位机的串口端相连接，若要进行连接，则必须对单片机系统的工作电压经过电平转换。
所以必须要经过MAX232芯片进行电平转换。
模块图如下：
本设计采用的MAX232芯片是美国公司为电脑的RS-232标准串口专门设计的单电源电平转换芯片，使用的是+5V单电源供电。
MAX232芯片的引脚功能图如下图所示。
MAX232引脚功能分为三个部分，分别为电荷泵电路部分、数据转换通道部分和供电部分。
电荷泵电路部分由电容和1、2、3、4、5、6引脚构成，其功能是给RS232的串口两个+12V和-12V的电源。
数据转换通道部分又分成第一数据通道和第二数据通道，其中第一数据通道是由11、12、13、14引脚构成，而第二数据通道是由7、8、9、10引脚构成，TTL/CMOS的相关数据从11引脚、10引脚输入，由芯片功能转换成为RS232数据，再从7引脚、14引脚送到电脑串口插头中；随后电脑串口插头的RS232数据由13引脚、8引脚输入再转换为TTL/CMOS的数据后，从12引脚、9引脚进行输出。
供电部分由15脚和16脚组成，15引脚接地，16引脚接+5V。
供电系统：
由于本系统中元器件所需要的最大电压为+/-12V（运算放大器OP37AZ），本设计采用+/-12V供电。
又由于该系统中单片机及AD转换芯片及液晶显示器所需供电电压均为5V。
电压，所以要保证系统稳定可靠的工作，需要设计一个可以稳定提供5V电压的供电系统。
可以采用三端稳压器件LM7805作为系统电源的稳压器件以保证系统电压为稳定的直流5V电压，输入12V电压输出5V电压，系统电源输入接口要加滤波电容以确保工作电压稳定。
电路仿真：
此仿真为验证运放放大增益为200。
用一个20mv的直流电压源代替输入信号，输出信号从外接电阻采集。
仿真软件为Multisin12.0。
仿真结果：
输入为40mv，输出为4.04V，约为101倍。
原理图：
PCB图：
规则检查：
规则检查时，由于封装原因，J1的两个焊盘外径132mil过大，超过了最大焊盘外径100mil，违法了规则，通过修改焊盘规则解决。
收获与体会：
在实际设计过程中，遇到很多问题，对软件和单片机都不太熟悉，但通过互联网和查阅资料，对这单片机最小系统和整个称重系统有了初步了解，学会了设计简单的单片机系统，把以前所学的东西应用起来。
也学会了使用AltiumDesigner6.9和Multisim12.0软件。
特别是AD，之前没有用过，通过这几天看书和自学，可以绘制该系统的原理图和PCB图，完成设计要求。
这对以后设计电路有很大的帮助。
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