基于单片机的乳粉自动包装称重社稷.docx

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基于单片机的乳粉自动包装称重社稷

基于单片机的乳粉包装称重控制设计

摘要

本论文在分析了国内外称重技术发展的基础上，着重对一个用于工业控制且功能较齐全的自动称重系统进行设计。

随着自动化和管理现代化的进展，自动在线称重，快速动态称重在整个称重系统中有了很大的发展。

因此，进一步采用新技术，开发各种自动称重系统和提高称重的准确度已经成为了多数国家科技发展的重中之重。

本称重系统除了有关于数据的收集，处理，运行和通信之外，还有更多的其他辅助功能：

自动称重系统除了能够储存数据资料到资料库中，还可以将资料以打印稿的形式呈现。

最重要的是，该自动称重系统还可以随时对资料库进行访问和查询。

本论文所设计的自动称重系统是应用于工业上的乳粉包装自动称重中的，它的实现有两个过程，第一阶段由异步电机带动粗螺旋推进器给料，这一阶段可看成为粗调过程，给料重量一定要小于额定重量。

第二阶段由步进电机带动细螺旋推进器进料，可看成是细调过程，使实际重量等于要求的额定重量。

本称重系统采用单片机AT89C51为控制核心，实现称重仪的基本控制功能。

系统的硬件部分包括数据采集和数据处理两大部分，其中数据采集部分由称重仪模拟器、信号的前级处理（采用仪表放大器INA121）和双积分A/D转换部分组成。

由于称重仪设计中电路的精度及抗工频干扰能力要求较高，故选用精度较高的仪表放大器INA121和抗工频干扰能力较强的双积分A/D转换器MC14433。

本系统通过应用传感器，各种芯片及单片机使得该称重系统的实际操作性更强，便于应用于工业上。

关键词双积分A/D转换；仪表放大；AT89C51单片机；数据采集

TheDesignofWeighingandPackingofMilkPowderBasedonSinglechip

Abstract

Basisontheresearchingoftheprogressoftheweighingtechnology,thispaperintroducesthedevelopmentofautomaticweighingsystemwhichhasacompletefunction.

Withtheprogressofautomationinindustryandmodernizationinmanagement,thereismuchprogressinweighingonline,fastanddynamicweighingandsystemofweighing.Adoptingnewertechnology,developingdiversifiedautomaticweighingsystem,improvingaccuracyandenhancingnetworkfunctionareemphasizedineverycountrynowadays..

Besidesthefunctionofcollecting,processing,displayingandcommunicationofdataaboutweight,theautomaticweighingsystemcanalsosavedataindatabaseandprintdatainreportform.Itcanalsovisitandquerytherecordsindatabase.

Thearticleintroducedtheautomaticnamedweighingsystemwhichisappliedintheindustry,itsrealizationhastwoprocesses,thefirststageisthespiralpropellerbytheasynchronousmachinebelttoaffordthematerial,thisagewhichisworthyoflookingatisbecauseofthecoarseadjustmentprocess,certainlyitmustbesmallerthanthescheduleweightforthematerialweight.Thesecondstageisimpetuswhichismuchmoreprecisethanthefirstspiralpropellerfeeding,itmayberegardedasthespecialprocess.Thissystemhasbeenappliedinthesensor,eachkindofchipsandmonolithicintegratedcircuits.

ThissystemisbasedonsinglechipAT89C51,itcanmakeelectronicscale'sbasiccontrolfunctioncometrue.System'shardwareincludessmallestsystemboardandtheacquisitionofdata.Thesmallestsystempartmainlyrealizesthedemonstrationofthediodesandthecontrolofkeyboard,thepartofdata’sacquisitionisconsistsofthesimulatorofweighingmeter,signallevelprocessing（amplifierINA121）andthefractionofthedoubleintegralA/Dconversion.Becauseofthehighrequestinprecisionoftheelectriccircuitoftheweighingmeterdesignandtheabilityofanti-powerfrequencydisturbance,theselectionofthehighprecisionappliancesuchastheamplifierINA121anddoubleintegralA/DswitchMC14433.

Thesystemwouldbestrongerbyusingdifferentelements,anditwouldhavebetterperformanceinapplicationoftheindustry.

KeywordsdoubleintegralA/Dtransformation;measuringapplianceenlargement;AT89C51singlechip;collectionofdata

目录

第1章绪论1

1.1引言1

1.2电子称重技术的发展趋势1

1.2.1称重传感器2

1.2.2称重仪表3

1.2.3承载器4

1.3论文研究的目的及意义4

1.4本课题研究的主要内容4

第2章主要元器件选型……..........................................................................................................5

2.1转换电路芯片选择5

2.2主控芯片选择6

2.3仪表放大器选择7

2.4电源选择9

2.5显示模块选择10

2.6本章小结10

第3章硬件系统的设计11

3.1电路总体原理框图设计11

3.2主芯片引脚应用11

3.3控制模块与转换模块的连接14

3.4前级放大模块INA12115

3.5自动称重模块16

3.6显示模块与控制模块的连接16

3.7本章小结……………………………………………………………………………..18

第4章软件系统的设计……........................................................................................................19

4.1主程序模块19

4.2子程序模块19

4.3中断程序模块图20

4.3.1T0中断程序21

4.3.2T1中断子程序.21

4.4调零程序模块图……………………………………………………………………..21

4.5显示程序流程图……………………………………………………………………..22

4.6退出程序流程图……………………………………………………………………..23

4.7显示总数程序流程图………………………………………………………………..24

4.8本章小结……………………………………………………………………………..24

第5章系统测试............................................................................................................................25

5.1硬件抗干扰的设计.25

5.2电源的干扰以及抑制措施25

5.3空间干扰的防御措施26

5.4本章小结……………………………………………………………………………..26

第6章设计方案评价……………………………………………………………………………27

6.1硬件部分设计评价27

6.2软件部分设计评价27

6.3本章小结……………………………………………………………………………..27

结论28

致谢29

参考文献30

附录A译文31

单片机的历史……………………………………………………………………………….31

附录B外文原文40

附录C设计总电路图53

附录D程序55

第1章绪论

1.1引言

电子技术和微型计算机的迅速发展，促进了微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，从国防技术、航空航天等到日常生活中的电梯、微波炉等都采用到了微机测控技术。

工业生产中的自动称重系统就是微机测控技术的应用。

自动称重系统主要包括称重装置和数据的存储两大部分。

物料计量是工业生产和贸易流通中的重要环节。

称重装置或衡量器是不可缺少的计量工具。

随着工农业生产的发展和商品流通的扩大，衡量器的需求也日益增多，过去沿用的机械杠杆秤已不能适应自动化和管理现代化的要求。

自六十年代以后，由于传感器技术和电子技术的迅速发展，电子称重技术日趋成熟，并逐步取代机械秤。

尤其是七十年代初期，微处理机的出现使电子称重技术得到了进一步的发展。

快速、淮确、操作方便、消除人为误差、功能多样化等方面己成为现代称重技术的主要特点。

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、改善经营等多方面的作用。

称重装置应用己遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效益。

但是，我国在这方面的产品少且功能不齐全，所以改善现有称重装置、开发研究功能齐全的自动称重系统是势在必行的。

1.2电子称重技术的发展趋势

自七十年代以来，发达国家在电子称重方面，无论从技术水平、品种和规模等方面都达到了较高水平。

在技术水平方面的主要标志是准确度、长期稳定性和可靠性。

目前作为贸易结算用的静态秤（如平台秤、汽车衡、静态轨道衡等）己能做到O、l、M、L规定的3000d（分度），最高可做到6000d。

在稳定性方面要求一年内不允许超差。

在可靠性方面称重传感器在正常使用条件下的寿命一般在十年以上，仪表的平均故障间隔时（MTBF）都超过2000小时，有些产品达到5000小时。

在生产过程用电子秤方面，由于加强了应用技术开发，能够适应各种恶劣环境（高温、振动、粉尘、电磁干扰、爆炸危险等）下使用；准确度一般能做到0.1～0.3％。

在品种方面随着生产发展的需要和新技木的应用，出现了新品种，如非连续式自动累加秤、电脑组合包装秤、高速自动包装秤等、这些自动秤往往与生产过程紧密相连，成为生产线的一个组成部分，或者与生产机械组合成一台机电一体化设备。

电子称重装置主要由承载器、称重传感器和称重仪表三部分组成，称重方式也是电子称重技术不可分割的内容，下面分别叙述其进展和发展趋势。

1.2.1称重传感器

称重传感器是电子称重的核心部件，它把重力转换成电压信号。

称重传感器从原理上分有很多种，包括电阻应变式、压磁式、电容式、振弦式、电感式、核辐射式等，但从准确度、重复性、经济性、使用方便等方面综合考虑，目前大量生产的仍然是电阻应变式传感器。

它在称重传感器中所占的比例达90％以上。

电阻应变式传感器近几年在性能上又有了提高。

随着工业控制系统向数字化发展，近几年来数字式称重传感器也被开发和应用。

由干它直接输出数字量，大大提高了传输中的抗干扰能力，并使得与计算机的通信极为方便[12]。

由于取消了仪表中的模拟放大、A/D转换的环节，使仪表大为简化在计算机中显示和控制的场合，可以不用称重仪表。

目前这种传感器大致有两类：

电阻应变式数字称重传感器和新型数字式称重传感器。

1.2.2称重仪表

称重仪是电子衡器的一种，电子衡器是自动化称重控制和贸易计量的重要手段，对加强企业管理、严格生产、贸易结算、交通运输、港口计量和科学研究都起到了重要作用。

电子衡器具有反应速度快、测量范围广、应用面广、结构简单、使用操作方便、信号远传便于计算机控制等特点，被广泛应用于煤炭、石油、化工、电力、轻工、冶金、矿山、交通运输、港口建筑机械制造和国防等各个领域。

称重仪表由于采用了低漂移高增益放大器、高分辨率A/D转换器、单片微型机、电可擦存储器（EEPROM）和非易失性随机存储器（NOVRAM），使其性能和功能都有了很大提高[1]。

近几年来称重仪表又增加了两项新技术：

Σ－Δ（积分的增量）调制型模数转换器和印刷电路板的表面安装技术（SMT）。

这些新技术的采用，进一步提高了仪表性能和可靠性，井为仪表小型化创造了有利条件。

在性能上已能做到：

非线性优于0.01％灵敏度优十0.2V/d，A/D转换速度一般为10～30次/秒，用于动态称重可达100次/秒以上。

由于采用了比较方式测量，传感器供桥电源和A/D转换基准电源共用一个电源，使电源波动的影响得到了补偿。

为了便于与计算机通信，现代称重仪表都配有各种输出接口供选用。

如RS232C、RS485或RS422A、20mA电流环、模拟量（4～20mA）以及继电器接点输出。

有些制造厂为了加强仪表与计算机的通信，采用直接与工业控制机总线相连的方式[5]。

如西门子SIWARE称重仪的输出能直接与两门子PLC控制器的总线相连。

在工业现场和环境中干扰源是各种各样的，如噪音干扰、工频干扰等，抗工频干扰能力成为衡量电子衡器性能的重要指标。

为了具备这一性能，市场上的电子衡器的电路普遍较复杂，相对地，成本也较高。

而本产品电路简单，成本低，抗工频干扰强，具有很好的推广价值。

为了适应各种应用的需要，当前称重仪表发展的一个趋势是：

通过硬件或软件的积木式组合来实现不同的功能需求。

例如在仪表机箱内通过不同电路板的组合或更换软件存储芯片，来实现不同的功能，以满足各种用途。

1.2.3承载器

承载器是承载重力并将力传递到称重传感器的机械结构。

国外已较多的采用CAD进行承载器（秤台或秤架）的设计，在保证一定强度和刚度的前提下优化设计，从而达到节省钢材，降低造价的目的[2]。

据国外资料介绍，在电子称重装置中，称重传感器的价格这几年变动不大，仪表价格随着电子器件价格下降而成下降趋势，而占成本比重比较大的承载器由于钢材和加工费用的上涨使成本提高。

因此要降低成本提高竞争力，重点是降低秤台造价，所以优化设计，发展薄型结构己是制造厂向的主要目标。

1.3论文研究的目的及意义

随着工业自动化和管理现代化的进展，自动在线称重、快速在线称重和称重系统有了很大发展。

进一步采用新技术，开发各种自动称重系统，提高动态称重的准确度，加强网络功能是当今各国发展的重点[3]。

本课题正是从这一方面出发进行设计的，使得本课题设计的自动称重系统既能获取称重信息，又能实现对称重信息的管理，而且其稳定性好，称量速度快、精度高，可连续自动称重，显示称量结果，实现了称重数据的存储，并且该自动称重系统还实现了可视化，从而杜绝不真实计量现象，维护企业和客户的利益。

另外，其界面直观，便于使用。

而且本设计电路简单，成本低，抗工频干扰强，具有很好的推广价值。

1.4本课题研究的主要内容

本课题是设计一种基于AT89C51单片机的乳粉包装称重控制的电路，主旨是设计一称重仪，对模拟器输出的微弱信号（0～12mV）进行前级放大处理，再以较小的失真、误差来进行A/D转换，并要求具备较强的抗工频干扰能力。

最后利用单片机AT89C51对数字信号进行处理，控制数码管显示等。

主要要求：

（1）该称重系统中每袋乳粉额定重量为500克；

（2）要求每小时包装数量为200袋；（3）系统的称重控制控制精度要求为±0.1％。

第2章主要元器件选型

2.1转换电路芯片选择

采用8位A/D转换器ADC0809。

ADC0809是逐次逼近式A/D转换器，双列直插式，最快的转换速度为100us，其引脚图如图2-1所示：

图2-1ADC0809引脚图

它由8路模拟开关，8位A/D转换器，三态输出锁存器以及地址锁存器译码器等组成。

但由于其抗工频干扰能力较弱，因此综合考虑下来，我们决定采用双积分A/D转换器。

双积分型A/D转换器具有很强的抗工频干扰能力。

对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50HZ的工频干扰抑制能力较强，对高于工频干扰（例如噪声电压）已有良好的滤波作用[5]。

只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。

尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。

故而采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。

作为称重仪，系统对AD的转换速度要求并不高，精度上11位的AD足以满足要求。

另外双积分型A/D转换器较强的抗干扰能力，和精确的差分输入，低廉的价格。

综合的分析其优点和缺点，我最终选择了MC14433。

MC14433是美国Motorola公司推出的单片31/2位A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路[3]。

具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：

1.精度：

读数的±0.05%±1字；2.模拟电压输入量程：

1.999V和199.9mV两档；3.转换速率：

2—25次/s；4.输入阻抗：

大于1000MΩ；5.电源电压：

±4.8V—±8V；6.功耗：

8mW（±5V电源电压时，典型值）；7.采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码分时在Q0—Q3轮流输出，同时在DS1—DS4端输出同步字位选通脉冲，很方便实现LED的动态显示。

MC1443内部结构如图2-2所示：

图2-2MC1443内部结构图

2.2主控芯片选择

本设计开始时，我原本想采用CPLD（复杂可编程逻辑电路）或FPGA（现场可编程门列阵）作为系统的控制器。

因为CPLD具有丰富的可编程I/O引脚，使用方便灵活，不但可实现常规的逻辑器件功能，还可实现复杂的时序逻辑功能，适合完成各种算法和组合逻辑[9]。

但是功耗要比较大,且集成度越高越明显。

FPGA可作为实现各种复杂的逻辑功能，特别用于大电流、大电压场合的控制，规模大，密度高，它将所有的器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。

FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。

但考虑到由于设计的是摆锤运动控制，FPGA的高速处理功能不能得到充分的体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时芯片的引脚多使实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计的实际焊接的工作，降低了PCB板的灵活性。

因此我们决定改变思路，采用普通单片机控制，第一个想到的便是8位的51单片机AT89C51。

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用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位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案[7]。

    单片机AT89C51是一个低功耗高性能单片机，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，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

如图为AT89C51引脚图

：

图2-3AT89C51引脚图

2.3仪表放大器选择

由于压力传感器输出的电压信号为毫伏级，所以对运算放大器精度的要求很高。

因此我们原本想采用高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。

因为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，如图2-4所示：

图2-4OP07构成的差动放大器

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。

但考虑到其电路复杂，需要的元器件多，成本较高。

因此综合讨论下来我们还是选用仪表放大器INA121芯片。

其内部结构图如图2-5所示：

图2-5INA121内部结构图

INA121是TexesInstrumentsBB公司生产的FET输入、低功耗仪器放大电路，性能优越。

前置放大电路的放大倍数设置为50。

较小的前置放大倍数可以避免极化电压的影响。

电压放大电路的放大倍数设置的较高（取为100~200倍），则可以保证总的放大倍数。

同时采用仪表放大器INA121构成的电路还有结构简单，元器件少，成本较低等优势。

2.4电源选择

放大模块与A/D转换模块需要正负电源，且要求电源具有稳定性。

故刚开始首先考虑采用MC7812（正压）MC7912MC（负压）构成的的±12V稳压电源。

但其不可调，不能满足所需要的正负5V电源的要求，所以我采用自制电源，可调式三端集成稳压器是输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的CW317系列（LM317）三端稳压器；有输出负电压的CW