数字称重计量系统设计毕业作品.docx
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数字称重计量系统设计毕业作品
数字称重计量系统设计
摘要：
本文以AT89S51单片机为控制核心设计一个数字称重计量系统，整个系统硬件主要由数据采集电路，模/数转换电路，4*4键盘电路，单片机控制电路和显示电路构成，软件采用C语言编写，采用KEILC开发环境编译和protues仿真，实现了称重功能，设计的电子秤称重范围小，成本低，体积小，携带和移动非常方便。
关键词：
传感器；A/D转换器；按键电路；显示电路。
TheDesignofDigitalWeighingMeasurementSystem
Abstract:
ThepapertakesmicrocontrollerascontrolcoretodesignaDigitalweighingmeasurementsystem,hardwareofthesystemiscompositedofdataacquisitioncircuit,A/Dconvertercircuit,4*4Keyboardcircuit,single-chipmicrocomputercontrolcircuitandshowcircuit.SoftwareusingtheClanguage,usingtheKEILCdevelopmentenvironmenttocompileandusingProtuestosimulation,achievedweighingfunction,thedesignedmicro-electronichavesmallweighinglimits,lowcost,smallvolume,carryandmobileisveryconvenient.
Keywords:
Sensor;A/Dconverter;Buttonscircuit;Showcircuit.
1绪论
1.1选题背景和设计意义
电子衡器是配有电子称重装置的衡器，主要由称重传感器、载物器、称重仪表三部分组成。
其主要工作原理是将作用在称重载物器上的力传递到称重传感器上，并将其转换成与之对应的模拟信号（电压或电流），输出的模拟信号通过A/D转换器转换成数字信号，并在仪表盘上显示出来。
我国是从20世纪60年代中期开始研制并生产电子秤的，早期的电子秤是模拟指针式的，20世纪80年代中后期发展为数字式，20世纪90年代末至21世纪初已研制开发出微机式电子秤。
而数字传感器的推出则是在80年代末，美国SENSORTRONICS（STS）公司在88年全美衡器展览会上首次推出了一种将A/D转换器放置于普通应变式称重传感器中的数字传感器，即整体式数字传感器，这种传感器在美国市场备受瞩目。
应变式称重传感器生产工艺环节多，工艺比较复杂，需投入大量人力、物力及精力，进行温度、零点、灵敏度、非线性、滞后、蠕变等性能的补偿及四角误差的调整，而补偿技术设备却仍难以达到高质量的要求，普遍存在着生产成本和质量成本一直居高不下的严重问题。
但是随着电子技术的飞速发展，单片机的普及推广，数字化称重传感器便应运而生。
它是将传统应变式称重传感器与现代电子技术以及计算机软件技术相集成而发展起来的新型电子称量技术。
它采用的称重技术在传感器内部采用了高集成化、高智能化的处理单元，将模拟的重量信号进行A/D转换等处理，自动对应变式称重传感器的零点、温度、非线性、滞后、蠕变性能等进行数字化补偿，最后输出数字信号。
电子技术的发展加快了衡器数字化的进程，但电子衡器却还是处在模拟电子技术的水平。
在数字称重传感器与称重仪表产品的开发过程中，A/D转换技术及软件自动化补偿技术重复和混乱的使用，造成了器件的资源浪费，外围电路的增加，且系统软件不完善、不统一，增加产品成本，不能真正实现智能化、微型化、低功耗、高可靠性的目的。
自1986年大面积推广单片机技术以来，我国在单片机的应用和开发方面积累了丰富的实践经验，培养和造就了大批技术人才。
单片机已成为智能仪器仪表、工业测控、计算机网络与通信设备领域中最为理想的控制用微型计算机。
所以说单片机应用、开发技术已成为从事称重传感器、称重仪表专业的工程技术人员不可回避的一项重要技术手段。
由于原有的模拟式称重传感器电阻应变的转换原理决定了其固有的输出模拟信号小、传输距离短、抗干扰能力差、安装调试很不方便等缺点。
因此，早在二十世纪八十年代就引起了人们对模拟式称重传感器缺点的重视，人们就想在不改变电阻应变式称重传感器称重机理的基础上，使上述缺点变为优点。
为此国外一些称重传感器制造商推出了第一代“数字化称重传感器”，即把本来放在称重仪表内的放大电路和A/D转换电路，放置于称重传感器罩壳内或者附近的接线盒内。
数字化传感器是由模拟式传感器和数字变送两部分所组成。
上述的称重传感器由于输出的是信号是数字信号，因此克服了模拟式称重传感器的信号小、传输距离短、抗干扰能力差等缺点。
但是它的各项传感器的性能指标却都是以自身的制造、补偿、调整工艺所决定。
也就是说，如果传感器自身的制造、补偿、调整工艺不过关，仅靠数字信号的改变来提高或补偿整个称重传感器的力学与温度指标（注意不是数字变送电路本身的温度指标）是不可能的。
目前国内的众多的外资企业制造商与国内企业制造商主推的产品都属于此种类型，此类传感器没有突破原有的功能。
要做到第一代“数字化称重传感器”主要的难点就在于必须要保证所设计和选用的数字变送电路和器件不能降低整个传感器的力学与温度指标，也就是说必须使数字变送电路自身的温度漂移和时间漂移不影响传感器自身的制造、补偿、调整工艺所决定的力学与温度指标。
另外，一些制造商对局部的功能进行了相应的调整，但总体上还是属于第一代“数字化称重传感器”。
本阶段数字化称重传感器的主要特点是不改变传感器自身传统的制造、补偿、调整工艺，仅将原来在称重仪表内的A/D转换电路放至传感器内或接线盒内，从而实现称重数字信号的输送。
本次毕业设计所选择的“数字称重计量系统设计”的课题，便是基于一段时间的调查研究后所选定的。
因为数字补偿技术可以为灵敏度温度补偿、零点温度补偿、非线性补偿、滞后补偿、蠕变补偿等提供新的解决方案，基于微处理器的数字称重传感器系统具有一定的智能，有利于通过线路设计和软件设计实现数字补偿。
1.2设计总体方案设计
通过综合应用所学的电子技术和单片机软硬件技术设计并且实现一个较为实用的数字称重计量系统。
该计量系统是以AT89S51单片机为核心，并由集成放大电路、A/D转换电路、键盘电路、显示电路、复位电路等一起组成。
生活中物体的重量信号是通过称盘下的金属箔式应变片传感器产生电信号，将输出的点信号经集成放大器放大，使之满足A/D转换器的转换要求，然后送入A/D转换芯片进行模数转换，将模拟电压信号转换成数字量，转换后的数字量与电信号（物重）成正比，再进入AT89S51单片机，经过数据处理，AT89S51单片机产生一组满足显示要求的数据，送至显示电路显示出实际重量。
另一方面，商品单价通过键盘电路送入AT89S51单片机，物重与单价经过数据处理，物重与单价经过运算产生总价，也在显示电路上同时显示出来。
了解并掌握单片机AT89S51的内部结构，以及相应的程序编写方法；掌握模数转换ADC0832芯片的使用并设计ADC0832与单片机连接的接口电路，其次通过熟悉LM4229液晶驱动显示资料并设计电子称的显示电路；熟练运用PROTELL99设计电路图，结合程序在PROTUES仿真环境中对设计的硬件电路进行仿真调试。
2数字称重计量系统概述
2.1数字称重计量系统工作原理
整个数字电子计价秤电路由电源电路、单片机主控制电路、液晶显示电路、4×4键盘电路、金属箔式应变片传感电路、A/D转换器7个部分组成。
如图2.1所示
图2-1整体框架图
2.2数字称重计量系统的功能分析
数字电子秤开始工作，键盘不断进行扫描，同时通过ADC0832也不断进行外部称量数据采样，数码管上会显示“名称单价总价·····”。
当载物台上放有物体时，ADC0832立即将数据收集送给单片机处理。
此时工作人员只要输入对应商品的代码编号，在LCD上可以看到相应商品的名称、单价、总重、总价格等信息。
3数字称重计量系统的硬件电路设计
3.1单片机最小系统设计
单片微型计算机简称单片机。
由于它的结构和功能都是按工业控制要求所设计，所以又可以称为单片微控制器（singlechipMicrocontroller）。
只要外加少许的电子零件便可以构成一套简易的计算机控制系统，故又称单片微型计算机（singlechipMicrocomputer）。
从1976年第一个8位单片微机的诞生，到现在就已经发展有16位，32位单片微机，但却一直是以8位机为主流机型，预计这种情况还将继续下去，这是由单片机应用需求所决定的独特现象。
发展阶段大致分为单片机的探索阶段，完善阶段。
目前单片机主要可以分为以下4类：
CISC结构的单片机，RISC结构的单片机，基于ARM芯核的32位单片机以及数字信号处理器（DigitalSignalProcessor,DSP）等。
单片机主要是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五个基本部分所组成。
单片机是把包括运算器、控制器、存储器、最基本的输入输出口电路、串行口电路、中断电路和定时电路等集成在一个尺寸有限的芯片上。
单片机内部的逻辑结构主要包括：
中央处理器（CPU）、内部数据存储器、内部程序存储器、定时器/计数器、并行I/O口、串行口、中断控制系统、时钟电路、位处理器、总线等。
单片机有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用非常方便等优点，广泛应用于各种仪器仪表之中，综合不同类型的传感器，就可以实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量工作。
采用单片机的控制可以使得仪器仪表的数字化、智能化、微型化得以实现，并且功能比起采用电子或数字电路要更加强大。
例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。
单片机作为嵌入式应用微型计算机，从硬件结构到软件指令系统都是针对测控领域的广泛需要和特点而设计制造的。
因此，单片机也可以称为微控制器（MCU）。
它在嵌入电子系统可以中作为核心控制部件来使用。
MCS-51系列单片机是Intel公司继MCS-48之后推出的最早的增强型8位单片机，它是国内外单片机应用的一个主流产品。
该系列产品在我国应用最为广泛。
MCS-51系列单片机作为单片机品种的典型代表，早已作为课程内容纳入到电子类专业的教学中。
单片机的各部分情况介绍如下。
（1）中央处理器（CPU）中央处理器是单片机的核心部分，完成运算和控制功能。
MCS-51的CPU能处理8位二进制数或代码。
（2）内部数据存储器（内部RAM）89S51芯片中存在有128个RAM单元，可用于存放可读写的数据，简称内部RAM。
（3）内部程序存储器（内部ROM）89S51芯片内部有8KB的ROM，用于存放程序或表格，因此称为程序存储器。
简称内部ROM。
（4）定时器/计数器89S51一共有2个可编程的16位定时器/计数器，可以实现定时或计数的功能。
（5）并行I/O口MCS-51一共有4个可编程的8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以实现数据的并行输入或输出。
（6）串行口MCS-51单片机有一个双向串行I/O口，可以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。
（7）中断控制系统89S51单片机一共有5个中断源，2个中断优先级的中断控制系统，可以满足控制应用的需要。
（8）时钟电路MCS-51芯片的内部有振荡电路和时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。
时钟电路为单片机产生时钟脉冲信号。
系统允许的晶振频率为2~12MHz。
89S51是标准的40个引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列参见图3.1
（1）P0~P0.7P0口是一个8位双向I/O口。
（2）P0.7~P1.7P1口是一个带有上拉电阻的8位双向I/O口。
（3）P2.0~P2.7P2口是一个带有上拉电阻的8位双向I/O口。
访问外部存储器时，送出地址高8位。
（4）P3.0~P3.7P3口是一个带有上拉电阻的8位双向I/O口。
双功能接口，一能作为通用的I/O口，二是作为特殊信号线使用。
（5）ALE地址锁存控制信号。
（6）PSEN外部程序存储器读选通信号。
（7）EA访问内外程序存储齐控制信号。
（8）RST复位信号。
（9）XTAL1和XTAL2外接晶体引线端。
（10）VSS地线。
（11）VCC+5V电源。
以上是89S51单片机芯片40条引脚的定义及简单功能说明。
图3-189S51引脚分布图
3.2A/D转换电路设计
ADC0832为一个8位分辨率的A/D转换芯片，它最高分辨可达256级，可以适应一般的模数转换要求。
其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。
芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出，并可作为数据校验使用，以减少数据误差，转换速度快并且稳定性能强。
独立的芯片使能输入，使得多器件挂接和处理器控制变的更加方便。
通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。
（1）ADC0832的内部逻辑结构
正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、D0、D1的电平但由于D0端和D1端在通信时并未同时有效的输出信号，并且与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将D0和D1并联在一根数据线上使用。
（如图3-2所示）
当ADC0832未工作时期CS端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和D0/D1的电平可任意，当需要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到A/D转换完全结束。
此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，D0/D1端则使用D1端输入通道功能选择的数据信号。
在第一个时钟脉冲的下降之前D1端必须为高电平，以表示起始信号。
在第2、3个脉冲下降之前D1端应输入2位数据用于选择通道功能。
图3-2ADC0832电路原理图
（2）．ADC0832引脚结构
ADC0832各脚功能如下：
CS_片选使能，低电平芯片使能。
CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。
CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。
GND芯片参考0电位（地）。
DI数据信号输入，选择通道控制。
DO数据信号输出，转换数据输出。
CLK芯片时钟输入。
Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。
3.3液晶显示电路设计
本论文我们使用LM4229液晶显示，显示电路如下图所示
图中LM4229液晶显示的C/D，RD,WD分别与80C51单片机的P2.4，P2.5，P2.6相连，当P2.5，P2.6口输出低电平时，RD，WD分别执行数据读，数据写功能。
图3-3显示电路图
LM4229液晶的个引脚说明如下表所示：
表3-1LM4229引脚说明图
引脚
符号
I/O
功能
1
/
接地
2
/
逻辑电源正
3
/
LCD驱动电压
4
C/D
I
WR="L"则C/D="H":
命令写C/D="L"：
数据写；RD="L"则C/D="H":
状态读C/D=“L”:
数据读
5
RD
I
数据读低电平有效
6
WD
I
数据写低电平有效
7
DB0
I/O
数据位0
8
DB1
I/O
数据位1
9
DB2
I/O
数据位2
10
DB3
I/O
数据位3
11
DB4
I/O
数据位4
12
DB5
I/O
数据位5
13
DB6
I/O
数据位6
14
DB7
I/O
数据位7
15
CE
I
片使能信号
16
RESET
I
复位信号低电平有效
17
I（O）
LCD驱动负电压输入
18
MD2
I
模式选择
19
FS1
I
字体尺寸选择终端
20
HALT
/
停止功能（H=正常，L=震荡停止）
3.4键盘电路设计
键盘电路的硬件电路如下图所示：
此键盘电路采用的是4
4矩阵按键，分别由0~9这10个数字，+、—、
、
、=和复位按钮构成。
数字按键是用来输入商品单价，通过P1.0~P1.7的输入接口在液晶显示器上显示出单价，同时和经过A/D转换之后的商品重量相运算得出总价，同时也在显示器上显示出来。
图3-4键盘电路
4.数字称重计量系统的软件设计
本设计中的程序由主控制程序、LM4229液晶显示驱动程序、ADC0832采样程序和4×4键盘程序组成。
4.1主程序设计
当按下开始键时，程序开始运行，此时单片机和ADC0832初始化，并且ADC0832开始采集重量信号，这时在重物台上放置重量时，ADC0832采集电压信号，并通过A/D转化将电压信号转化成数字信号输出到单片机里，单片机的存储器存储数字信号，此时如果按下商品代码，比如说“1”代表草莓，此时单片机并可根据该商品的单价和重量计算出总价输出给LM4229显示出来。
然后程序又返回，采集重物台上是否有重物，再循环执行。
流程图如下：
图4-2主程序流程图
delay（500）;//系统延时500ms启动
//ad_data=0;//采样值存储单元初始化为0
lcd_init（）;//显示初始化
disp_init（）;//开始进入欢迎界面
delay（1000）;//延时进入称量画面
ad_data=Adc0832（0）;//采样值存储单元初始化为0
alarm（）;
data_pro（）;//读取重量
keyscan（）;//查询商品种类
4.2LM4299液晶显示驱动程序设计
图4-3LM4229液晶显示驱动程序流程图
LM4229液晶能够显示比较复杂的汉字和图形，首先必须对其写入控制操作字，包括图形的显示方式，字体的模式。
然后写入初始行地址，指针自动左移，读取高8位地址，直到写完全部数据为止。
write_data（place&0xff）;//写入地址高位
write_data（place/256）;//写入地址低位
write_com（0x24）;//地址设置
write_com（0xb0）;//设置数据自动写
write_data（ASC_MSK[（c1-0x20）*16+k]）;/*---例如：
0的ASCII码为0x30,
在ASC_MSK中的位置为0x10*16---16字节字码依次写入LCD---*/
write_com（0xb2）;//自动复位
place=place+30;
4.3ADC0832采样程序设计
图4-4ADC0832采样程序程序流程图
单片机通过拉低CS、拉高CLK来启动ADC0832进行外部压力传感转换后的电压信号进行采样，每产生8个CLK脉冲，DATA获得一位完整的8bit数据，此时MCU发送中断请求，拉高CS，拉低CLK,并将数据DATA返回。
ADCS=0;//拉低CS端
_nop_（）;
_nop_（）;
ADCLK=1;//拉高CLK端
_nop_（）;
_nop_（）;
ADCLK=0;//拉低CLK端,形成下降沿1
_nop_（）;
_nop_（）;
ADCLK=1;//拉高CLK端
ADDI=channel&0x1;
_nop_（）;
_nop_（）;
ADCLK=0;//拉低CLK端,形成下降沿2
_nop_（）;
_nop_（）;
ADCLK=1;//拉高CLK端
ADDI=（channel>>1）&0x1;
_nop_（）;
_nop_（）;
ADCLK=0;//拉低CLK端,形成下降沿3
ADDI=1;//控制命令结束
4.44×4键盘程序设计
图4-54×4键盘程序图
本设计中采用了4×4矩阵式键盘，单片机定时进行查询。
首先单片机发送行扫描代码，然后进行列扫描，当发现某一列出现了低电平时，即返回相应的键盘值。
若没有发现则说明当前行没有键按下，行扫描右移一位，继续执行列扫描。
MCU根据相应的键值，即可确定被按下的键。
P1=0xfe;
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
while（temp!
=0xf0）
{
delay（5）;
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
while（temp!
=0xf0）
{
temp=P1;
switch（temp）
{
case0xee:
num=1,price=price_unit[0],write_lcd（24,0,"名称:
杏仁"）;
break;
case0xde:
num=2,price=price_unit[1],write_lcd（24,0,"名称:
李子"）;
break;
case0xbe:
num=3,price=price_unit[2],write_lcd（24,0,"名称:
草莓"）;
break;
case0x7e:
num=4,price=price_unit[3],write_lcd（24,0,"名称:
葡萄"）;
5.系统调试
5.1程序在KEIL中的编译
（1）首先打开Keiluvision2,界面如图5.1所示
图5-1Keiluvision2初始界面
（2）在新建的工程文件下打开我们的"a.c"文件如图5.2所示
图5-2导入"c"格式文件
（3）对"a.c"程序文件进行编译，如图5.3所示
图5-3“a.c"编译结果图
（4）对编译正确的"a.c"文件以Hex的格式进行导出，即可烧如单片机中进行仿真实验。
5.2protues仿真
在protues的ISIS7.7sp2软件环境下画出电路原理图，接下来就是将设计的程序在KeilμVision2开发集成环境上编译成机器语言，进入Protues的ISIS，双击AT89C51，在"ProgramFile中"添加"FZZRH.hex"文件到AT89C51中，如图5-4所示。
图5-4数字电子秤仿真设计图
该仿真验证的过程：
首先按开始按
，此时数字电子秤进入欢迎界面。
LM4229上显示"欢迎使用电子秤设计·····"。
如图5-5所示。
图5-2数字电子称欢迎界面图
当我们按下数字键“1”时，液晶显示器上便会出现“香蕉”这个商品名称，并且程序中自动导入商品价格，A/D转换器将电压信号转换成数字信号输入单片机，且有单片机算出总价在显示器上显示出来。
如图所示：
图5-3商品香蕉的仿真图
当我们按下数字键“6”时，在液晶显示器LM4229上并显示出“萝卜”的商品名称，显示出单价、重量已经总价。
如下图所示：
图5-4商品萝卜的仿真图
6总结
通过本次毕业论文―数字称重计量系统的设计，让我更加熟悉了单片机
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