单片机数字称重仪.docx

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单片机数字称重仪

单片机数字称重仪毕业设计

06级所留毕业论文2010-04-0617:

44:

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济源职业技术学院

毕   业   设   计

题目

         单片机数字称重仪                           

系别

             机电系               

专业

           机电一体化               

班级

           机电0502班                       

姓名

             靳冠良                

学号

            05010206                       

指导教师

             苑成友              

日期

           2007年12月                   

设计任务书

设计题目：

单片机数字称重仪的设计

设计要求：

1、分析单片机数字称重仪的系统原理。

2、根据实际需求，选择主要的器件。

设计进度要求：

第一周：

对单片机数字称重仪进行调查。

第二周：

查阅资料。

第三周：

查阅资料及确定方案。

第四周：

进行设计。

第五周：

进行设计。

第六周：

进行设计。

第七周：

审核定稿。

第八周：

答辩。

指导教师（签名）：

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。

关键词：

称重传感器，语音电路，LED显示电路

目　　录

1单片机的发展及应用...1

1.1单片机的发展...1

1.2单片机的应用...1

2总体方案设计...3

2.1 系统框图...3

2.2称重传感器...3

2.3前级放大器方案论证...7

2.4单片机的选择...9

2.5A/D转换器的选择...10

2.6关于显示...14

3硬件设计...16

3.1系统的结构及工作原理...16

3.2　所用单片机简介...17

3.3　电源设计...18

3.4称重传感器电路设计...18

3.5A/D转换器电路设计...19

3.6显示电路设计...20

3.7报警电路设计...23

4软件设计...24

4.1主程序设计...24

4.2 MAX187软件设计...24

4.3显示软件设计...26

致   谢...27

参考文献...28

附   录1.29

附   录2.35

。

我们选择的是L-PSII型传感器，量程10Kg，满量程时误差0.002Kg。

可以远远满足本系统的精度要求。

称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由下式给出：

电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：

弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。

由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。

下面就这三方面简要论述。

（一）电阻应变片

电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。

他的一个重要参数是灵敏系数K。

我们来介绍一下它的意义。

设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。

当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：

R=ρL/S（Ω）（式2—1）

当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。

设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。

此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。

对式（2--1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。

我们有：

ΔR=ΔρL/S+ΔLρ/S–ΔSρL/S2（式2—2）

用（式2--1）去除（式2--2）得到

ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L–ΔS/S（式2—3）

另外，我们知道导线的横截面积S=πr2，则Δs=2πr*Δr，所以

ΔS/S=2Δr/r（式2—4）

从材料力学我们知道

Δr/r=-μΔL/L（式2—5）

其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。

μ是表示材料横向效应泊松系数。

把（式2—4）（式2—5）代入（式2--3），有

ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L+2μΔL/L

=（1+2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L

=K*ΔL/L（式2—6）

其中

K=1+2μ+（Δρ/ρ）/（ΔL/L）（式2—7）

式2--6说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。

需要说明的是：

灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。

在材料力学中ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便。

常常把它的百万分之一作为单位，记作με。

这样，式（2—6）常写作：

ΔR/R=Kε（2—8）

（二）弹性体

弹性体是一个有特殊形状的结构件。

它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变电信号的转换任务。

（三）检测电路　　

检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。

因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。

因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。

图2-3差动放大器

电阻R1、R2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。

对精度会有较大影响。

方案三、采用专用仪表放大器，如：

INA126，INA121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2-4INA126接口电路

可通过改变R0的大小来改变放大器的增益。

基于以上分析，我们决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器INA126。

Tube，即阴极射线管阴极射线管主要有五部分组成:

电子枪（ElectronGun）、偏转线圈（Defiectioncoils）、荫罩（Shadowmask）、荧光粉层（Phosphor）及玻璃外壳。

它是目前应用最广泛的显示器之一，CRT纯平显示器具有可视角度大、无坏点、色彩还原度高、色度均匀、可调节的多分辨率模式、响应时间极短等LCD显示器难以超过的优点，而且现在的CRT显示器价格要比LCD显示器便宜不少。

CRT（阴极射线管）显示器的核心部件是CRT显像管。

经典的CRT显像管使用电子枪发射高速电子，经过垂直和水平的偏转线圈控制高速电子的偏转角度，最后高速电子击打屏幕上的磷光物质使其发光，通过电压来调节电子束的功率，就会在屏幕上形成明暗不同的光点形成各种图案和文字。

与CRT不同，LCD（英文全称为LiquidCrystalDisplay）是一种采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。

LCD显示器还通过液晶控制透光度的技术原理让底板整体发光，所以它做到了真正的完全平面。

一些高档的数字LCD显示器采用了数字方式传输数据、显示图像，这样就不会产生由于显卡造成的色彩偏差或损失。

LCD没有辐射，即使长时间使用也不会对健康造成很大伤害。

LED（Light-EmittingDiode）显示是基于发光二极管的显示器，多数发光二极管按矩阵排列就可以组成大屏幕显示器。

它采用低电压扫描驱动，具有如下优点：

1、耗电省2、使用寿命长3、成本低4、亮度高5、视角大6、可视距离远7、规格品种多。

目前LED显示屏作为信息传播的一种重要手段，已经成为城市信息现代化建设的标志。

2.6.2LED在本设计中的应用

结合本设计，由于LED耗电省、使用寿命长、成本低、亮度高等优点，再加上驱动简单，容易利用单片机对其进行控制和编程等特点，准备利用4个8段码管实现数字化显示。

关于8段码管，在下一章有详细介绍。

3　硬件设计

3.1系统的结构及工作原理

3.1.1系统的功能及结构

（一）系统具备的功能

该系统采用单片机作为主控制系统，主要目的在于称重之后的数字化显示和实现精确的测量，故系统应该具有单片机工作所需的稳定的+5V直流电源，又考虑到数字化显示所用到的数码管中会出现某段被损坏而不被点亮的情况，系统应该具有开机自检功能，就是开机后自动逐个扫描每一个晶体管，用来检查数码管各段是否完好，可以依靠软件编程实现。

除此之外还有超重报警功能，防止超重物对传感器件造成损坏。

报警指示灯

电源指示灯

称重结果显示

Щｂｂｂ

报警音响

开/关

图3-1操作和显示面板

（二）单片机控制系统结构框图

声光报警

测量放大模块

A/D模块

显示模块

控制模块

图3-2系统结构框图

3.1.2系统的工作原理

该系统主要由5大模块构成，测量放大模块、A/D模块、控制模块、显示模块、报警模块。

直接与称重对象接触的是称重传感器，本设计采用的是济南金钟电子衡器股份有限公司生产的L-PSII-10型压力传感器，为双孔悬臂梁形式，是电子秤的专用产品。

再加上信号调节放大电路，所有这些电路及其外围结构统一构成了测量放大模块。

称重的模拟信号经放大后送进A/D转换器，把模拟信号转换为数字信号供给单片机，所用的A/D转换器为美信公司生产的12位串行A/D转换器MAX187。

MAX187采用逐次比较法实现12位模数转换,模拟输入经采样/保持（T/H电路、内部DAC、比较器、逐次比较寄存器SAR）,将模拟量输入变成12位数据输出,整个转换过程仅10μs（包括T/H采样时间）。

12位数据经移位寄存器由DOUT引脚串行输出（由CS、SCLK控制）。

内置T/H电路无需保持电容就能工作。

信号经过模数转换以后，送由单片机进行处理，单片机及其外围电路构成控制模块，它把所感知的二进制信号转换成十进制，并送进显示模块式显示出来。

此外，当单片机感知测量对象超出系统测量范围时，单片机会向报警模块发出指令，启动声光报警装置，设计中为了安全期间，留有较大的过负载能力，因此系统报警时的负载并不会对测量器件造成损坏。

3.2　所用单片机简介

AT89C51是一种低功耗，高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的8位COMS微控制器，使用高密度，非易失存储技术制造，并且与80C51引脚和指令系统完全兼容。

芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对存储器重复编程。

AT89C51（以下简称89C51）将具有多种功能的8位CPU与FPEROM结合在一个芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又便宜的方案，其性能价格比远高于8751。

由于片内带EPROM的87C51价格偏高，而片内带FPEROM的89C51价格低且与80C51兼容，这就显示出了89C51的优越性。

AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

3.3　电源设计

本时钟电源采用整流滤波电路和三端稳压电路LM7805CT。

LM7805CT芯片输入端电压约为8.6V,输出端电压为5V。

输入端和输出端的压差应大于2.5V,否则会失去稳压能力。

同时考虑到功耗问题,此压差又不易太大,太大则增加7805本身的功率消耗,增加芯片的升温,不利于安全。

根据变压器副边电压与经过滤波后输出电压关系可知,副边电压约为9V,据此确定变压器原副边匝数比这样即可得到系统所需要的+5V电源。

图3-3电源设计图

3.4称重传感器电路设计

图3-4称重传感器与放大器的连接

传感器的输出电压信号在0～20mv左右，因此放大器的放大倍数在200～300左右，可将RL接成20K的滑动变阻器。

由于MAX187对高频干扰不敏感，所以滤波电路主要针对工频及其低次谐波引入的干扰。

因为压力信号变化十分缓慢，所以滤波电路可以把频率做得很低。

3.5A/D转换器电路设计

MAX187使用采样/保持器（T/H）和逐次逼近寄存器（SAR）电路将一个模拟输入信号转换成12位的数字输出。

其输入信号在0V~Vref之间，转换时间包括T/H的采样时间在内为10us。

串行接口只需3根数字线：

SCLK,CS和DOUT，与微处理器接口非常简单。

图3-5MAX187外围引脚接线图

MAX187有两种工作方式：

正常方式和暂停方式。

将SHDN引脚拉成低电平，器件处于暂停状态，电源电流减低至10uA属于低功耗状态;引脚悬空时，禁止内部参考电源，允许使用外部电源；接高电平时，允许使用内部的参考电源。

当CS变为低电平时,开始转换,此时,DOUT输出为低电平。

包括T/H时间的转换时间为10μs,转换结束,DOUT变为高电平,当检测到DOUT为高电平时,即可读出转换数据。

在SCLK输入一个脉冲,最高位B11出现在DOUT上,经过11个时钟后,分别移位输出B10～B0数据,再进入一个时钟后,一个转换周期结束。

因此,每次数据读取需经过13个时钟周期,12MHz时钟下共13×0.1μs=1.3μs,因此完成一次转换需10+1.3μs,约为11μs。

3.6显示电路设计

显示器是最常用的输出设备。

特别时发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD），LED是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件，具有工作电压低，耗电量小，发光效率高，发光响应时间极短，光色纯，结构牢固，抗冲击，耐振动，性能稳定可靠，重量轻，体积小，成本低等一系列特性，发展突飞猛进，现已能批量生产整个可见光谱段各种颜色的高亮度、高性能产品。

由于结构简单、价格廉价和接口容易，而得到广泛的应用。

尤其是在单片机系统中大量应用。

LED的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结管芯，当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。

但pn结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高LED的内、外部量子效率。

LED发光显示器可由数码管或米字管、符号管、矩陈管组成各种多位产品，由实际需求设计成各种形状与结构。

以数码管为例，有反射罩式、单片集成式、单条七段式等三种封装结构，连接方式有共阳极和共阴极两种，一位就是通常说的数码管，两位以上的一般称作显示器。

反射罩式具有字型大，用料省，组装灵活的混合封装特点，一般用白色塑料制作成带反射腔的七段形外壳，将单个LED管芯粘结在与反射罩的七个反射腔互相对位的PCB板上，每个反射腔底部的中心位置是管芯形成的发光区，用压焊方法键合引线，在反射罩内滴人环氧树脂，与粘好管芯的PCB板对位粘合，然后固化即成。

反射罩式又分为空封和实封两种，前者采用散射剂与染料的环氧树脂，多用于单位、双位器件；后者上盖滤色片与匀光膜，并在管芯与底板上涂透明绝缘胶，提高出光效率，一般用于四位以上的数字显示。

单片集成式是在发光材料晶片上制作大量七段数码显示器图形管芯，然后划片分割成单片图形管芯，粘结、压焊、封装带透镜（俗称鱼眼透镜）的外壳。

单条七段式将已制作好的大面积LED芯片，划割成内含一只或多只管芯的发光条，如此同样的七条粘结在数码字形的可伐架上，经压焊、环氧树脂封装构成。

单片式、单条式的特点是微小型化，可采用双列直插式封装，大多是专用产品。

LED光柱显示器在106mm长度的线路板上，安置101只管芯（最多可达201只管芯），属于高密度封装，利用光学的折射原理，使点光源通过透明罩壳的13-15条光栅成像，完成每只管芯由点到线的显示，封装技术较为复杂。

在许多实际的系统中，经常需要多个LED显示系统的信息，比如，数字钟实验要显示时、分和秒信息，就必须要6个LED，对这些LED的控制也可以和上面一位LED显示器一样，采用6个七段译码器驱动每一个LED,并使所有LED的公共端始终接有效信号，即共阴极LED公共端接地，共阳极LED公共端接电源。

这种LED显示方式称为静态显示方式。

采用静态方式,LED亮度高，但这是以复杂硬件驱动电路作为代价的，硬件成本高。

因此,在实际使用时,特别是有微处理器的系统中，如果用多位的LED显示,一般采取动态扫描方式、分时循环显示，即多个发光管轮流交替点亮。

这种方式的依据是利用人眼的滞留现象，只要在1秒内一个发光管亮24次以上，每次点亮时间维持1ms以上，则人眼感觉不到闪烁，宏观上仍可看到多位LED同时显示的效果。

动态显示可以简化硬件、降低成本、减小功耗。

3.6.1LED结构与原理

发光二极管显示器是单片机应用产品中常用的廉价输出设备。

它是由若干个发光二极管组成显示的字段。

当二极管导通时相应的一个点或一个笔划发光，就能显示出各种字符，常用的八段LED显示器的结构如图3-6所示。

图3-6八段数码显示             图3-7共阴极接法

图3-8共阳极接法

LED数码显示器有两种结构：

将所有发光二极管的阳极连在一起，称为共阳接法，公共端comm接高电平，当某个字段的阴极接低电平时，对应的字段就点亮；而将有发光二极管的阴极连在一起，称为共阴接法，公共端comm接低电平，当某个字段的阳极接高电平时，对应的字段就点亮。

每段所需电流一般为5~15mA，实际电流视具体的LED数码显示器而定。

3.6.2动态显示LED显示器接口

所谓的动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器，对每一位显示器而言，每隔一段时间点亮一次。

显示器的亮度跟导通的电流有关，也和点亮的时间与间隔的比例有关。

显示部分采用4个八段共阴数码管，采用动态显示，利用驱动器74LS244驱动数码管显示数据，达到控制八段码的目的。

可以用图3-9来形象说明动态显示原理。

段驱动器和位驱动器同时发出有效信号才能点亮对应段，否则就呈现不亮状态。

由单片机来控制点亮的时间，第一位点亮后依次点亮后面各位。

图3-9多位LED动态显示电路

图3-10系统显示部分接线图

图3-10为设计选用的显示部分电路图驱动器74LS244控制4位数码管的段选，反向驱动器74LS04控制位选，最后由单片机发出采集到的信号指令来决定各个数码管的明灭状态和时间长短。

DS1-DS4四位LED分别显示的是称重结果的千位、百位、十位、个位，单位为克，显示精度为1/5000，符合系统设计的要求。

3.7报警电路设计

一个完美的电路设计,不但只是能够保证系统能够在正常条件下稳定运行,还要能够使系统在非正常情况下向用户发出警告,以便使用户发现问题。

为此，在设计系统后，又添加了声光报警部分电路，如图3-11所示。

把发光二极管引线接到单片机P3.4口，把报警电路引线接到单片机P3.5口，当传感器检测到的信号经过模数转换和单片机处理后大于系统的称重范围时，发光二极管开始点亮，同时发出报警信号。

图3-11声光报警电

4　软件设计

4.1主程序设计

根据系统方案，特设计出本系统主程序流程，可以用框图表示。

开始

初始化

调用A/D子程序

送单片机进行处理

BCD码转换

是否超重？

                                                       是

声光报警

                                         否

调用显示子程序

返回

图4-1主程序框图

4.2 MAX187软件设计

在CS的下降