单片机数字称重仪设计毕业论文.docx
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单片机数字称重仪设计毕业论文
摘要
一台数字称重仪,实际上就是一个数据采集系统,当重物放到衡器上时,压力传感器输出响应的模拟电压信号,经过模/数转换(A/D变换)后就得到数字量D。
但是,数字量D并不是重物的实际重量值W,W需要由数字量D在显示器内部经过一系列的运算——即数据处理才能得到。
这一系列的运算——即数据处理是由装在称重系统中的微型计算机来完成的;不仅如此,称重显示器的整个工作过程也都是在微型计算机的控制下有条不紊地进行。
其中的每一个子系统都对整个系统的精度和设计的合理化起着至关重要的作用。
近年来,随着大规模集成电路的飞速发展,单片机更加广泛的应用在各种智能化仪表中,在数字称重系统中使用单片机可使系统的性能提高,成本降低,具有明显的优越性,数字称重仪具有一定的研究价值。
本设计是基于单片机的数字称重仪,它的硬件电路的设计包括单片机、A/D转换器、称重传感器、语音电路、LED显示电路、+5V稳压电源电路、单片机与PC机之间的通讯连接电路等几部分设计内容。
整个设计系统由Atmel公司生产51系列89C51单片机进行控制;专用称重传感器L-PSII-10A/D;转换器采用MAX187,它把称重传感器采集的模拟信号转换成数字信号后供单片机读取;软件实现功能开机检测,主要是开机后自动逐个扫描LED数码管,以防止某段数码管损坏造成视觉误差;出于人性化考虑我们还可以增加语音电路,实现自动语音播报重量或价格。
关键词:
称重传感器,语音电路,LED显示电路
目 录
1 单片机的发展及应用
1.1单片机的发展
单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支,也是一种非常活跃和颇具有生命力的机种。
单片微型计算机简称单片机,特别适用于工业控制领域,因此又称为微控器。
1971年微处理器研制成功不久,就出现了单片微型计算机即单片机,但最早的单片机是1位的,处理能力有限。
单片机的发展分为4个阶段:
第一阶段(1974—76年):
单片机初级阶段。
因为受工艺限制,单片机采用单片的形式而且功能比较简单。
例如美国仙童公司生产的F8单片机,实际上只包括了8位CPU,64个字节的RAM和2个并行接口。
第二阶段(1976—78年):
低性能单片机阶段。
以Intel公司生产的MCS——48系列单片机为代表,该系列单片机片内集成有8位CPU,8位定时器/计数器,并行I/O接口,RAM和ROM等,但是最大的缺点就是无串行接口,中断处理比较简单而且片内RAM和ROM容量较小,且寻址范围不大与4KB。
第三阶段(1978—83)高性能单片阶段这个阶段推出的单片机普遍带有串行接口。
多级中断系统,16位定时器/计数器,片内ROM,RAM容量加大,且寻址范围可达64KB,有的片内还带有A/D转换器。
第四阶段(1983年至今)8位单片机巩固发展以及16位单片机,32位单片机推出阶段。
此阶段的主要特征是:
一方面发展16位单片机,32位单片机及专用型单片机;另一方面不断完善高档8位单片机,改善其结构,增加片内器件,以满足不同的客户要求。
1.2单片机的应用
单片的应用很广,分别在以下领域中得到了广泛的应用。
工业自动化:
在自动化技术中,无论是过程控制技术、数据采集技术还是测控技术,都离不开单片机。
在工业自动化的领域中,机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用,在这种机械、微电子和计算机技术为一体的综合技术(例如机器人技术、数控技术)中,单片机将发挥非常重要的作用特别是近些年来,随着计算机技术的发展,工业自动化也发展到了一个新的高度,出现了无人工厂、机器人作业、网络化工厂等,不仅将人从繁重、重复和危险的工业现场解放出来,还大大提高了生产效率,降低了生产成本。
仪器仪表:
目前对仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高。
在自动化测量仪器中,单片机应用十分普及。
单片机的使用有助于提高仪器仪表的精度和准确度,简化结构,减小体积,易于携带和使用,加速仪器仪表向数字化、智能化和多功能化方向发展。
消费类电子产品:
该应用主要反映在家电领域。
目前家电产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度。
例如,电子游戏、照相机、洗衣机、电冰箱、空调、电视机、微波炉、手机、IC卡、汽车电子设备等。
在这些设备中使用了单片机后,其功能和性能大大提高,并实现了智能化、最优化控制
通信方面:
较高档的单片机都具有通信接口,因而为单片机在通信设备中的应用创造了很好的条件。
例如,在微波通信、短波通信、载波通信、光纤通信、程控交换等通信设备和仪器中都能找到单片机的应用。
武器装备:
在现代化的武器装备中,如飞机、军舰、坦克、导单、鱼雷制导、智能武器设备、航天飞机导航系统,都有单片机在其中发挥重要作用。
终端及外部设备控制:
计算机网络终端设备,如银行终端,以及计算机外部设备如打印机、硬盘驱动器、绘图机、传真机、复印机等,在这些设备中都使用了单片机。
近年来随着科技的飞速发展,同时带动自动控制系统日新月异更新,单片机的应用正在不断地走向深入。
2总体方案设计
2.1系统框图
单片机数字称重仪的总体设计框图如图1-1所示
图2-1系统总体框图
2.2称重传感器
2.2.1称重传感器的选择及原理
根据设计要求,市场情况和请教别人的经验,我们选择了金钟电子衡器股份有限公司生产的L-PSII-10型压力传感器,为双孔悬臂梁形式,是电子计价秤的专用产品,也可用于制造由单只传感器构成的电子案秤,台秤及专用衡器等,其主要技术指标如表所示,各项指标较市场上见到的同类传感器优秀的多,只是价格上稍微贵了一些,实际应用的结果表明,物有所值。
准确度等级Accuracyclass
C30.02
额定载荷Ratedload
kg
10
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
接线方式Methodofconnectingwire
输入Input(+):
Red输入Input(-):
White
输出Output(+):
Green输出Output(-):
Blue
屏蔽Shield:
Yellow
图2-2压力传感器主要技术指标
题目要求称重范围5000g,重量误差不大于1‰,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,所以传感器量程必须大于额定称重5000g。
我们选择的是L-PSII型传感器,量程10Kg,满量程时误差0.002Kg。
可以远远满足本系统的精度要求。
称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成,内部线路采用惠更斯电桥,当弹性体承受载荷产生变形时,输出信号电压可由下式给出:
电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理:
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。
由此可见,电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。
下面就这三方面简要论述。
(一)电阻应变片
电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上,即成为一片应变片。
他的一个重要参数是灵敏系数K。
我们来介绍一下它的意义。
设有一个金属电阻丝,其长度为L,横截面是半径为r的圆形,其面积记作S,其电阻率记作ρ,这种材料的泊松系数是μ。
当这根电阻丝未受外力作用时,它的电阻值为R:
R=ρL/S(Ω)(式2—1)
当他的两端受F力作用时,将会伸长,也就是说产生变形。
设其伸长ΔL,其横截面积则缩小,即它的截面圆半径减少Δr。
此外,还可用实验证明,此金属电阻丝在变形后,电阻率也会有所改变,记作Δρ。
对式(2--1)求全微分,即求出电阻丝伸长后,他的电阻值改变了多少。
我们有:
ΔR=ΔρL/S+ΔLρ/S–ΔSρL/S2(式2—2)
用(式2--1)去除(式2--2)得到
ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L–ΔS/S(式2—3)
另外,我们知道导线的横截面积S=πr2,则Δs=2πr*Δr,所以
ΔS/S=2Δr/r(式2—4)
从材料力学我们知道
Δr/r=-μΔL/L(式2—5)
其中,负号表示伸长时,半径方向是缩小的。
μ是表示材料横向效应泊松系数。
把(式2—4)(式2—5)代入(式2--3),有
ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L+2μΔL/L
=(1+2μ(Δρ/ρ)/(ΔL/L))*ΔL/L
=K*ΔL/L(式2—6)
其中
K=1+2μ+(Δρ/ρ)/(ΔL/L)(式2—7)
式2--6说明了电阻应变片的电阻变化率(电阻相对变化)和电阻丝伸长率(长度相对变化)之间的关系。
需要说明的是:
灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数,它和应变片的形状、尺寸大小无关,不同的材料的K值一般在1.7—3.6之间;其次K值是一个无因次量,即它没有量纲。
在材料力学中ΔL/L称作为应变,记作ε,用它来表示弹性往往显得太大,很不方便。
常常把它的百万分之一作为单位,记作με。
这样,式(2—6)常写作:
ΔR/R=Kε(2—8)
(二)弹性体
弹性体是一个有特殊形状的结构件。
它的功能有两个,首先是它承受称重传感器所受的外力,对外力产生反作用力,达到相对静平衡;其次,它要产生一个高品质的应变场(区),使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变电信号的转换任务。
(三)检测电路
检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。
因为惠斯登电桥具有很多优点,如可以抑制温度变化的影响,可以抑制侧向力干扰,可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等,所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。
因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高,各臂参数一致,各种干扰的影响容易相互抵销,所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。
2.2.2称重传感器的误差
随着国内外称重传感器产品质量的提高和技术的发展,1985年原机械工业部对部标JB2166-7,进行修订,并由部标上升为国标,1989年5月由国家标准局发布GB7551-87《电阻应变称重传感器》。
近几年来,为适应称重传感器生产和技术进步,参与国际市场竞争以及与国际接轨,按照国际法制计量组织OIMLR60《称盆传感器计量规程》国际建议,对GB7551-87再次进行大幅度的修订,在1997年6月由国家技术监督局发布了GB/T7551-1997《称重传感器》。
因此称,传感器技术性能的测试方法与误差计算应严格按国际GB/T7551一1997《称重传感器》的规定进行。
该标准采用了OILMR60国际建议中的综合称重传感器的各种误差(如非线性、滞后、温度灵敏度等)的总误差带概念。
对于因温度变化对桥接零点和输出,灵敏度的影响,即使采用同一批应变片,也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差,所以对要求精度较高的传感器,必须进行温度补偿,解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片,并从外部对它加以适当的补偿。
非线性误差是传感器特性中最重要的一点。
产生非线性误差的原因很多,一般来说主要是由结构设计决定,通过线性补偿,也可得到改善。
滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。
由于粘合剂为高分子材料,其特性随温度变化较大,所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。
在露天下使用传感器,还应考虑阳光直射产生的温度影响和风压的影响。
选型可具体参考以下步骤:
1.计算并确定转换系数(f),转换系数(f)是表明每一个检定分度值(V)中有多少个示值单位,是用于把全部示值单位转换为“V”的,它是由初始公称试验温度20℃时,进程负荷试脸下试脸效据平均值确定的。
2.计算参比示值,所谓“参比值”即是“理论示值”或“理想示值“。
3.计算各试验点EL。
4.各试验点误差与最后一列最大允许误差相比较。
5.将计算结果与系统对传感器的要求做出比较,以确定选型是否成功。
2.3前级放大器方案论证
称重传感器输出的电压信号为毫伏级,所以对运算放大器要求很高。
我们考虑可以采用以下几种方案可以采用:
方案一、利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。
普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。
由于A/D转换器需要很高的精度,所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。
所以,此中方案不宜采用。
方案二、由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。
差动放大器具有高输入阻抗,增益高的特点,可以利用普通运放(如OP07)做成一个差动放大器。
图2-3差动放大器
电阻R1、R2电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声,C1、C2为普通小电容,可以滤除高频干扰,C3、C4为大的电解电容,主要用于滤除低频噪声。
优点:
输入级加入射随放大器,增大了输入阻抗,中间级为差动放大电路,滑动变阻器R6可以调节输出零点,最后一级可以用于微调放大倍数,使输出满足满量程要求。
输出级为反向放大器,所以输出电阻不是很大,比较符合应用要求。
缺点:
此电路要求R3、R4相等,误差将会影响输出精度,难度较大。
实际测量,每一级运放都会引入较大噪声。
对精度会有较大影响。
方案三、采用专用仪表放大器,如:
INA126,INA121等。
此类芯片内部采用差动输入,共模抑制比高,差模输入阻抗大,增益高,精度也非常好,且外部接口简单。
以INA126为例,接口如下图所示:
图2-4INA126接口电路
可通过改变R0的大小来改变放大器的增益。
基于以上分析,我们决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器INA126。
2.4单片机的选择
根据题目要求,可有以下控制方案的选择:
中央处理单元选用我们熟悉的单片机。
即最后电路的核心采用最常用、好用和廉价的ATEMAL公司的AT89C51,下面仅就各个电路单元进行方案论证与设计。
51系列单片机有着各种具有不同的外设功能的成员,可适用于各方面的应用。
选择一款合适的单片机是十分重要的。
要充分考虑到电路板空间和成本。
51系列最多512字节的RAM和32K字节的EPROM。
有时,只要使用系统内置的RAM和EPROM就可以了,应充分利用这些部件,不再需要外接EPROM和RAM,这样就省下了I/0口,可用来和其它器件相连。
当不需要扩展I/0口并且程序代码较短时,使用28脚的51单片机可节省不少空间。
但很多应用需要更多的RAM和EPROM空间,这时就要用外围器件(SRAM、EPROM等)。
设计者必须仔细选择晶振频率,确保标准的通讯波特率(1200、4800、9600、19.2K等)。
不妨先列出可供选择的晶振所能产生的波特率,然后根据需要的波特率和系统要求选择晶振。
有时也不必过分考虑晶振问题,因为可以定制晶振。
当晶振频率超过20M时,必须确保总线上的其它器件能够在这种频率下工作。
当工作频率增加时,功耗也会增加,这点在使用电池作为电源的系统中应充分考虑。
单片机采用89C51单片机,它有4K的程序存储空间和256B的数据存储空间,可以满足编程的要求。
P0口和P2口用于LED数码管的显示。
用12Mhz的晶振,时钟周期为1us。
采用按键复位。
其外围电路图如下所示:
图2-5单片机最小系统
2.5A/D转换器的选择
A/D转换部分是整个设计的关键,这一部分处理不好,会使得整个设计毫无意义。
按设计要求:
电子称最大称重为5公斤,重量误差不能大于1%0。
我们的理解是满刻度时,只能有±5g的误差,精度要求较高。
方案一:
采用V/F变换芯片LM331
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,可不用A/D,但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:
选用12位逐次比较式ADC
该方案经小信号放大、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。
2.5.1A/D转换器介绍
随着数字技术,特别是计算机技术的飞速发展与普及,在现代控制、通信及检测领域中,对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。
由于系统的实际处理对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、图像等),要使计算机或数字仪表能识别和处理这些信号,必须首先将这些模拟信号转换成数字信号;而经计算机分析、处理后输出的数字量往往也需要将其转换成为相应的模拟信号才能为执行机构所接收。
这样,就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路——模数转换电路和数模转换电路。
能将模拟信号转换成数字信号的电路,称为模数转换器(简称A/D转换器)。
2.5.2A/D转换器原理
图2-6A/D转换原理图
在A/D转换器中,因为输入的模拟信号在时间上是连续量,而输出的数字信号代码是离散量,所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间(亦即时间坐标轴上的一些规定点上)对输入的模拟信号取样,然后再把这些取样值转换为输出的数字量。
因此,一般的A/D转换过程是通过取样、保持、量化和编码这四个步骤完成的。
(一)取样定理
可以证明,为了正确无误地用取样信号vS表示模拟信号vI,必须满足:
式中fS取样频率,fimax为输入信号vI的最高频率分量的频率。
在满足取样定理的条件下,可以用一个低通滤波器将信号vS还原为vI,这个低通滤波器的电压传输系数
在低于fimax的范围内应保持不变,而在fS-fimax以前应迅速下降为零。
因此,取样定理规定了A/D转换的频率下限。
图2-7对输入模拟信号的采样图2-8所用滤波器的频率特性
因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间,所以在每次取样以后,必须把取样电压保持一段时间。
可见,进行A/D转换时所用的输入电压,实际上是每次取样结束时的vI值。
(二)量化和编码
我们知道,数字信号不仅在时间上是离散的,而且在数值上的变化也不是连续的。
这就是说,任何一个数字量的大小,都是以某个最小数量单位的整倍数来表示的。
因此,在用数字量表示取样电压时,也必须把它化成这个最小数量单位的整倍数,这个转化过程就叫做量化。
所规定的最小数量单位叫做量化单位,用Δ表示。
显然,数字信号最低有效位中的1表示的数量大小,就等于Δ。
把量化的数值用二进制代码表示,称为编码。
这个二进制代码就是A/D转换的输出信号。
既然模拟电压是连续的,那么它就不一定能被Δ整除,因而不可避免的会引入误差,我们把这种误差称为量化误差。
在把模拟信号划分为不同的量化等级时,用不同的划分方法可以得到不同的量化误差。
假定需要把0~+1V的模拟电压信号转换成3位二进制代码,这时便可以取Δ=(1/8)V,并规定凡数值在0~(1/8)V之间的模拟电压都当作0×Δ看待,用二进制的000表示;凡数值在(1/8)V~(2/8)V之间的模拟电压都当作1×Δ看待,用二进制的001表示,……等等。
不难看出,最大的量化误差可达Δ,即(1/8)V。
图2-9划分量化电平的两种方法
为了减少量化误差,通常采用图2-9(b)所示的划分方法,取量化单位Δ=(2/15)V,并将000代码所对应的模拟电压规定为0~(1/15)V,即0~Δ/2。
这时,最大量化误差将减少为为Δ/2=(1/15)V。
这个道理不难理解,因为现在把每个二进制代码所代表的模拟电压值规定为它所对应的模拟电压范围的中点,所以最大的量化误差自然就缩小为Δ/2了。
(三)取样—保持电路
1.电路组成及工作原理
N沟道MOS管T作为取样开关用。
图2-10取样—保持电路的基本形式
当控制信号vL为高电平时,T导通,输入信号vI经电阻Ri和T向电容Ch充电。
若取Ri=Rf,则充电结束后vO=-vI=vC。
当控制信号返回低电平,T截止。
由于Ch无放电回路,所以vO的数值被保存下来。
2.5.3转换精度
精度的提高除了与测量传感器有关系外,A/D转换器件也是影响称重仪表精度的一个重要的方面。
选择合适的、高精度的模数转换器件将大幅度提高称重仪表的性能和精度,减少占用硬件资源。
A/D转换器的选择主要取决于系统要求的精度,但整个系统最终达到的技术指标是由各个环节共同作用完成的。
例如:
一个智能检测仪表测试精度指标定为0.05%,表面上看只要采用12位A/D转换器件就可以达到这个指标,其实不然,如果传感器的非线性、温漂等指标达不到这个水平,或者抗干扰措施不利,那么整个系统的指标是根本不可能完成的,即使数字显示出足够多的位数,但它的低位数字跳跃不停,则输出的高精度也是虚假的。
本设计系统要求精度为0.1%,而我们采用12位MAX187就是保留了一定的余地。
MAXIM推出的MAX187方便之处在于它包括了数据采集系统所必须的所有部件——转换速度8.5μs的A/D转换器(逐次比较式)、T/H(采样保持)、内置4.096V参考电压源,以串行方式输出;8脚DIP封装或16脚SO封装,节约印刷板空间;±1/2LSB的误码率(MAX187A);内置采样保持电路,数据采样速度为75kbps;单+5V电源供电,等待方式静态工作电流2μA,正常工作电流1.5Ma;串行接口,兼容SPI、QSPI、Microwave。
几乎不需任何外围器件就能构成一个完整的高速数据采集系统。
图2-11MAX187引脚功能图
2.6关于显示
2.6.1显示分类
显示分为CRT、LCD、LED等几种显示方式,早期的显示器一般都是CRT显示,它的全称是CathodeRayTube,即阴极射线管阴极射线管主要有五部分组成:
电子枪(ElectronGun)、偏转线圈(Defiectioncoils)、荫罩(Shadowmask)、荧光粉层(Phosphor)及玻璃外壳。
它是目前应用最广泛的显示器之一,CRT纯平显示器具有可视角度大、无坏点、色彩还原度高、色度均匀、可调节的多分辨率模式、响应时间极短等LCD显示器难以超过的优点,而且现在的CRT显示器价格要比LCD显示器便宜不少。
CRT(阴极射线管)显示器的核心部件是CRT显像管。
经典的CRT显像管使用电子枪发射高速电子,经过垂直和水平的偏转线圈控制高速电子的偏转角度,最后高速电子
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