小型称重系统的设计.docx
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小型称重系统的设计
摘要
传统的称重在市场上已经满足不了我们的需求。
我们一直希望紧凑,测量准确,显示直观,便宜的电子称重装置可取代传统的称量工具。
电子称重机便应运而生,凭借称重仪表无法取代传统的功能,如称量方便,准确,自动化控制,操作简单,广泛应用于人们的生活,工业生产中。
电子称重装置以MCU作为中央控制单元,由通过称重传感器进行模数转换单元,在配以键盘、显示电路及强大软件来组成。
本选题采用压力传感器来收集由于通过电压放大电路产生的微弱信号的压力变化,通过A/D转换器转换成数字信号后,将数字信号送入微处理器。
经微控制器的适当处理后,将模拟量转化为数字量输出,控制器接受来自A/D转换器输出的数字信号,将数字信号转换为物体的实际重量信号,并传送到显示单元。
此外,项目可通过键盘涉嫌价格被设置。
这种高精度智能电子称重器体积小,准确,便于携带,重量函数集的质量和价格计算功能于一体,满足商业贸易和居民家庭的需要。
关键词:
电子称重器;单片机;称重传感器
Abstract
Traditionalweighedonthemarkethasfailedtomeetourneeds.Wealwayswantedacompact,accuratemeasurement,intuitivedisplay,cheapelectronicweighingdevicecanreplacethetraditionalweighingtools.Electronicweighingmachineshavecomeintobeing,byvirtueofweighinginstrumentscannotreplacethetraditionalfeatures,suchasweighingconvenient,accurate,automaticcontrol,simpleoperation,widelyusedinpeople'slivesandindustrialproduction.
ElectronicweighingmeansasacentralcontrolunitMCUfromtheloadcellthroughtheanalog-digitalconversionunitconfiguredwithakeyboard,adisplaycircuitandpowerfulsoftwarecomponents.ThetopicusingpressuresensorstocollectthepressureproducedbythechangeofthevoltageamplifiercircuitweaksignalsbyA/Dconverterintoadigitalsignal,thedigitalsignalisfedtothemicroprocessor.Afterappropriatetreatmentofthemicrocontroller,theanalogtodigitalconversionoftheoutput,thecontrollerreceivesthedigitalsignalfromA/Dconverteroutputsadigitalsignalisconvertedtotheactualweightoftheobjectsignals,andtransmittedtothedisplayunit.Inaddition,theprojectcanbesetviathekeyboardallegedprice.Thishigh-precisionelectronicweighingdevicessmallsmart,accurate,easytocarry,qualityandpricecalculationoftheweightfunctionsetfunctions,commercialtradeandresidentstomeettheneedsoffamilies.
Keywords:
electronicweighingdevices;SCM;weighingsensors
第一章绪论
1.1选题的背景和意义
随着超大规模集成电路技术和电子技术的诞生,微芯片应用技术得到广泛的发展。
单片机以功能强、体积小、性价比高等优势被广泛应用于电子仪器,家用电器,节能设备,军事装备,机器人,工业控制等领域,使产品小型化,智能化,既提高了功能和质量的产品,而且还降低了成本,简化了设计。
单片机的使用已经渗透到各个领域,人们越来越觉得应用单片机技术优势,因此微控制器也被广泛使用。
同时,它也在不断完善和发展。
市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。
人们一直希望体积小巧、测量准确、显示直观、价格便宜的电子称重器能够代替传统的称重工具。
电子称重器便应运而生,凭借着传统称重工具不可代替的功能,例如称量方便、准确度高、自动化控制、操作简单,广泛的运用于人们生活、工业生产、科学研究中。
其次,电子称重器重系统与传统称重系统比较有体积小、重量轻、结构简单、维护方便等特点,可在各种环境工作,重量信号可远传,易于实现重量显示数字化,易于与计算机联网,实现生产过程自动化,提高劳动生产率。
目前市场上使用的称量工具,或是结构复杂、或运行不可靠,且成本高,精确度不够。
因此,设计出一套有针对性的电子称重器重系统,改善电子称重器重系统在应用中的不足之处。
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、人性化用在了电子称重器重系统的控制系统中。
本选题主要由单片机进行控制,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,此电子称重器重系统具备性价比高、功耗低、系统设计简单、测量准确、自动化程度高等特点。
1.2国内外研究现状
称重技术自古以来就被人们所重视,作为一种计量手段,广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域,与人民的生活紧密相连。
电子称重器是电子称重器中的一种,称重器是国家法定计量器具,是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备,称重器产品技术水平的高低,将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。
因此,称重技术的研究和称重器工业的发展各国都非常重视。
在1960年开发出了与称重器相联的专门称重值打印机。
当时带电子装置的称重器其称量工作是机械式的,但与称量有关的显示、记录、远传式控制器等功能是电子方式的。
电子称重器的发展过程与其他事物一样,也经历了由简单到复杂、又粗糙到精密、由机械到机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。
特别是近30年以来,工艺流程中的现场称重、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作,都离不开能输出信号的电子称重器。
我国的称重器在20世纪40年代以前还全是机械式的,40年代开始发展了机电结合式的称重器。
电子称重器产品量大面广、种类繁多,从通用的各种规格的电子称重器到大型的电子称重器重系统,从单纯的称重、计价到生产过程检测系统的一个测量控制单元,其应用领域不断地扩大。
根据近些年来电子称重器重技术和电子称重器的发展情况及电子称重器市场的需求,电子称重器的发展动向为:
小型化、模块化、智能化、集成化;其技术性能趋向于速率高、准确度高、可靠性高;其应用性趋向综合性、组合性。
1.3电子称重器介绍
电子称重器实际上由两个测量部分组成,即“力—电”转换元件(称重传感器)以及显示仪表。
电子称重器大致可以分为两大类,一类是在杠杆式机械称重器的基础上增加一套“位移—数字”转换及测量装置,将被称物体的重量直接用数字显示出来。
这类称重器,通常采用码盘、光栅、电磁平衡力矩器、同步感应器或陀螺传感器等。
这种电子称重器人们通常称其为光栅电子称重器、码盘电子称重器、电子磁力电子称重器、同步感应电子称重器或陀螺电子称重器。
另一类电子称重器是通过称重传感器,将被称物体的重量直接转换为与被测重量成正比的电量信号,再由电子测量装置计量其大小,并直接显示其重量数据,这类电子称重器一般称为传感器式电子称重器。
采用称重传感器的电子称重器重系统中,基本上是测量质量受到地球引力作用而产生的力。
由于引力随海拔高度而变化,当电子称重器应用在引力不同的地方时,只要对该秤重系统进行新的校准即可。
由于电子称重器重传感器的压缩量通常可以忽略不计,因而在实践中可以安装在工业过程中的任何地方。
在电子称重器重系统中,称重传感器的主要特点是把作用在它上面的被测力,自动而准确地转成相应的电信号。
压力传感器根据制作原理不同可以分为压电式、电容式、霍尔式、压磁式振弦式和应变式等,虽然能够感知压力的传感器很多,但并不是所有的压力传感器都能够在电子称重器重系统中很好的应用,特别是动态的称重系统。
在称重的过程自动化控制中,要求压力传感器不仅能感知重力信号,而且其性能必须可靠、动态响应性要好、抗干扰性能要好;压力传感器提供的信号经检测系统可以直接显示、记录打印、存储或用于反馈调节控制。
电子称重器不仅要向高精度、高可靠方向发展,而且更需向多种功能的方向发展。
如今设计的电子称重器由于时间和所学知识有限,不是每个附加功能都具有。
所以今后随着电子高科技的飞速发展,电子称重器技术的发展定将日新月异。
同时,功能更加齐全的高精度的先进电子称重器将会不断问世,其应用范围也会更加拓宽。
第二章小型称重系统方案设计
2.1系统概述
目前,在商业贸易中使用台式电子称重器已成为相当普遍的,但有很大的缺点:
体积大,成本高,需要工频交流电源,携带不便,应用领域将受到限制。
现有的便携秤为杆秤或弹簧,拉伸变形测量弹簧秤的实现。
弹簧度盘秤制造工艺要求较高,弹簧疲劳问题并不能完全解决弹簧的问题,一旦超过弹簧的弹性限度,弹簧会产生较大的误差,以至损坏,影响了称重的准确性和可靠性,只是一个暂时的替代品。
在微控制器技术的广泛应用,传感器技术和计算机技术的发展,电子产品出现迅猛发展。
在设计过程中的系统,除了系统的基本功能可以实现,还增加了打印和通信的功能,可以实现与其他机器或装置(包括PC主机和数据存储装置)进行数据交换。
此外,该系统的微控制器部分,选择兼容性较好的AT89系列微控制器,升级系统的时候,你只需要增加很少的硬件电路,甚至只是系统控制程序修改即可实现。
综上所述,本项目的主要设计思想是:
采用压力传感器来收集由于通过电压放大电路产生的微弱信号的压力变化,通过A/D转换器转换成数字信号后,将数字信号送入微处理器。
经微控制器的适当处理后,将模拟量转化为数字量输出,控制器接受来自A/D转换器输出的数字信号,将数字信号转换为物体的实际重量信号,并传送到显示单元。
此外,项目可通过键盘涉嫌价格被设置。
这种高精度智能电子称重器体积小,准确,便于携带,重量函数集的质量和价格计算功能于一体,能够满足商业贸易和居民家庭的需要。
图2.1设计思路框图
2.2系统组成
2.2.1AT89C51单片机
CPU主控模块以AT89C51单片机进行控制,把数字温度传感器采集到的温度信号与原预先设定值进行比较,然后根据他们的差异,通过PID调节,在不同的加热方法控制继电器的通断,可以用键盘输入的数据处理和温度信号的实时显示。
AT89C51引脚定义图如下所示:
图2.1AT89C51
AT89C51是一个高性8位微处理器芯片的微机。
它带有一个4K字节可擦除可编程只读存储器闪存微控制器。
单片机的EEPROM可反复擦除100次。
该设备使用与工业标准的MCS-51指令集的高密度非易失存储器制造技术制造。
由于CPU和FLASH存储器功能的单芯片上的八个组合,AT89C51单片机是一种高效微控制器AT89C51单片机提供了灵活性,并为许多嵌入式控制系统的低成本解决方案的高度。
AT89C51各引脚功能说明如下:
VCC:
电源电压。
VDD:
地面。
P0口:
P0口是一个8位漏极开路双向I/O口,每个引脚可以吸收8TTL栅极电流。
P1口:
P1口是一个内部上拉电阻来提供的8位双向I/O口,P1口输出缓冲器接收4TTL门电流。
P2口:
P2口是一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,四TTL输出门极电流,当P2口被写“1”,该引脚在内部上拉电阻拉起,并作为输入。
P3口:
P3口引脚的上拉电阻8与内部双向I/O端口,接收输出电流4TTL门。
RST:
复位输入。
/PSEN:
外部程序存储器选通信号。
由外部程序存储器
在取指单元,两次,每个机器周期/PSEN有效。
当/EA端保持高电平,开始从内部程序存储器读取。
XTAL1:
输入和反向放大器的内部时钟振荡电路的操作。
XTAL2:
振荡器的反向输出。
2.2.2传感器的选择
传感器是一个非常重要的因素,因此,传感器的选择也很重要。
不仅要注意其范围和参数,还要考虑各种电路设计和易用性设计成本等方面的相对配置。
本设计采用SP20C-G501电阻应变式传感器,最大射程为7.5公斤称重传感器由模块化的S型梁结构,金属箔式应变片结构,具有过载保护装置。
因为随着温度的变化,如抑制,干扰抑制,补偿和方便,如此之高,该传感器的测量精度,温度特性好,性能稳定等优点,被广泛应用于动态和静态测量和多种不同结构的惠斯登电桥仪器的电子称重器重设备。
称重传感器主要由弹性体,电阻应变式电缆等组成,并如图2.2所示。
图2.2传感器工作原理图
它的工作原理是:
当应变片测量,将其粘贴在弹性体上。
当弹性体的受力变形时,应变片是敏感栅变形,其电阻相应地发生变化,通过转换电路转换为电压或电流的变化。
因为使用惠更斯电桥中,当弹性体在载荷下变形的内部电路中,输出信号电压由下式给出以下公式2-2:
(2-2)
2.2.3放大电路的选择方案
主要由高精度低漂移运算放大器的差分放大器,从而构成预处理电路的差分放大器具有高输入阻抗,高增益特性,可以用来使一个普通的运放差动放大器。
其设计的电路如图2.3所示:
图2.3利用普通运放设计的差动放大器电路图
2.2.3数码管
图2.4数码管结构
在一般情况下,一个单一的发光二极管的压降约为1.8V,电流不应超过30mA的。
发光二极管的阳极连接在一起,连接到正电源称为共阳数码管,阴极发光二极管连接在一起,连接到电源的阴极称为共阴极LED。
常用的LED数码管显示数字和字符是0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F
图2.5驱动接口
LED数码管的优点
(1)在低电压,低电流状态的发光,兼容ITL,CMOS。
(2)低成本。
响应发光时间短(<0.1μS),单色性好,亮度高,高频率特
(3)性能好,重量轻体积小的影响。
(4),使用寿命长,在100000小时内基本生活。
2.2.4键盘输入
键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分,它是系统接受用户指令的直接途径。
操作者通过键盘向系统发送各种指令或置入必要的数据信息。
因此键盘模块设计的好坏,直接关系到系统的可靠性和稳定性。
键盘是由若干个按键开关组成,键的多少根据单片机应用系统的用途而定。
键盘由许多键组成,每一个键相当于一个机械开关触点,当键按下时,触点闭合,当键松开时,触点断开。
单片机接收到按键的触点信号后作相应的功能处理。
因此,相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号。
第三章系统硬件的设计
在本系统中,称重传感器在受到压力或拉力时会产生电信号,受到不同压力或拉力是产生的电信号也随着变化,而且力与电信号的关系一般为线性关系。
由于上述压力传感器的输出一般是在0〜20mV时,A/D转换和单片机正常工作需要对信号进行放大输出。
由于传感器的输出是一个模拟信号,它需要的A/D转换后的数字信号提供给微控制器接收。
MCU根据来自速度传感器输出的传感器输出的电信号的速度和负载上的物体的重量。
在这个系统中,主要由以下部分组成的硬件电路:
AT89C51最小系统配置,电源电路,数据采集,人—机转换电路。
3.1电源电路
本系统中用到了+5V和+3.3V的直流稳压电源,其中AT89c51及部分外围器件需要+3.3V电源,另外某些部分需要+5V电源。
因此在电源设计中,以+5V直流电压为输入电压,+3.3V由+5V直接线性降压。
图3.1电源电路
3.2晶振电路及复位电路
单片机内部时钟电路,只需要在片外通过XTAL1、XTAL2引脚访问片上(晶体振荡器和电容),形成一个稳定的自激振荡器。
工作频率的振荡器一般在1.2~12MHz,当然一般频率尽快,可以保证运行是保证实时控制程序的速度。
电路复位它通过电阻复位端和+5V电源的实现,只要我们能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期可以复位,如图3.2所示的时钟电路和复位电路。
图3.2时钟电路和复位电路图
3.3LED显示电路
四位七段数码管显示实时数据监测,其原理如图3.3所示为。
从图3.3中可以看出,数码管的段码A,B,C,D,E,F,G,DP分别与单片机I/O端口(P2)连接到数码管显示,控制字体;选位数码管通过4三极管控制(NPN),分别为连接到微控制器的p6.3~p6.6端口输出电平控制,通过三端口程序可以决定的数码管显示和关闭。
图3.3LED显示接口电路
3.4传感器放大电路
两个传感器组成的放大电路,第一级由两个同相比例运算电路,该级的比例是一个差分运算电路。
第一先进的传感器信号超过所述初始预放大,然后输入阶段。
由于前级的对称性直接影响的共模抑制比的电平,并考虑到该错误元件的电阻,R2,R4任选的多圈精密可调电阻。
为了提高抑制共模信号的电平,反馈电阻R3还采用了先进的多圈可调电阻。
图3.4为传感器的放大电路。
图3.4传感器放大电路
3.5键盘和显示的设计
键盘采用行列式和外部中断相结合的方法,图3.5中各按键的功能定义如下表1。
其中设置键与单片机的
脚相连,
、YES、NO用四行三列接单片机P0口,REST键为硬件复位键,与R、C构成复位电路。
模块电路如下图15:
表3.1按键功能
按键
键名
功能
REST
复位键
使系统复位
RET
设置键
使系统产生中断,进入设置状态
数字键
设置用户需要的温度
YES
确认键
用户设定目标温度后进行确认
NO
清除键
用户设定温度错误或误按了YES键后使用
图3.5键盘接口电路
3.6报警电路的设计
报警电路设计简单,由一个晶体管和一个蜂鸣器蜂鸣器报警电路。
只要在蜂鸣器5V的电压比目标结合在一起,达到一定的上限或下限在所需要的温度,蜂鸣器会叫个不停,由单片机I/O口输出信号控制晶体管的导通或截止,三极管接通,蜂鸣器报警。
控制蜂鸣器报警声音是由单片机。
如图3.6所示。
图3.6报警电路
第四章系统程序的设计
在单片机应用系统的开发,该软件的设计是最复杂和困难的,而且在大多数情况下是工作量较大,特别是对那些谁控制系统更复杂的情况。
如果机电一体化设计人员经常需要同时考虑软件和硬件资源配置微控制器。
该系统的软件设计分为系统初始化,键盘,显示处理和信号频率的输入处理。
编程数据的理想方法是结构化程序设计方法。
结构化程序设计是使用该程序来控制程序的复杂性做出相应的控制结构类的限制,特别是限制转向语句,就下列顺序程序与执行程序相一致,使得程序易于阅读,易于理解,易于修改,减少逻辑错误和调试。
根据该系统的主程序,初始化过程中,显示例程,子例程和延迟数据采集程序和其他组件的任务控制系统软件的设计。
4.1C语言在单片机中的应用
C语言是一种通用的计算机程序设计语言,很受欢迎。
它可以被用来编写计算机程序的系统,也可以用于一般应用的程序。
以前的计算机系统软件采用汇编语言编写,单片机应用系统更是如此。
C语言是最流行的编程语言,它像其他高级语言,如用户为导向,以流程为导向的解决问题,程序员不必熟悉特定的内部计算机体系结构和指令,C语言而像汇编语言,机器硬件的操作。
如果端口I,0操作,位操作,地址操作,行内汇编指令,汇编指令将同其声明。
我们知道,汇编语言将涉及计算机硬件,所以C语言就像其他基础语言一样,可以控制计算机的硬件,所以人们叫它高级语言和低级语言之间的中间语言。
正是因为C语言具有这样的特点,所以很适合硬件到软件程序操作的准备。
在本文中,用C语言编写。
因为这个软件相比,存储容量大,有必要应用程序设计语言C。
4.2电子称重器的软件设计与实现
采用了模块化设计,整个程序包括主程序,定时中断程序,INTO中断程序按键程序,数据处理子程序(双字节乘法,二进制编码的十进制转换过程和逆转换程序)设计的电子称重器软件,LED八段数码管显示子程序模块。
所有的程序都是用汇编语言C.使用电子设备的软件设计思想描述如下称量:
主要计算单元的程序初始化的作用,并始终显示一个十进制单位重量,单价,总价。
设置T0计数工作,T1的定时工作。
其中R0是标志寄存器,当显示时OOH是正常的。
当时间累积01H显示在T1定时器中断程序。
第二个样品材料的重量(已经变成了一个脉冲频率),并分配权重RAM区和显示RAM区。
在到外部中断程序,采样单价并赋值单价计算。
4.3主程序流程图
主程序流程图给出了系统工作的基本过程,描述了信号的基本流向,起到一个向导的作用。
图4.1主程序流程图
第五章总结和展望
小型智能电子称重器是要有良好的可靠性,准确性,易用性和结构特性,如先进的技术,深受广大用户的青睐。
使用在商业活动中应用越来越广泛,给人们的经济生活带来了便利。
在本文中,采用AT8920C51单片机计的电子称重器,无论是测量精度,或国家的稳定是符合A类数字式称重器的要求,它具有更好的校准方法,性能稳定,操作简单,低价格。
电子称重器被设置传感器技术,微计算机技术,数字显示技术,其反应灵敏,准确,显示直观,使用方便。
通过修改少量的扩展,可以设计的计价秤,电子称重器等优越的性能,以满足社会各界对现代电子称重气馁的需要的硬件和软件。
也有点膨胀,该电子称重器还可与其它生产质量管理系统项连接,具有推广应用价值。
在整个毕业过程中,我对大学四年所学的知识有了一个系统的认识,特别是使用的微控制器及相关知识主体有了进一步掌握,利用单片机控制系统和的设计和开发系统和分析问题,解决问题有个人的知识和经验,被称为学以致用的这种做法增加了知识,丰富经验的过程,提高解决问题的能力。
系统的分析和设计过程是学习过程的总结,但进一步的研究和探索的过程。
控制系统的开发和设计是一项复杂的系统工程,必须严格按照系统分析,系统设计,系统实施,系统运行和调试过程继续进行。
分析该系统的设计是一个术语,非常艰苦的工作,也是一个有趣的过程,在设计过程中,学习到另一边,边实践,新的问题不断探索,努力使问题得到解决。
从整个小型电子称重器的设计过程中可看出,高速,高灵敏度,体积小,重量轻,携带方便,显示直观、测量精度高等优点,但也有结构复杂性和性价比很高。
随着现代社会的科技发展,人民生活水平稳步提高,人们对秤的携带方便性,显示直观考虑方面,如使用越来越多的性能,更多的偏爱。
小型电子称重器,称该技术不再存在困难,普通人的经济成本也能负担得起,因此,小型电子称重器会越来越普及,具有巨大的发展前景。
致谢
毕业论文即将完成,我的学生生涯也要告一段落
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