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显示等部分。

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，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。

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

本系统主要由单片机来控制，测量物体重量部分由称重传感器及A/D转换器组成，加上显示单元，此电子秤俱备了功能多、性能价格比高、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、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、键盘电路等构成智能称重系统电路板，从而实现自动称重系统的各种控制功能。

可以说,此设计所完成的电子秤很大程度上满足了应用需求。

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

引言

随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。

常规的测试仪器仪表和控制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巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，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，归纳起来主要是：

称重技术从静态称重向动态称重方向发展；测量方法从模拟测量向数字测量方向发展；测量特点从单参数测量向多参数测量方向发展；电子衡器产品的技术性能向高速率、高准确度、高稳定性、高可靠性方向发展[2]。

1绪论

1.1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发展到现在的全电子型和数字智能型。

电子称重技术逐渐从静态称重向动态称重发展，从模拟测量向数字测量发展，从单参数测量向多参数测量发展。

电子称重系统制造技术及其应用得到了新发展。

国内电子称重技术基本达到国际上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巨大优点，并开始逐渐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。

特别是在准确度和可靠性等方面有了很大的提高。

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。

1.2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巨大优点，并开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量称，成为测量领域的主流产品。

随着数字信息时代的到来，在工业过程检测和称重计量与控制系统中，数字化电子称和数字称重系统的应用越来越多。

本设计则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，再经过A/D转换系统进行模数转换后将信号发送到CPU控制系统处理并传送给LCD显示系统显示。

在此基础上还增加了键盘控制及阈值报警功能，随时可改变称重上限阈值，调节单价，显示总价格，去皮处理等功能，使本产品进一步智能化，更接近本次设计的设计理念。

2总体方案设计

在智能化电子测量的设计理念要求下，本设计由以下七部分组成：

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

其结构原理图如图2-1所示。

2.1显示器的选择方案

方案一：

采用LED（数码管）显示。

LED（数码管）是light-emittingdiode的缩写，它经过合理的设置可以完成显示被测物质量、单价、总价以及可测上限值的任务，并且经济耐用。

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

但是它的显示存在信息量少，显示不直观，不易理解，连线复杂等缺点。

方案二：

采用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，不但可以同时显示被测物质量、单价、总价以及可测上限值，还可以同时显示相应的控制命令、指示符号及单位等，信息量丰富且直观易懂。

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点。

综合比较二者的优缺点，本设计最终采用LCD1602作为显示器。

2.2AD芯片的选择方案

方案一：

采用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。

它的外围接线极其简单，AD7810的转换时间为2μs，采用标准SPI同步串行接口输出和单一电源（2.7V～5.5V）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种电池供电的应用场合使用。

方案二：

采用ADC0809作为A/D转换器件。

ADC0809是采样分辨率为8位的、微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据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，可以和单片机直接接口。

综上所述，由于考虑到8位模数转换已经满足本次设计要求，而且ADC0809的价格相对较低，所以本设计采用ADC0809作为模数转换器件。

2.3CPU的选择方案

方案一：

采用传统的8位的51系列单片机作为系统控制器。

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，功能强大的AT89C52单片机可以提供许多较复杂系统控制应用场合。

而且我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说较为熟悉。

方案二：

采用32位的ARM2138作为系统控制器。

ARM2138具有强大的存储空间，内嵌32K片内静态RAM和512K的flash存储器，可以实现在系统可编程（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，引脚资源丰富，多达47个可承受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。

但价格相对较高。

综上分析，由于考虑到器件的价格、现有资源和对器件的掌握程度，控制器模块选择方案一。

2.4总体方案的设计

综合考虑本次设计要求、现有元器件资源、元器件价格和对元器件的熟悉掌握程度，本次设计选用AT89C52作为CPU控制器，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基于单片机控制的电子秤的基本组成框图

传感器的测量电路选用全桥电路，由四个电阻应变计组成。

无外力作用时，桥路平衡，输出电压为零；有外力作用时，电阻应变计的阻值发生变化，桥路失去平衡，有相应的电压输出。

但是由于此电压信号过于微弱，难以被ADC0809采集，则需经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理后送显示器显示。

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

3硬件设计

3.1传感器的设计

3.11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分组成[4]。

本次设计所采用的传感器如图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，引起电阻值改变，其结果使电桥产生不平衡输出，此输出与外载荷成正比。

常用的电阻应变计有两种：

电阻丝应变计和半导体应变计，本设计中采用的是电阻丝应变计，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。

图3-1应变式传感器安装示意图

在制作过程中，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，在测量时我们一定要特别注意，尤其以温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：

①应变计敏感丝栅电阻温度系数；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]。

因此当温度变化时，在被测体受力状态及大小不变时，输出电压会有一定的变化。

对于因温度变化对桥路零点输出及灵敏