完整word版基于C51单片机的智能电子称设计.docx
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完整word版基于C51单片机的智能电子称设计
毕业设计(论文)
设计(论文)题目:
基于C51单片机的智能电子称设计
班级:
计算机1021
学生学号:
学生姓名:
同组成员:
指导教师:
常州工程职业技术学院
二〇一三年一月
摘要
电子秤是将检测与转换技术、计算机技术、信息处理、数字技术等技术综合一体的现代新型称重仪器。
它与我们日常生活紧密结合成为一种方便、快捷、称量精确的工具,广泛应用于商业、工厂生厂、集贸市场、超市、大型商场、及零售业等公共场所的信息显示和重量计算。
电子称主要以单片机作为中心控制单元,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。
电子称不但计量准确、快速方便,更重要的自动称重、数字显示,对人们生活的影响越来越大,广受欢迎。
本系统针对电子称的自动称重、数据处理等进行了设计和制作。
为了阐明用单片机是如何对采样数据进行处理,对数据的采集和转换、计算问题进行了研究,讨论了单片机控制系统中关键的计算问题。
本文在给出智能电子称硬件设计的基础上,详细分析了电子称的软件控制方法。
单片机控制的电子称结构简单,成本低廉,深受人们的喜爱,本文将对此进行详细讨论。
称重装置不仪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围民经济各领域,取得了显著的经济效益。
本课题设计的电子秤以STC89C52单片机为主要部件,通过对硬件和软件进行设计而成。
硬件由电阻应变式称重传感器、STC89C52单片机、INA156和LCD液晶组成电子秤(测量范围0~15Kg)。
设计结果证明,该系统显示误差小,性能稳定,结构合理,扩展能力强。
关键词:
89C52单片机;A/D转换;矩阵键盘;12864液晶
Abstract
Electronicscaleisthedetectionofintegrationandconversiontechnology,computertechnology,informationprocessing,digitaltechnologyandmodernnewweighinginstrument.Itiscloselyintegratedwithourdailylivesintoaconvenient,fast,precisionweighinginstrument,widelyusedincommercial,factoryfactory,countrymarkets,supermarkets,shoppingmalls,andretailandotherpublicplaces,informationdisplayandweight.
ElectronicknownmainlyasacentralcontrolunitMCU,analogtodigitalconversionunit,throughtheweighingsensor,withthekeyboard,displaycircuitandpowerfulsoftwaretoform.Electronicsaidnotonlyaccuratemeasurement,impactonpeople'slivesismoreandmorebig,thepopular.
Thesystemdesignandproductionisknownfortheelectronicautomaticweighing,dataprocessing.InordertoillustratehowtousetheMCUissamplingdataprocessing,dataacquisitionandconversion,computationalproblemsstudied,discussesthecalculationofkeySCMsystem.Inthispapertheintelligentelectronicscalebasedonthedesignofhardware,adetailedanalysisofthesoftwarecontrolmethodofelectronicname.Microprocessorcontrolledelectronicsthathassimplestructure,lowcost,lovedbythepeople,thiswillbediscussedindetail.
Weighingdeviceisprovidednotonlysingleinstrumentweightdata,butalsoasapartofthecontrolsystemofindustrialandcommercialmanagementsystem,pushtheautomationofindustrialproductionandmodernizationofmanagement,itisuptotheshorteningofoperationtime,improveoperatingcondition,reduceenergyandmaterialconsumption,improveproductqualityandstrengthentheenterprisemanagement,improvetheoperationandmanagementetc..Applicationofweighingdevicehasspreadtothesurroundingareasofnationaleconomy,hasachievedremarkableeconomicbenefits.
ElectronicscaleofthisprojectistodesigntoSTC89C52microcontrollerasthemaincomponent,andthedesignofhardwareandsoftware.Thehardwareiscomposedofresistancestrainweighingsensor,STC89C52MCU,INA156andLCDLCDelectronicscale(range:
0~15Kg).
Keywords:
89C52;A/Dtransformation;matrixkeyboard;LCD12864
第一章绪论
1.1电子称的简介
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。
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。
1.2电子称的发展趋势
电子秤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。
近年来,电子秤已愈来愈多地参与到数据处理和过程控制中。
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缺少的组成部分。
随着称重传感器各项性能的不断突破,为电子秤的发展奠定了其础,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%称量准确度的电子秤,并在70年代中期约对75%的机械秤进行了机电结合式的电子化改造。
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。
50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。
60年代初期出现机电结合式电子衡器以来,经过40多年的不断改进与完善,我国电子衡器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。
国内的电子秤市场中,1009左右量程的电子秤精度一般为0.019即10mg。
在研究方法上,电子称重系统的工作原理一般是将作用在承载器上的质量或力的大小,通过压力传感器转换为电信号,并通过控制电路来处理该电信号。
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。
在国际上,一些发达国家在电子称重力一面已经达到了较高的水平。
特别是在准确度和可靠性等方面有了很大的提高。
在称重传感器方面,国外电子秤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,成果举例如下:
(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。
但就总体而言,我国电子衡器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。
1.3设计总体思路
目前,台式电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍,但存在较大的局限性:
体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。
现有的便携秤为杆秤或以弹簧、拉伸变形来实现计量的弹簧秤,居民用户使用的基本是杆秤。
弹簧盘秤制造工艺要求较高,弹簧的疲劳问题无法彻底解决,一旦超过弹簧弹性限度,弹簧秤就会产生很大误差,以至损坏,影响到称重的准确性和可靠性,只是一种暂时的代用品,也被列入逐渐取消的行列。
微控制器技术、传感器技术的发展和计算机技术的广泛应用,电子产品的更新速度达到了日新月异的地步。
本系统在设计过程中,除了能实现系统的基本功能外,还增加了打印和通讯功能,可以实现和其他机器或设备(包括上位PC机和数据存储设备)交换数据.除此之外,系统的微控制器部分选择了兼容性比较好的AT89系列单片机,在系统更新换代的时候,只需要增加很少的硬件电路,甚至仅仅删改系统控制程序就能够实现。
另外由于实际应用当中,称可以有一定量的过载,但不能超出要求的范围,为此我们还设计了过载提示和声光报警功能。
综上所述,本课题的主要设计思路是:
利用压力传感器采集因压力变化产生的电压信号,经过电压放大电路放大,然后再经过模数转换器转换为数字信号,最后把数字信号送入单片机。
单片机经过相应的处理后,得出当前所称物品的重量及总额,然后再显示出来。
此外,还可通过键盘设定所称物品的价格。
主要技术指标为:
称量范围0~5kg;分度值0.01kg;精度等级Ⅲ级;电源DC1.5V(一节5号电池供电)。
这种高精度智能电子秤体积小、计量准确、携带方便,集质量称量功能与价格计算功能于一体,能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。
第二章系统方案论证与选型
2.1设计要求
1)参数要求
量程:
10kg感量(分辨率):
5g数字显示:
重量31/2位
2)设计要求
(1)采用STC89C52单片机控制,要求设计出硬件系统和软件系统。
(2)合理选择传感器、转换电路和显示输出电路等。
其它要求
能实现转换、显示和调校等多种功能,具有准确度高、实时性好等特点。
2.2整体功能
1、采用高精度电阻应变式压力传感器,测量量程0-10kg,测量精度可达5g。
2、采用电子秤专用模拟/数字(A/D)转换器芯片hx711对传感器信号进行调理转换,HX711采用了海芯科技集成电路专利技术,是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。
3、采用STC89C52单片机作为主控芯片,实现称重、计算价格等主控功能。
4、采用128*64汉字液晶屏显示称重重量、单价、总价等信息。
5、采用4*4矩阵键盘进行人机交互,键盘容量大,操作便捷。
6、具有超量程报警功能,可以通过蜂鸣器和LED灯报警。
7、系统通过USB电源供电,单片机程序也可通过USB线串行下载。
2.3电子秤的工作原理
当被称物体放置在秤体的秤台上时,其重量便通过秤体传递到称重传感器,传感器随之产生力一电效应,将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成正比关系)的电信号(电压或电流等)。
此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数(A/D)器进行转换,数字信号再送到微处器的CPU处理,CPU不断扫描键盘和各功能开关,根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。
运算结果送到内存贮器,需要显示时,CPU发出指令,从内存贮器中读出送到显示器显示。
按照本设计功能的要求,系统由6个部分组成:
控制器部分、测量部分、报警部分、数据显示部分、键盘部分、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设计思路框图
测量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。
控制器还可以通过对扩展I/O的控制,对键盘进行扫描,而后通过键盘散转程序,对整个系统进行控制。
数据显示部分根据需要实现显示功能。
2.4控制器部分的选择
本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器,而且以单片机为主控制器的设计,可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起,组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。
这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面,都取得了巨大的进展。
再则由于系统没有其它高标准的要求,又考虑到本设计中程序部分比较大,根据总体方案设计的分析,设计这样一个简单的的系统,可以选用带EPROM的单片机,由于应用程序不大,应用程序直接存储在片内,不用在外部扩展存储器,这样电路也可简化。
INTEL公司的8051和8751都可使用,在这里选用增强型MCS-51系列单片机。
增强型MCS-51单片机芯片有一下特征:
第一,芯片内存储器容量大,规格多,程序存储器类型也趋于多样化;
第二,指令执行时间短,一方面最高时钟频率从12MHz提高到16MHz,24MHz,33MHz,40MHz,甚至60MHz;另一方面减少了每机器周期的时钟数;
第三,扩展了接口电路功能;
第四,内置了单片机应用系统前、后向通道所需的某些模拟电路;
第五,内置了RC振荡电路、抚慰电路;
第六,可选择性I/O引脚可定义为准双向输出、互补推挽、漏极开路、高阻输入4中方式之一,简化了外部接口电路的设计;
第七,增加了CPU始终分频器,可实事调整CPU的始终频率;
第八,系统功耗低;
第九,强化了电磁兼容性设计;
第十,内置定时复位(Watchdog)监控电路及电源电压监控电路,提高了应用系统的可靠性;
第十一,封装形式多样化。
由于其功能齐全,,片内数据存储器容量大,带有可编程阵列,使用灵活,电磁兼容性好,能够很好地实现本仪器的测量和控制要求。
最后我选择了MCS-51这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。
MCS-51内部带有8KB的程序存储器,基本上已经能够满足我们的需要。
2.5数据采集部分的选择
电子秤的数据采集部分主要包括称重传感器、处理电路电路,因此对于这部分的论证主要分两方面。
2.5.1传感器的选择
在设计中,传感器是一个十分重要的元件,因此对传感器的选择也显的特别的重要,不仅要注意其量程和参数,还有考虑到与其相配置的各种电路的设计的难以程度和设计性价比等等.
传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。
一般来说,传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷,其称量的准确度就越高。
但在实际使用时,由于加在传感器上的载荷除被称物体外,还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷,因此选用传感器量程时,要考虑诸多方面的因素,保证传感器的安全和寿命。
传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素后,经过大量的实验而确定的。
其公式如下:
C=K0×K1×K2×K3×(Wmax+W)/N(2.1)
C—单个传感器的额定量程;W—秤体自重;Wmax—被称物体净重的最大值;N—秤体所采用支撑点的数量;K0—保险系数,一般取值在1.2~1.3之间;K1—冲击系数;K2—秤体的重心偏移系数;K3—风压系数。
本设计要求称重范围0~5kg,重量误差不大于0.01kg,根据传感器量程计算公式(2.1)可知:
C=1.25×1×1.03×1×(20+1.9)/1(2-1)
=9.01205
为保证电子秤称量结果的准确度,克服传感器在低量程段线性度差的缺点。
传感器的量程应根据皮带秤的最大流量来选择。
在实际工作中,要求称重传感器的有效量程在20%~80%之间,线性好,精度高。
重量误差应控制在±0.01Kg,又考虑到秤台自重、振动和冲击分量,还要避免超重损坏传感器,根据式2.1的计算结果,所以我们确定传感器的额定载荷为7.5Kg,允许过载为150%F.S,精度为0.05%,最大量程时误差
0.01kg,可以满足本系统的精度要求.
综合考虑,本设计采用SP20C-G501电阻应变式传感器,其最大量程为7.5Kg.称重传感器由组合式S型梁结构及金属箔式应变计构成,具有过载保护装置。
由于惠斯登电桥具诸如抑制温度变化的影响,抑制干扰,补偿方便等优点,所以该传感器测量精度高、温度特性好、工作稳定等优点,广泛用于各种结构的动、静态测量及各种电子秤的一次仪表。
该称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成,其工作原理如图2-2所示:
图2-2称重传感器原理图
表2-1压力传感器主要技术指标
准确度等级Accuracyclass
C30.020.03
额定载荷Ratedload
kg
1、2.5、5、7.5、10、15
灵敏度Sensitivity
mV/V
1.8±0.08
非线性Nonlinearity
%F.S.
±0.02
滞后Hysteresis
0.02
重复性Repeatability
0.02
蠕变Creep
%F.S./30min
±0.02
蠕变恢复creeprecovery
零点输出Zerobalance
%F.S.
±1
零点温度系数Zerotemperaturecoefficient
%F.S./10℃
±0.02
额定输出温度系数Ratedoutputtemperaturecoefficient
输入电阻Inputresistance
Ω
415~445
输出电阻Outputresistance
Ω
349~355
绝缘电阻Insulationresistance
MΩ
≥5000
供桥电压Supplyvoltage
V
12(DC/AC)
温度补偿范围Temperaturecompensationrange
℃
-10~+50
允许温度范围Safetemperaturerange
℃
-20~+60
允许过负荷Safeoverload
%F.S.
120
极限过负荷Ultimateoverload
%F.S.
200
四角误差Fourcornererror
%F.S.
0.03
连接电缆Connectcable
mm
Φ3.8×300
其测量原理:
用应变片测量时,将其粘贴在弹性体上。
当弹性体受力变形时,应变片的敏感栅也随同变形,其电阻值发生相应变化,通过转换电路转换为电压或电流的变化。
由于内部线路采用惠更斯电桥,当弹性体承受载荷产生变形时,输出信号电压可由下式给出:
(2-2)
上式说明电桥的输出电压V和四个桥臂的应变片感受的应变量的代数和成正比。
2.5.2放大电路选择
称重传感器输出电压振幅范围0~20mV。
而A/D转换的输入电压要求为0~2V,因此放大环节要有100倍左右的增益。
对放大环节的要求是增益可调的(70~150倍),根据本设计的实际情况增益设为100倍即可,零点和增益的温度漂移和时间漂移极小。
按照输入电压20mV,分辨率20000码的情况,漂移要小于1µV。
由于其具有极低的失调电压的温漂和时漂(±1µV),从而保证了放大环节对零点漂移的要求。
残余的一点漂移依靠软件的自动零点跟踪来彻底解决。
稳定的增益量可以保证其负反馈回路的稳定性,并且最好选用高阻值的电阻和多圈电位器。
由2.2.1中称重传感器的称量原理可知,电阻应变片组成的传感器是把机械应变转换成ΔR/R,而应变电阻的变化一般都很微小,例如传感器的应变片电阻值120Ω,灵敏系数K=2,弹性体在额定载荷作用下产生的应变为1000ε,应变电阻相对变化量为:
ΔR/R=K×ε=2×1000×10-6=0.002(2-3)
由式2-3可以看出电阻变化只有0.24Ω,其电阻变化率只有0.2%。
这样小的电阻变化既难以直接精确测量,又不便直接处理。
因此,必须采用转换电路,把应变计的ΔR/R变化转换成电压或电流变化,但是这个电压或电流信号很小,需要增加增益放大电路来把这个电压或电流信号转换成可以被A/D转换芯片接收的信号。
在前级处理电路部分,我们考虑可以采用以下几种方案:
方案一、利用普通低温漂运算放大器构成前级处理
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