数字化称重仪表设计.docx

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数字化称重仪表设计

数字化称重仪表设计

毕业设计论文

数字化称重仪表

摘要

早期的称重仪表由于数字电路和模拟技术的发展水平较低，结构复杂并且操作繁琐，已经不能满足当前市场对称重系统的要求，称重的功能、速度及精度对于飞速发展的数字化称重行业已经相对落后。

数字化称重仪表是在模拟式称重仪表的基础上发展起来的。

当今，由于微计算机与嵌入式系统在称重领域中的局限应用，使称重仪表在集成化、数字化上没有实现其要求。

因此，为了满足当今市场对称重技术的要求，本设计结合微计算机技术与称重技术提出了一种不仅具有系统参数设定、自动清零、数据处理、故障自我诊断、自动修正误差功能等特点，而且具有结构简单、体积小、成本低、现场适应能力强、称重准确、可靠性高、动态响应好等多功能新型数字化称重仪表。

本论文在深入对数字化称重仪表设计方法研究的基础上，主要完成了新型数字化称重仪表的总体方案设计；完成了数字化称重系统的主控硬件流程图；完成了由等臂全桥电阻应变式传感器电路、三运放仪表放大电路和A/D转换电路组成的系统数据采样电路；完成了系统主控程序的软件程序设计及系统初始化、参数设定、A/D转换和故障报警处理等模块的程序软件设计。

关键词：

电阻应变式传感器；STC89C52单片机；A/D转换；LED显示

DigitalWeighingInstrument

Abstract

Asaresultoftheearlydigitalcircuitsandanalogtechnology,thelowerlevelofdevelopment,thecomplexstructureandcumbersomeoperation,weighinginstrumentshavebeenunabletomeetcurrentmarketrequirementsfortheweighingsystem.Thefeaturesofweighing,weighingspeedandweighingaccuracyfortherapiddevelopmentofdigitalweighingindustryhavebeenlaggingbehind.

DigitalWeighingInstrumentsaredevelopedonthebasisofanalogueweighinginstrument.Today,asaresultoflimitatedusnessofmicro-computersandembeddedsystemsintheweighingfield,sothatweighinginstrumentdoesnotachieveitsdemandsintheaspectsofintegrationanddigital.Therefore,inordertomeettoday'smarketrequirementsoftheweighingtechnology,thedesignwithmicro-computerandweighingtechnologyisakindofnewmulti-functionaldigitalloadmeter.Itnotonlyhasfeaturesofsettingsystemparameters,automaticallyclearing,dataprocessing,faultself-diagnosising,automaticallycorrecttingerrors,etc,butalsogetssimplestructure,smallsize,lowcost,on-siteadaptability,weighingaccuracy,highreliabilityandgooddynamicresponse.

Inthispaper,in-depthonthedesignofdigitalweighinginstrumentonthebasisofthemethods,anewtypeofdigitalweighinginstrumentoftheoverallprogramdesigniscompletedprimarily;hardwarecontrolsystemflowchartiscompleted;thearmandsothewholeresistancestrainsensorbridgecircuits,thethreeopampinstrumentationamplifiercircuitandA/Dconversioncircuitsystemdatasamplingcircuitarecompleted;thesystemofcontrolprocedures,systemdesignsoftwareprograminitialization,parametersettings,A/Dconversionandfailurealarmprocessingsoftwaremoduledesigniscompleted.

Keywords:

resistancestrainsensor;Single-chipSTC89C52;A/Dconversion;LEDdisplay

摘要I

AbstractII

第一章绪论1

1.1课题研究背景与意义1

1.2本设计主要任务2

1.3论文的总体结构2

1.4数字化称重仪表的历史与现状3

1.5数字化称重仪表的特点与基本性能4

1.5.1数字化称重仪表的特点4

1.5.2数字化称重仪表的基本性能4

第二章数字化称重仪表总体方案设计5

2.1数字化称重仪表的基本结构5

2.1.1系统硬件结构5

2.1.2系统软件结构6

2.2重量数据采集电路与算法7

2.3系统基本性能探析9

第三章系统硬件设计与实现11

3.1系统硬件概述与工作原理11

3.1.1系统硬件概述11

3.1.2系统硬件组成及工作原理11

3.2等臂全桥差动电阻应变式传感器12

3.3三运放仪表放大器13

3.4A/D转换器（TLC0832）15

3.5STC89C52单片机16

3.6三极管驱动数码管LED显示电路19

3.7声光报警电路20

3.82*2键盘21

第四章系统软件设计与实现23

4.1系统软件设计概述23

4.2系统软件主程序及子程序流程23

4.2.1系统主程序流程23

4.2.2A/D转换（0832）程序流程24

4.2.3LED显示程序流程25

4.2.4键盘扫描程序流程26

4.3系统C51语言的选用27

第五章抗干扰分析与系统调试29

5.1抗干扰分析29

5.1.1干扰产生原因29

5.1.2抗干扰措施31

5.2系统调试32

5.2.1系统调试概述32

5.2.2系统硬件调试32

5.2.3系统软件调试34

5.2.4整机调试37

第六章结论与展望38

6.1设计结论38

6.2未来展望39

参考文献41

附录A硬件原理图43

附录B源程序44

致谢52

第一章绪论

一.1课题研究背景与意义

当前市场电子称重技术的出现，极大促进了现代化制造技术的发展，特别是称重数字化技术和产品，在工业生产过程应用中，既提高了产品的质量，又提高了生产效率。

早期的称重仪表基于早期单片机技术，对称重信号的放大和转换处理，但由于数字电路和模拟技术的发展水平较低，导致仪表结构复杂而且操作繁琐，参数设置依靠数十个DIP开关的位置来确定，多只传感器需要串连接入仪表，以补偿放大电路的不足，而由此带来的角差调整问题一直无法解决。

到上个世纪八十年代末九十年代初的时候,普遍使用的称重仪表基本成型,通过按键和按钮可设置各种参数，并进行各种操作，再加上放大电路和高速高精度A/D转换技术的突破，多称重传感器并联接入称重仪表，有效解决了传感器角差问题，使得计量更准确、可靠。

上世纪九十年代末的时候，数字式称重传感器开始逐渐在国外应用，出现了相应的数字化称重仪表；可将多路数字传感器的信号同时输入仪表，在检测总重量的同时可分别看到各传感器的资料，带来了更换传感器免标定、总量数据更稳定、传输距离更远等一系列优点。

数字化称重技术的研究方兴未艾,是科学技术的发展方向,数字化称重仪表的发展将会越来越快,为我国科学的发展作出更大的贡献。

目前国内外称重技术已经较初期有了很大的发展，但主要发展趋势可以概括为功能多样，体积减小和使用方便等三个方面。

当前，由于微电子技术、计算机技术、测控技术和称重技术的迅速发展，我国工农业生产也得到了长足的发展，对数字化技术和称重技术的要求也越来越高。

然而今天的称重技术远远没有达到我们理想所要求的状态，所以在过去称重仪表发展的基础上，利用新技术设计一种新型的数字化仪表来满足当今市场需求已是我们专业人员不得不面对的重大责任。

通过将近三年多对仪表的学习认识和近半年多对称重仪表的探讨，使我对称重仪表在微处理器中的应用有了一个新的认识，并且结合自己的观点和想法概括出了一种新型数字化称重仪表。

一.2本设计主要任务

1.分析市场对称重仪表的功能要求，概括系统总体设计方案。

对数字化称重仪表的总体概述，以及画其原理结构框图，并确定设计仪表完成的功能。

2.系统硬件设计

完成系统微处理器的选用，称重传感器的选用，仪表放大器的选用，A/D转换器的选用，三极管以及驱动LED显示的选用，以及它们的连接方式和工作原理，并用PROTEL99SE画出原理图（SCH图）和简单的PCB图。

3.系统软件设计

确定系统称重算法，制定软件程序流程图，并根据软件程序流程图，选用合适的编程语言编写源程序，进而进行软件程序调试以及程序优化，最终实现软件运行。

4.对设计系统抗干扰分析以及软硬件调试，并进行整机功能演示。

5.根据设计过程与现象，分析和概括设计结论，并对称重系统未来发展进行展望。

一.3论文的总体结构

第一章是绪论部分。

介绍课题的研究背景及意义、主要工作与任务，称重仪表的特点与基本功能。

并通过分析称重仪表的历史和现状，指出国内称重技术的不足。

第二章是系统总体设计方案分析。

分析称重系统软硬件的设计方案，实现称重数据采集系统的电路图以及算法，并对系统性能进行探析。

第三章是系统的硬件设计与实现。

本章详细介绍系统硬件的组成和特点，各功能硬件模块的选用，主要包括微处理器模块、数据采集模块、参数设置模块、A/D转换模块、LED显示模块和声光报警模块。

第四章是系统的软件设计与实现。

本章软件设计内容包括系统主程序、数据采集与数据处理模块和声光报警等模块的设计，详细描述了数据采集模块的采集和处理，设计了系统主程序和数据采集处理程序。

第五章是抗干扰分析与系统调试。

介绍在工业现场中仪表可能遇到的各种干扰以及抗干扰措施和系统软硬件调试过程。

第六章是结论与展望。

总结论文整体内容，概况毕业设计阶段所有的学习成果，探讨论文的局限性和待改善之处，并且对今后工作进行展望。

一.4数字化称重仪表的历史与现状

早期的称重仪表由于数字电路和模拟技术的发展水平较低，结构复杂并且操作繁琐，现在我们所说的数字化称重仪表是将微处理器技术应用于称重仪表，使其具有类似人的智能特性或功能特点，它已不再是以前的硬件实体，而是硬件与软件相结合的，由软件系统在数字化高低方向起决定作用的新型数字化称重仪表。

近年来，由于我国改革开放的不断推进，微型计算机技术和嵌入式系统迅速发展，称重仪表对数字化要求越来越高。

当前的称重仪表是以单片机或嵌入式系统为主体，由编程软件、各种特殊而复杂的功能模块、简化的用户组态编程功能以及各种典型应用的控制策略包等模块组成的软件，实现了称重仪表在数字化上具有自动称量、在线称量、综合称量的能力，并可通过微处理器的数据处理实现系统自动校准、自动补偿、数字滤波、统计分析、数字处理等，从而在很大程度上提高了系统的精度，拓宽了称重仪表在称重领域中的应用范围。

也实现了预期称重自动配料、人机对话、故障诊断、掉电保护、数据处理及远距离显示等许多功能。

在外观和操作界面上，也更具有人性化和个性化。

一.5数字化称重仪表的特点与基本性能

一.5.1数字化称重仪表的特点

1.具有系统参数设定、自动清零、数据处理、故障自我诊断、自动修正误差功能等特点。

2.具有结构简单、体积小、成本低、现场适应能力强、称重准确、可靠性高、动态响应好等特性。

一.5.2数字化称重仪表的基本性能

近年来,由于微型计算机技术和嵌入式系统迅猛发展,当前的称重仪表是以单片机或嵌入式系统为主体,由编程软件、各种特殊而复杂的功能模块、简化的用户组态编程功能以及各种典型应用的控制策略包等模块组成的软件,来完成众多的数据处理和控制任务,取代传统的模拟称重仪表，并展现出一些新的功能。

（1）操作自动化。

数字化称重仪表的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用微处理器来控制操作,实现测量过程的全部自动化。

（2）具有自测功能,包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等，并它能自动检测出故障的部位，甚至故障的原因。

（3）具有数据处理功能。

数字化称重仪表都是采用微处理器进行系统控制，所以可以用软件编程灵活地解决过去的硬件逻辑问题。

（4）具有独特的人机对话能力。

数字化称重仪表通过键盘输入命令实现某种测量功能，同时也通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时反映给操作人员,使仪表的操作更加方便直观。

第二章数字化称重仪表总体方案设计

二.1数字化称重仪表的基本结构

数字化称重仪表实际上是一个专用的微处理器称重系统，设计过程主要包括分析当前市场对称重仪表的功能要求和概括其总体设计方案，确定硬件结构和软件算法，研制逻辑电路和编制程序,以及对仪表各模块、整机安装调试和性能功能测试等。

在设计结构上，主要由硬件设计和软件设计两大部分。

二.1.1系统硬件结构

硬件结构主要包括称重传感器、仪表放大器、A/D转换器、微机系统以及显示与声光报警装置，其基本组成如图2.1所示，现对图中主要部分分别表述如下：

图2.1硬件结构原理方案图

1.称重传感器与仪表放大器

称重传感器是整个数字化称重系统采集重量信号的源头，是一种将被测物质量信号变换为与其质量成比例的电信号的装置。

也有人称其为数字化称重系统的“心脏”。

它具有称量响应速度快、灵敏度高、性能稳定可靠、机械结构简单、传输距离远、体积小、重量轻、机械磨损小、输出信号大、使用寿命长、维修及操作使用简单、环境适应性强等特点。

然而，由于它在称重现场采集并变换的各种参量信号都很微弱，通常只有uV或mV，不能满足微机系统输入的要求，必须用高输入阻抗的仪表放大器对它们进行放大，使其达到一定的幅度（通常为几伏）。

2.A/D转换器

A/D转换器是整个数字化称重系统的重要组成部分。

它能把称重传感器与仪表放大器采集并放大的模拟信号转化为相应的数字信号，从而为微机系统对称重数据存储、运算、逻辑判断提供了保障。

3.微机系统

单片机芯片配以必要的外部器件就能构成最小微机系统。

对于较复杂的数字化称重仪表，需较大的存储器容量和较多的I/O接口，单片机能提供很强的扩展能力，可以直接与外部存储器和I/O接口电路相连接，构成功能较强、规模较大的微机系统。

它可以将称重传感器和A/D转换器采集转换获得的数字信号进行存储、运算并处理，最终将结果显示和报警等。

4.人机对话通道系统

数字化称重仪表中的人机对话通道是用户为了对称重仪表进行干预及了解该仪表运行状态所设置的通道。

它所配置的设备主要有：

键盘、显示器、电源与复位开关、报警器等。

二.1.2系统软件结构

数字化称重仪表软件结构主要包括实现采集重量数据的算法、各模块程序设计流程以及系统C51编程程序等。

（1）采集重量数据算法。

算法顾名思义，即计算方法，也就是为求得重量数据显示的计算结果，而使用的方法和步骤。

算法是解决问题的基本环节，是程序设计的核心。

（2）系统软件模块流程主要包括主程序流程、A/D转换流程、键盘与显示等流程。

主程序流程是面向称重仪表软件整体设计，其内容包括：

在工作电源激励下，通过键盘扫描程序，对仪表的功能、操作方式与工作参数进行设置、控制；根据仪表设置的功能和工作方式，控制I/O接口电路进行数据采集、存储；按照仪器设置的参数，对采集的数据进行报警等相关处理，并以数字形式显示测量结果和仪表的工作状态。

A/D转换流程是面向模拟信号与数字信号的对应转换管理，其内容是接收并分析来自称重传感器和仪表放大器的电压信号，通过自身功能转换为数字信号，并送给微处理器进行有关的数据存储、运算等，进而送入显示接口显示测量结果、数据处理结果及仪表的现行工作状态。

键盘和显示流程主要完成超载数据设定、人机对话等任务，使工作人员能及时实施系统操作，以至系统在称量过程中能得到准确值。

（3）系统使用C51编写软件程序，不仅具有易理解性、易维护性，而且在编程过程中，可以对各个模块单独进行调试，调试通过后再进行整体调试。

二.2重量数据采集电路与算法

随着称重技术以及微计算机技术的迅速发展，重量数据采集系统取得了巨大的进展，主要得益于硬件集成电路的不断发展。

当前，单片机和大规模集成电路的组合，加上用软件管理，使重量数据采集系统不仅具有成本低，体积小，功能多等特点，而且系统采样率、分辨率、存储深度、数字信号处理速度、抗干扰能力等许多技术指标都有了前所未有的变化。

重量数据采集系统的发展是整个称重系统实现自动化的最前端，所以必须有测试精度高、数据处理速度快以及实现这些功能的成本低等特性。

重量数据采集通常是指将重量信号转换为计算机能显示的数字信号、并由计算机存储以及数据处理显示的过程，其相应的系统称为重量数据采集系统。

它综合应用了数据采集技术、称重传感器技术、信号处理技术、微计算机等技术，实现了高精度、高可靠性、响应速度快、现场适应能力强的称重系统。

采集电路如图2.2所示

图2.2系统数据采集电路图

在图1电路中，由于设计设定R1=R2=R3=R4=R，

，电桥电路构成了等臂全桥差动电路，即输出电压U0=U

根据电阻应变片的灵敏度K=

（

为电阻丝纵向应变）。

所以输出电压U0=K

U,而对于相同材质的电阻应变片经过伸缩后，有

=

，

=

，即等臂全桥差动电路组成的称重传感器输出电压

（2.1）

K为称重传感器的灵敏度，GF为称重传感器的满量程值，U为传感器工作电压（即设计系统为+5V），Gx为被测重量值。

称重传感器的输出电压加在三运放仪表放大器的反相和同相输入端，并且系统设定电阻R5=R6，R7=R8，R11=R12后，使三运放仪表放大器完全成为对称结构，即输出电压

（2.2）

由式（2.1）和（2.2）可得

（2.3）

又因为TLC0832A/D转换器的参考电压

（2.4）

TLC0832A/D转换器最终输出数字读书为

（2.5）

采样系统采用“电压比率测量法”，可减轻对激励源高精度和高稳定性的要求和压力。

A/D转换器采用单一的+5V电源工作，对0—1.5V范围内的单端信号进行变换，它功耗比较低，适用于电池供电和远程测量。

二.3系统基本性能探析

数字化称重仪表就其本身的结构而言，主要具有变换、比较、显示装置三部分。

而从其结构原理图可知，系统是由多个环节串联而成，所以从属开环结构，即系统全部信息变换只沿着一个方向进行，其灵敏度与精度由开环特性可表示如下形式。

1.灵敏度

（2.6）

式中K为称重仪表的灵敏度；

为开环各环节的灵敏度。

2.精度

（2.7）

式中

为称重仪表的相对误差，

为开环各环节的相对误差。

由式（2.6）与（2.7）可知：

若要增加称重仪表灵敏度K，必须增加环节的个数或增大环节的灵敏度

。

增加环节个数，称重仪表的相对误差

必增大；若不增加环节个数，而提高环节灵敏度，则对应较小的输入信号，就能得到相同的输出显示，故仪表对应的测量范围必减小；若绝对误差不变，称重仪表相对误差

必将随着增大。

因此在增加系统灵敏度的同时，称重仪表的相对误差也相应增大，从而降低了仪表精度。

另外在这种结构中，在增加灵敏度的同时，称重仪表的稳定性也在大大的降低。

因此，在本设计系统中主要采用等臂全桥差动电路提高其灵敏度，采用三运放仪表放大器提高其精度，保证了设计仪表在当今市场的适用性。

第三章系统硬件设计与实现

三.1系统硬件概述与工作原理

三.1.1系统硬件概述

数字化称重仪表在硬件设计中，根据称重任务、应用场合的不同，选择不同的硬件体系，但主要根据称重系统的规模大小、控制功能性质及复杂程度、实时响应速度及检测控制精度等专项指标和通用指标决定。

设计从使用称重仪表现场出发，应用STC89C52单片机组成的硬件平台，开发了一台具有独立性、创造性、先进性的数字化称重仪表，与以往称重仪表相比，提高了称重精度、可靠性、可维护性和可测试性，增强了其性能和功能。

而硬件设计系统是由称重传感器、模/数信号调理、数字信号处理、重量数据显示、声光报警控制等几部分组成。

三.1.2系统硬件组成及工作原理

本设计是以等臂全桥差动电阻应变式称重传感器、三运放仪表放大器、TLC0832A/D转换器、STC89C52单片机、三极管驱动的LED显示器、声光报警器以及2*2矩阵键盘等构成的一个简易的数字化称重仪表，结构原理图如图3.1所示

图3.1系统结构原理图

其简单的工作原理为载荷作用在工作电源激励下的电阻应变式称重传感器上，经称重传感器检测变换为与质量成比例的电信号，该信号首先经三运放仪表放大器放大，然后通过TLC0832A/D转换器转换成数字信号后进入STC89C52单片机，由单片机软件自动调节控制，同时将处理后的称量数据送至LED显示器进行显示。

在称重过程中一旦遇到超载等故障，由单片机软件自动判断故障,并进行相应的声光报警处理。

三.2等臂全桥差动电阻应变式传感器

本设计使用等臂全桥差动电路构成的电阻应变式传感器实现重力、弹性应变、电阻变化、电信号变化四个转换环节。

电路图如图3.2所示

图3.2等臂全桥差动电路图

由上图可知，当R1R4=R2R3时，电桥处于平衡，输出电压U0=0。

若电桥各臂均有相应的电阻增量

和

，则可得

（3.1）

由于系统采用等臂全桥差动电路，即R1=R2=R3=R4=R,

=-

=-

=

=

（

为正值），所以输出电压

（3.2）

这种称重传感器是一种用金属弹性体作为力转换为应变的功能元件，它通过粘贴在弹性体敏感表面的电阻应变计及其等臂全桥差动电路组成的电桥网络，具有稳定性、线性度好等特点的传感器。

它在粘贴应变片时，分别使电桥中的两个相对应变片受拉，两个受压，应变符号相反，工作时