多功能称重系统设计与仿真毕业设计.docx

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多功能称重系统设计与仿真毕业设计

摘要

本文介绍了基于单片机89C52的电子秤的硬件电路及软件流程。

系统包括称重传感器、信号放大、单片机、键盘、LCD显示等部份。

电子秤设计得小巧，结构简单，具有去皮、单价设置、累加等多种功能。

随着微电子技术的应用，市场上利用的传统称重工具已经知足不了人们的要求。

为了改变传统称重工具在利用上存在的问题，在本设计中将智能化、自动化、人性化用在了电子秤重的操纵系统中。

本系统要紧由单片机来操纵，测量物体重量部份由称重传感器及A/D转换器组成，加上显示单元，此电子秤俱备了功能多、性能价钱比高、功耗低、系统设计简单、利用方便直观、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。

本系统以AT89S52单片机为主控芯片，外围附以称重电路、显示电路、报警电路、键盘电路等组成智能称重系统电路板，从而实现自动称重系统的各类操纵功能。

能够说,此设计所完成的电子秤专门大程度上知足了应用需求。

关键词：

单片机；称重传感器；A/D转换器；LCD显示

Abstract

Withtheapplicationofmicro-electronicstechnology,traditionponderationinstrumentusedinmarkethasbeennotsatisfactionwithhunmanrequirementsalready.Inordertomakeupforthetraditionalapparatusshortcoming,weimprovetheapparatus'scontrolsystemwithintelligenceandautomation.Thissystemismainlycontrolledbymicrocontroller,thesectionofheightmeasurementaccomplishbysupersonicsensor,thesectionofweightmeasurementaccomplishbyweightsensorandA/Dtransformer,thisapparatushavemanycharacteristicsuchashavingmorefunction,consumelessenergy,smallandmoveeasily,lowprice,measureprecisely,thespeedisquick,automaticworkwithoutpeopleandsoon.

ThesystemismainlycontrolledbythemicrocontrollerAT89S52,theperipheryisconsistofthecircuitofclockandcalendar,thecircuitofmeasureheightandweight,thecircuitofdisplayandprint,allofthesecomprisethecircuitboardoftheintelligentapparatusofheightandweight.Itcanachieveallfunctionoftheapparatus.

KEYWORDS:

SP20C-G501，AT89S52，ponderation–sensor，A/Dconverter，LCDDisplay

摘要I

AbstractII

引言1

1绪论1

本设计在国内外的研究现状1

本设计的选题及意义2

2整体的方案设计2

显示器的选择方案2

AD芯片的选择方案2

CPU的选择方案3

整体方案的设计3

3硬件设计4

传感器的设计4

电阻应变式的组成及原理4

电阻应变式传感器测量电路的设计5

A/D转换系统的电路设计6

ADC0809芯片的内部逻辑结构7

ADC0809芯片的外部结构7

ADC0809芯片的利用说明8

数模转换电路的设计8

CPU操纵系统电路的设计9

AT89C52芯片简介9

AT89C52芯片的引脚说明10

单片机操纵电路的设计14

显示系统电路的设计14

液晶显示简介14

LCD1602结构及引脚功能15

显示电路的硬件设计16

报警电路的设计17

4软件设计18

主程序设计18

AD数据搜集及处置的设计18

键盘处置的设计20

5仿真及实验调试22

6设计总结24

参考文献25

附录A主程序设计26

引言

随着时期科技的迅猛进展，微电子学和运算机等现代电子技术的成绩给传统的电子测量与仪器带来了庞大的冲击和革命性的阻碍。

常规的测试仪器仪表和操纵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庞大转变，并相应的显现了各类各样的智能仪器操纵系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高[1]。

20世纪90年代以来，随着科学技术的进步，工业生产自动化、智能化水平的提高，各行业对称重计量提出了许多新要求，归纳起来主若是：

称重技术从静态称重向动态称重方向进展；测量方式从模拟测量向数字测量方向进展；测量特点从单参数测量向多参数测量方向进展；电子衡器产品的技术性能向高速度、高准确度、高稳固性、高靠得住性方向进展[2]。

1绪论

本设计在国内外的研究现状

近几年，我国的电子称重系统从最初的机电结合型进展到此刻的全电子型和数字智能型。

电子称重技术慢慢从静态称重向动态称重进展，从模拟测量向数字测量进展，从单参数测量向多参数测量进展。

电子称重系统制造技术及其应用取得了新进展。

国内电子称重技术大体达到国际上20世纪90年代中期的水平，少数产品的技术已处于国际领先水平。

做为重量测量仪器，智能电子秤在各行各业开始显现其测量准确，测量速度快，易于实时测量和监控的庞大优势，并开始慢慢取代传统型的机械杠杆测量称，成为测量领域的主流产品。

在国际上，一些发达国家在电子称重力一面，从技术水平、品种和规模等方到了较高的水平。

专门是在准确度和靠得住性等方面有了专门大的提高。

其中梅特勒一托利多公司生产的BBK4系列高精度电子秤精度达到了1mg，速度大约为1次/秒。

目前，电子秤在称量速度方面需要进一步的研究。

在称重传感器方面，国外产品的品种和结构又有创新，技术功能和应用范围不断扩大。

本设计的选题及意义

作为重量测量仪器，智能电子秤在各行各业开始显现其测量准确，测量速度快，易于实时测量和监控的庞大优势，并开始慢慢取代传统型的机械杠杆测量称，成为测量领域的主流产品。

随着数字信息时期的到来，在工业进程检测和称重计量与操纵系统中，数字化电子称和数字称重系统的应用愈来愈多。

本设计那么是以智能电子测量为设计方向，将传感器的输出信号经放大系统放大，再通过A/D转换系统进行模数转换后将信号发送到CPU操纵系统处置并传送给LCD显示系统显示。

在此基础上还增加了键盘操纵及阈值报警功能，随时可改变称重上限阈值，调剂单价，显示总价钱，去皮处置等功能，使本产品进一步智能化，更接近本次设计的设计理念。

2整体方案设计

在智能化电子测量的设计理念要求下，本设计由以下七部份组成：

电阻应变式传感器、放大系统、A/D转换系统、CPU操纵系统、LCD显示系统、报警系统及键盘操纵系统。

其结构原理图如图2-1所示。

显示器的选择方案

方案一：

采纳LED（数码管）显示。

LED（数码管）是light-emittingdiode的缩写，它通过合理的设置能够完成显示被测物质量、单价、总价和可测上限值的任务，而且经济耐用。

同时LED具有高亮度，高刷新率的优势，能提供宽达160°的视角，能够在较远的距离上看清楚。

可是它的显示存在信息量少，显示不直观，不易明白得，连线复杂等缺点。

方案二：

采纳LCD（液晶屏）显示。

LCD（液晶屏）是LiquidCrystalDisplay的缩写，它具有字符显示的功能，不但能够同时显示被测物质量、单价、总价和可测上限值，还能够同时显示相应的操纵命令、指示符号及单位等，信息量丰硕且直观易懂。

另外，液晶显示有功耗低，体积小，质量轻，寿命长，不产生电磁辐射污染等优势。

综合比较二者的优缺点，本设计最终采纳LCD1602作为显示器。

芯片的选择方案

方案一：

采纳AD7810作为A/D转换器件。

AD7810是美国模拟器件公司（AnalogDevices）生产的一种低功耗10位高速串行A/D转换器。

该产品有8脚DIP和SOIC两种封装形式，并带有内部时钟。

它的外围接线极为简单，AD7810的转换时刻为2μs，采纳标准SPI同步串行接口输出和单一电源（～）供电。

在自动低功耗模式下，该器件在转换吞吐率为1kSPS时的功耗仅为27μW，因此特点适合于便携式仪表及各类电池供电的应用处合利用。

方案二：

采纳ADC0809作为A/D转换器件。

ADC0809是采样分辨率为8位的、微处置机兼容的操纵逻辑的CMOS组件。

其内部有一个8通道多路开关，它能够依照地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

它是逐次逼近式A/D转换器，能够和单片机直接接口。

综上所述，由于考虑到8位模数转换已经知足本次设计要求，而且ADC0809的价钱相对较低，因此本设计采纳ADC0809作为模数转换器件。

的选择方案

方案一：

采纳传统的8位的51系列单片机作为系统操纵器。

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采纳ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处置器和Flash存储单元，功能壮大的AT89C52单片性能够提供许多较复杂系统操纵应用处合。

而且咱们做的很多产品都是在51的基础上完成，对51系列的单片机相对来讲较为熟悉。

方案二：

采纳32位的ARM2138作为系统操纵器。

ARM2138具有壮大的存储空间，内嵌32K片内静态RAM和512K的flash存储器，能够实此刻系统可编程（ISP）、在应用可编程（IAP），2个8路10位A/D转换器，1个D/A转换器，转换迅速准确，引脚资源丰硕，多达47个可经受5V电压的通用I/O口，多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C接口（400Kb/s）、SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP。

但价钱相对较高。

综上分析，由于考虑到器件的价钱、现有资源和对器件的把握程度，操纵器模块选择方案一。

整体方案的设计

综合考虑本次设计要求、现有元器件资源、元器件价钱和对元器件的熟悉把握程度，本次设计选用AT89C52作为CPU操纵器，ADC0809作为模数转换器件，LCD1602作为显示器件，再配以其他相关元器件来实现硬件电路的设计。

图2-1基于单片机操纵的电子秤的大体组成框图

传感器的测量电路选用全桥电路，由四个电阻应变计组成。

无外力作历时，桥路平稳，输出电压为零；有外力作历时，电阻应变计的阻值发生转变，桥路失去平稳，有相应的电压输出。

可是由于此电压信号过于微弱，难以被ADC0809搜集，那么需通过放大电路放大才能经ADC0809进行模数转换。

转换后的数字信号经单片机处置后送显示器显示。

本设计还增加了键盘和报警电路，键盘的功能是调剂满量程的上限值和当前的单价，若是被测量的物质重量超出所设定的满量程上限值，那么蜂鸣器报警，不然显示当前的重量、单价和相对应的总价。

3硬件设计

传感器的设计

电阻应变式传感器的组成及原理

电阻应变式传感器由电阻应变计、弹性体和测量电路三部份组成[4]。

本次设计所采纳的传感器如图3-1所示。

弹性体在外载荷作用下产生应变时，通过粘接剂传递给电阻应变计，引发电阻值改变，其结果使电桥产生不平稳输出，此输出与外载荷成正比。

经常使用的电阻应变计有两种：

电阻丝应变计和半导体应变计，本设计中采纳的是电阻丝应变计，为取得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两头引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起爱惜作用。

图3-1应变式传感器安装示用意

在制作进程中，由于有些电阻应变计本身就存在误差，产生误差的因素很多，在测量时咱们必然要专门注意，尤其以温度的阻碍最重要，环境温度阻碍电阻值转变的缘故主若是：

①应变计灵敏丝栅电阻温度系数；②应变计丝栅的线膨胀系数与弹性体的线膨胀系数不一致[6]。

因此当温度转变时，在被测体受力状态及大小不变时，输出电压会有必然的转变。

关于因温度转变对桥路零点输出及灵敏度的阻碍，即便采纳同一批应变计，也会因应变计之间稍有温度特性之差而引发误差，因此对要求精度较高的传感器，必需进行温度补偿，解决的方式是在被粘贴的基片上采纳适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。

非线性误差是传感器特性中最重要的一点。

产生非线性误差的缘故很多，一样来讲主若是由结构设计决定，通过线性补偿，也可取得改善[7]。

 滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。

由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度转变较大，因此称重传感器必需在规定的温度范围内利用。

电阻应变式传感器测量电路的设计

全桥测量电路（全桥电路如图3-2所示）中，将受力状态相同的两片应变计接入电桥对边，不同的接入邻边[8]。

应变计初始化阻值是R1＝R2＝R3＝R4，当其转变值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压Uout＝KEε。

其中K为应变灵敏系数，ε为电阻丝长度相对转变，E为电桥供电电压。

图3-2全桥电路原理图

常规的电阻应变计K值很小，约为2，机械应变度约为—，因此，电阻应变片的电阻转变范围为~欧姆。

因此测量电路应当能精准测量出很小的电阻转变，电阻应变传感器中经常使用的是桥式测量电路[8]。

桥式测量电路有四个桥臂，其中任何一个都能够是电阻应变计，电桥的一个对角线接入工作电压Ui，另一个对角线为输出电压Uo，如图3-2所示。

其特点是：

当R1R3＝R2R4时，电桥输出Uo为零，电桥处于平稳状态，不然电桥不平稳，就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，因此电桥能够精准地测量微小的电阻转变。

为了保证测量的准确性，在实测之间应使电桥平稳，如此输出电压只与应变计感受应变所引发的电阻转变有关。

测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节，咱们在制作的进程中应尽可能选择好元件，调整好测量的范围的精准度，以减小测量数据的误差。

D转换系统的电路设计

本设计采纳ADC0809作为A/D转换器件，它是采样分辨率为8位的、微处置机兼容的操纵逻辑的CMOS组件。

其内部有一个8通道多路开关，它能够依照地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

它是逐次逼近式A/D转换器，能够和单片机直接接口。

芯片的内部逻辑结构

图3-3ADC0809芯片的内部逻辑结构示用意

由图3-3可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，许诺8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平常，才能够从三态输出锁存器取走转换完的数据。

芯片的外部结构

ADC0809芯片有28条引脚，采纳双列直插式封装，如图3-4所示。

图3-4ADC0809芯片的引脚结构示用意

IN0～IN7：

8路模拟量输入端；

　　D0～D7：

8位数字量输出端；

　　A、B、C：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路；

　　ALE：

地址锁存许诺信号，输入，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转换终止信号，输出，当A/D转换终止时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）；

　　OE：

数据输出许诺信号，输入，高电平有效。

当A/D转换终止时，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：

电源，＋5V；

GND：

地。

芯片的利用说明

利历时，第一输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄放器复位。

下降沿启动A/D转换，以后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A/D转换完成，EOC变成高电平，指示A/D转换终止，结果数据已存入锁存器，那个信号可用作中断申请。

当OE输入高电平常，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上[12]。

模数转换电路的设计

为了调试方便，在设计中加入了电位器，当ADC0809正常工作时，再接入传感器进行调试。

由于ADC0809芯片的时钟频率的要求，那么需将单片机的ALE信号分频再传给ADC0809，本设计选用两个D触发器对ALE信号进行分频。

ADC0809芯片的8位数字量输出端直接接单片机的P1口，选用通道0作为模拟量输入端，那么需将A、B、C接低电平，电路原理图如图3-5所示。

图3-5A/D转换电路原理图

操纵系统的电路设计

芯片简介

AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采纳ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处置器和Flash存储单元，功能壮大的AT89C52单片机可提供许多较复杂系统操纵应用处合[9]。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程按时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52能够依照常规方式进行编程,但不能够在线编程（S系列的才支持在线编程）。

其将通用的微处置器和Flash存储器结合在一路，专门是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发本钱[10]。

AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

本设计选取的AT89C52P采纳的是PDIP封装。

AT89C52P为40脚双列直插封装的8位通用微处置器，采纳工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其要紧用于集聚调整时的功能操纵。

功能包括对集聚主IC内部寄放器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，集聚调整操纵，集聚测试图操纵，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。

芯片的引脚说明

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口历时，每位以吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻[11]。

图3-6AT89C52芯片引脚图

P1口：

P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，现在可作输入口。

作输入口利历时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

P2口：

P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，现在可作输入口，作输入口利历时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些操纵信号。

P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

现在，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除作为一样的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能。

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的操纵信号。

RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚显现两个机械周期以上高电平将使单片机复位。

ALE/PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存许诺）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一样情形下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于按时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄放器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

PSEN程序贮存许诺（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每一个机械周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

PSEN程序贮存许诺（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每一个机械周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP：

外部访问许诺。

欲使CPU仅访问外部程序存储器，EA端必需维持低电平（接地）。

需注意的是：

若是加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU那么执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程许诺电源Vpp，固然这必需是该器件是利用12V编程电压Vpp。

XTAL1：

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

单片机操纵电路的设计

在本次设计中，CPU操纵系统的设计如图3-7所示：

图3-7CPU电路的设计原理图

包括了复位电路、振荡电路，P0口作为LCD1602的数据端，P1口作为A/D转换后的信号输入端，P2口作为报警电路、键盘电路及LCD1602的操纵接口。

显示系统电路的设计

液晶显示简介

液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行操纵，有电就有显示，如此即能够显示出图形。

液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被普遍应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。

液晶显示的分类方式有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字