基于单片机的称重仪设计毕业设计Word文档下载推荐.docx
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Itisnecessarymeasuringinstrumentsofscientificresearch,industrialproductionandpeople'
slife.Inproductionoflife,weighingapparatusroutinehasbeenreplacedbyintelligentinstrument.ThisdesignusestheAT89C51chipasthemicrocontrollercontrolchip,andtheexternal-loadincludingtheweighingcircuit,amplifyingcircuit,A/Dconverteranddisplaycircuitconstitutethesystemcircuit.Measuredbythesensor,thesignalisamplifiedbythesignalamplificationsystem,afterA/DconversionsystemcontrolsignaltransmissiontotheSCM,LEDdisplaysystemdisplays.Actualresultsindicatethisdesignbasicallyrealizethebasicfunctionsofelectronicscales,witheasytouse,intuitive,measurementaccuracy,andlowcost.
Keywords:
SCM,AT89C51,loadsensor,A/Dconverter,LEDdisplay
1.绪论
1.1.引言
在生活中经常都需要测量物体的重量,于是就用到秤,但是随着社会的进步、科学的发展,我们对其要求操作方便、易于识别。
随着计量技术和电子技术的发展,传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰,电子称量装置,包括电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。
电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加[1]。
通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求,电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化;
其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高;
其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能;
其应用性能趋向于综合性和组合性[2]。
1.2.本课题的研究背景与意义
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。
电子秤是电子衡器中的一种,衡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,衡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[3]。
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、改善经营管理等多方面的作用。
称重装置的应用已遍及到国民经济各领域,取得了显著的经济效益[4-5]。
电子衡器产业是国家经济和科学技术竞争的重要阵地。
计量设备随着电子技术和传感器技术的进步得到了迅速的发展。
手工磅秤计量,定容式转盘计量或机械式计量设备由于准确度低、维修频繁、通讯困难等原因已不能适应现代工业生产发展的需要[6]。
应用微电子技术控制的电子式定量秤进行测量已给化工、食品等诸多行业带来了显著的经济效益和社会效益[7]。
同时,用户对控制器的计量精度和工艺控制要求越来越高,这使得旧式称重仪表在计量上存在的缺陷显示了出来。
电子秤作为称重技术中的一种新型仪表,广泛应用于各种场合。
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。
并且广泛应用于超市、大中型商场、物流配送中心等各种场合[8]。
电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。
相比传统的机械式称量工具,电子秤具有体积小、重量轻、结构简单、价格低、实用价值强、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[9-11]。
目前市场上使用的称量工具,或者是结构复杂,或者运行不可靠,且成本高,精度稳定性不好,调正时间长,易损件多,维修困难,装机容量大,能源消耗大,生产成本高。
而且目前市场上电子秤产品的整体水平不高,部分小型企业产品质量差且技术力量薄弱,设备不全,缺乏产品的开发能力,产品质量在低水平徘徊[12]。
因此,有针对性地开发出一套有实用价值的电子称重系统,从技术上克服上述诸多缺点,改善电子秤系统在应用中的不足之处,具有现实意义。
本课题在电子秤硬件设计的基础上完善和加强软件设计,最终达到单片机智能控制称重仪的称重目标。
1.3.国内外研究现状
1.3.1.国外研究现状
称重仪的发展过程与其它事物一样,也经历了由简单到复杂、由粗糙到精密、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衡器。
这是由于电子衡器不仅给出质量或重量信号,而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制和检验功能,从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。
近年来电子称已愈来愈多地参与到数据的处理和控制过程中。
现代称重技术和数据系统已经成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可或缺的组成部分。
随着称重传感器各项性能的不断突破,为电子称的发展奠定了基础,国外如美国、西欧等一些国家在20世纪60年代就出现了0.1%称量准确度的电子称,并在70年代中期约对75%的机械称进行了机电结合式改造[13]。
电子称的发展集中体现在称重传感器技术的提高,国际称重传感器技术的发展动向是:
把称重传感器的准确度、稳定性和可靠性作为极其重要的质量指标,把制造技术和制造工艺作为核心竞争力,紧紧抓住称重传感器的特性问题、生产问题和应用问题进行基础研究、工艺研究和应用研究[14]。
在上述设计与制造技术支持下,称重传感器的品种和结构又有创新,技术功能和应用范围不断扩大,主要成果有[15-17]:
(l)美国Revere公司研制出PUS型具有大气压力补偿功能的拉压两用的称重传感器,用于高准确度检验平台,称重平台,准确度可达5000d。
(2)德国HBM公司研制成功C2A、C16A两种不同结构的1-100t具有耐压外壳保护的防爆称重传感器,其防爆性能符合欧洲EN50014和EN50018d级标准。
(3)美国斯凯梅公司研制出新一代高准确度不锈钢F6Ox系列5-5000kg称重传感器,准确度6000d。
用于湿度大,腐蚀性强的环境中,而且防水。
(4)德国塞特内尔公司研制出以被青铜为弹性体材料,快速称重用200型称重传感器。
其特点是线性好,固有频率高,动态响应快。
独创油阻尼装置与过载保护装置一体化,保证称量时速度快,工作寿命长。
组装3一30kg电子平台秤,准确度可达4000d。
1.3.2.国内研究现状
我国的衡器在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衡器。
50年代中期电子技术的渗入推动了电子秤制造业的发展。
60年代初期出现机电结合式电子秤以来,经过40多年的不断改进与完善,我国电子秤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。
我国电子衡器的技术装备和检测试验手段基本达到国际90年代中期的水平,少数产品的技术已处于国际领先水平[19]。
国内的电子秤市场中,100g左右量程的电子秤精度一般为0.01g即10mg。
电子衡器制造技术及应用得到了新发展。
电子称重技术从静态称重向动态称重发展:
计量方法从模拟测量向数字测量发展;
测量特点从单参数测量向多参数测量发展,特别是对快速称重和动态称重的研究与应用[20-23]。
但就总体而言,我国电子秤产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距,其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等[24]。
通过分析近年来电子秤产品的发展情况及国内外市场的需求,电子秤总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化;
其应用性能趋向于综合性和组合性[27]。
1.4.本课题的设计内容与任务
随着自动化测试技术的发展,传统的称重系统在功能、精度、性价比等方面已难以满足人们的需要,尤其在智能化、便捷式、对微小质量的测量方面更显得力不从心。
本课题采用以单片机为控制核心,结合应变式压力传感器和高精度的A/D转换器,设计称重系统的总体结构及软件、硬件,实现物体质量的测量与显示。
按照设计的基本要求,系统可分为三大模块,数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。
其中数据采集模块由称重传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成,总计五个部分。
转换后的数字信号送给控制器处理,由控制器完成对该数字量的处理,驱动显示模块完成人机间的信息交换。
此次设计工作中,主要的设计任务包括:
1.掌握应变式传感器的测量方法,设计称重传感器;
2.完成贴片、组桥实现质量的测量;
3.设计称重仪的软件、硬件实现质量的显示。
2.称重仪的总体方案设计
2.1.称重仪的工作原理
基于单片机设计的称重仪是以电子元件:
称重传感器,放大电路,AD转换电路,单片机电路,显示电路等电路组成。
当物体放在秤盘上时,压力施给传感器,该传感器发生形变,从而使阻抗发生变化,同时使激励电压发生变化,输出一个变化的模拟信号。
该信号经放大电路放大输出到模/数转换器。
转换成便于处理的数字信号输出到CPU运算控制。
CPU根据程序将这种结果输出到显示器,直至显示这种结果。
2.2.称重系统总体框图设计
本课题主要完成称重自动控制功能,系统采用单片机为控制核心,来实现称重仪的重量称量与显示。
按照本设计功能的要求,系统可具体分为5个部分组成:
控制器部分、信号采集部分、报警部分、数据显示部分、和电路电源部分,系统设计总体方案框图如图2.1所示。
图2.1系统组成框图
信号采集部分是利用称重传感器检测压力信号,得到微弱的电信号(本设计为电压信号),而后经处理电路(如滤波电路,差动放大电路,)处理后,送A/D转换器,将模拟量转化为数字量输出。
控制器部分接受来自A/D转换器输出的数字信号,经过复杂的运算,将数字信号转换为物体的实际重量信号,并将其存储到存储单元中。
数据显示部分根据需要实现显示功能。
电路电源部分主要是为电路提供稳定方便的电源,将工频电压直接转换成所需的±
5伏电压。
报警部分只要是在超重时对使用者发出警告。
2.3.称重仪各模块的设计选型
2.3.1.称重传感器
电阻应变式传感器是目前应用最广泛的传感器之一,已广泛地应用于航空、机械、电力、化工、建筑、医疗等领域中的力、压力、力矩以及位移、加速度等参数的测量。
目前,无论在数量上还是在应用领域上,与其他传感器相比都具有重要的地位。
其主要优点是结构简单,使用方便,灵敏度高,性能稳定,可靠,测量速度快,适合静态、动态测量。
因此此次设计采用电阻应变式传感器作为称重传感器。
电阻应变式传感器是利用电阻应变效应,其原理为:
弹性体(弹性元件,敏感梁)在外力作用下产生弹性变形,使粘贴在他表面的电阻应变片(转换元件)也随同产生变形,电阻应变片变形后,它的阻值将发生变化(增大或减小),再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流),从而完成了将外力变换为电信号的过程。
导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。
电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后,由于应变量及相应电阻变化一般都很微小,难以直接精确测量,且不便处理。
因此,要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。
其转换电路常用测量电桥。
下图2.2为一直流供电的平衡电阻电桥,
接直流电源E:
图2.2传感器结构原理图
因此,应变式称重传感器主要由弹性体、电阻应变片与电缆线等组成,内部线路采用惠更斯电桥,当弹性体承受载荷产生变形时,输出信号电压可由式(2.1)给出[28]:
(2.1)
若其中第一臂为电阻应变片,由应变引起的电阻变化为△R1,当R1=R2、R3=R4时,此时有电桥的输出电压:
(2.2)
当应变很小时:
(2.3)
由式(2.2)可知,电桥的输出电压
是非线性的;
式(2.3)是在假定应变片承受的应变很小时得到的结论,此时
是线性的,实际的非线性特性曲线与理想的线性特性曲线的偏差称之为非线性误差。
采用差动电桥可以消除非线性误差。
故电阻应变式称重传感器都选用直流供电的全桥连接,该电桥的电压灵敏度比单一工作应变片的电压灵敏度提高了4倍,且具有温度补偿作用,各臂参数一致,各种干扰的影响容易相互抵销。
此时,电桥输出电压为:
(2.4)
而对于传感器的弹性体而言,其结构是多种多样的,但从电阻应变片所测量的对象来区分,常见的有两类:
正应力类,如立柱式(GD系列传感器)和梁式(MT系列传感器),以及剪应力类(SB系列传感器)。
根据设计要求与经验,通常选择梁式传感器作为智能称重仪的称重传感器。
如图2.3所示为此次设计采用的悬臂梁结构的弹性敏感单元。
图2.3悬臂梁结构图
当对其自由端施加垂直载荷后,悬臂梁结构会因受力而发生弯曲变形,且其内部应力(应变)越接近固定端变化越大,其上表面为拉伸状态,下表面为压缩状态,依据此原理可进行传感器的贴片工作,设计所需的称重传感器。
2.3.2.前级放大部分
经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低;
经由电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行信号转换。
为此,测量电路中常设有放大环节。
这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。
放大器的输入信号一般是由传感器输出的。
传感器的输出信号不仅电平低,内阻高,还常伴有较高的共模电压。
因此,一般对放大器有如下一些要求:
1、输入阻抗应远大于信号源内阻。
否则,其负载效应会使所测电压造成偏差。
2、抗共模电压干扰能力强。
3、在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性,输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。
从而保证放大器输出性能稳定。
4、能附加一些适应特定要求的电路。
如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。
基于以上分析,采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器INA126是一个较好的选择。
但是考虑到实际状况、精度要求等因素,选择高精度低漂移运算放大器0P07同样可以满足要求,并且其价格便宜,应用电路简单,因此选择运放0P07组成前级放大部分。
0P07芯片是一种低噪声,非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。
由于OP07具有非常低的输入失调电压(对于OP07A最大为25μV),所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。
OP07同时具有输入偏置电流低(OP07A为±
2nA)和开环增益高(对于OP07A为300V/mV)的特点,这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
其引脚图如下图2.4所示。
图2.4OP07芯片引脚图
管脚功能说明:
1和8为偏置平衡(调零端),2为反向输入端,3为正向输入端,4接电源负端,5空脚6为输出,7接电源正端。
运算放大器0P07芯片及其特点如下图2.5所示。
图2.50P07芯片及其特点
2.3.3.信号转换(A/D转换)部分
根据设计要求,信号转换模块是将测得的模拟量转换为数字量,因此有几种方案可采用:
方案一:
采用V/F变换,例如芯片LM331。
V/F控制的原理是产生一个震荡频率的电路叫做压控震荡器,是一个压敏电容,当受到一个变化的电压时候它的容量会变化,变化的电容引起震荡频率的变化,产生变频。
该方案是使用压频变换器件,把电压信号转化为频率信号,单片机通过计数获得重物的重量,此方案需要比较复杂的小信号放大、调理电路,并且LM331外围电路较繁琐,参数配置相对严格,故未采用。
方案二:
采用A/D转换,例如逐次逼近式A/D转换器ADC0809。
逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路,转换的时间为微秒级。
采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。
基本原理是从高位到低位逐位试探比较,好像用天平称物体,从重到轻逐级增减砝码进行试探。
该类A/D转换器转换精度高,速度快,价格适中,是目前种类最多,应用最广的A/D转换器。
并且此方案经小信号放大、调理电路,可直接连接单片机,也可以可满足精度要求,故采用此方案。
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器,可以和单片机直接接口。
ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道,允许8路模拟量分时输入,共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量,当OE端为高电平时,才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
DC0808/0809的内部结构如图2.6所示。
图2.6ADC0808/0809内部结构框图
ADC0809分辨率为8位,具有转换启停控制端,转换时间为100μs采用单+5V电源供电,模拟输入电压范围为0~+5V,且不需零点和满刻度校准,工作温度范围为-40~+85℃功耗可抵达约15mW。
ADC0809芯片有28条引脚,采用双列直插式封装,图2.7所示是其引脚排列图。
图2.7ADC0809的引脚排列图
IN0-IN7:
模拟量输入通道。
ADDA-C:
地址线。
ALE:
地址锁存允许信号。
START:
启动转换信号。
当它为上升沿后,将内部寄存器清0。
当它为下降沿后,开始A/D转换。
D0-D7:
数据输出口。
OE:
输出允许信号,是D0-D7的输出控制端。
OE=0,输出端呈高阻态,OE=1,输出转换得到的数据。
CLOCK:
时种信号。
ADC0809内部没有时钟电路,需由外部提供时钟脉冲信号。
EOC:
转换结束状态信号。
EOC=0,正在进行转换。
EOC=1,转换结束。
REF(+)、REF(-):
参考电压。
一般REF(=)=5v REF(-)接地。
ADC0809的工作过程:
首先输入3位地址,并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A/D转换,之后EOC输出信号变低,指示转换正在进行。
直到A/D转换完成,EOC变为高电平,指示A/D转换结束,结果数据已存入锁存器,这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时,输出三态门打开,转换结果的数字量输出到数据总线上。
A/D转换器的位数决定着信号采集的精度和分辨率。
对于8通道的输入信号,其分辨率为0.5%。
8位A/D转换器的精度为:
±
0.4%,因此符合此次设计的数据转换要求要求。
2.3.4.主控制器(单片机)的选型
在众多的51系列单片机中,要算ATMEL公司的AT89C51、AT89S51更实用,它不但和8051指令、管脚完全兼容,而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的,这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写,一般专为ATMELAT89xx做的编程器均带有这些功能。
显而易见,这种单片机对开发设备的要求很低,开发时间也大大缩短。
写入单片机内的程序还可以进行加密,这又很好地保护了你的劳动成果。
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
AT89C51单片机特点能与MCS-51兼容,有4K字节可编程闪烁存储器,寿命能够达到1000写/擦循环,数据可以保留时间长达10年,全静态工作:
0Hz-24MHz,三级程序存储器锁定,128×
8位内部RAM,32可编程I/O线,两个16位定时器/计数器,5个中断源,可编程串行通道,低功耗的闲置和掉电模式,片内振荡器和时钟电路。
所以AT89C51符合本次设计的主控芯片。
AT89C51芯片图如下:
图2.8AT89C51的引脚图
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0
口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部
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