基于单片机的电子秤设计.docx
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基于单片机的电子秤设计
基于单片机的电子秤设计
课程设计报告
题目基于单片机的电子秤系统设计
课程名称软件设计
院部名称机电工程学院
专业自动化
班级11自动化
学生姓名李克文
学号1104105016
课程设计地点C106
课程设计学时32
指导教师姜玉东
1绪论............................................6
1.1本课题的研究背景及义...........................7
CD...........................................20
4系统软件设计.......................................21
4.1编程语言的选择..................................21
4.2主程序流程图..................................22
5电子称称重调试....................................23
结论..................................................24
致谢................................................25
参考文献.............................................25
附录...............................................26
附录1仿真图..........................................26
附录2C语言源程序....................................26
基于单片机的电子秤系统设计
摘要
随着自动称量技术的不断发展,传统的模拟称重系统在测量精度、测量功能及性价比都不能满足人们的要求,单片机及集成电路的发展为实现具有良好性能的电子称重系统提供了条件,该课题设计一种由单片机控制的电子称系统,通过压力传感器感应物品重量,并由信号放大处理电路及A/D装换电路转换为电信号,由单片机进行信号的处理与控制,并通过LED进行重量的显示。
该电子称设计由称重传感器,前端放大电路,A/D转换电路,单片机控制电路,显示电路,稳压电源等各部分组成。
本设计采用单片机作为最小系统实现电子称的基本控制功能,LM358放大器件、A/D转换芯片ADC0832以及相关称重传感器作为该设计的数据采集部分。
软件部分采用单片机C语言进行编程,实现了该设计的全部控制功能。
该电子称可以实现基本的称重功能(称重范围为0~3Kg),最小分辨率为0.01Kg。
整个系统结构简单,使用方便,功能齐全,精度高,具有一定的开发价值。
关键词:
单片机称重传感器放大电路A//D转换LCD
Abstract
Withthecontinuousdevelopmentofautomaticweighingtechnology,traditionalanalogweighingsysteminmeasuringprecision,measurementfunctionandpricecannotsatisfytherequirementofpeople,microcontrollerandthedevelopmentofintegratedcircuitswithgoodperformancefortherealizationofelectronicweighingsystemprovidedacondition,thesubjectbyasingle-chipmicrocomputercontroldesignofelectronicscalesystem,throughthepressuresensors,andarticleweightbyamplificationprocessingcircuitandA/DconversionintoelectricalsignalinstalledrewiringbyMCU,onsignalprocessingandcontrol,andtheweightbyLEDdisplay.
Thedesignofelectronicscaleiscomposedbyweighingsensor,front-endamplifyingcircuit,A/Dcircuit,single-chipmicrocomputercontrolcircuit,displaycircuit,manostatandsoonvariousparts.Thisdesignusesthemonolithicintegratedcircuitasthesmallestsystemrealizeelectronicscalethebasiccontrolfunction,LM358amplificationdevice,A/DconversionchipADC0832andrelatedweighingtransducerasthedesignofdataacquisitionparts.SpeechpartadoptsISD1420voicecircuits(hasrecord),canburnastheweightspeechbroadcastspeechcontent.Softwarepartadoptssingle-chipmicrocomputerCprogramminglanguage,realizethedesignofallcontrolfunction.Theelectronicscalecanrealizebasicweighingfunction(weighingtherangeof0~3Kg),minimumresolutionis0.01Kg.Thewholesystemstructureissimple,easytouse,thefunctionisallready,highprecision.
Keywords:
MCUweightingsensoramplifiercircuitA/DconversionLED
1绪论
1.1本课题的研究背景及意义
在当前社会,物品称重是市场交易中很基本的活动,是商业领域最基本的衡具。
在日常生活中,到处必须用到称。
尤其是现代超市和一些其他交易市场上,称是必不可少的测重工具。
随着人们生活水平的不断提高,商业行为也越来越现代化,人们对商品度量的速度和精度也提出了新的要求。
电子称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,电子称具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点。
今后,随着电子高科技的飞速发展,电子称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将会不断问世,其应用范围也会更加拓宽。
从实际情况看来,目前市场上使用的称量工具,结构复杂,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称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。
因此,有针对性地开发出一套有实用价值的电子称系统,从技术上克服上述诸多缺点,改善电子称系统在应用中的不足之处,具有现实意义。
1.2电子称的发展及研究成果
从国际上看,随着二十世纪初战后的经济繁荣,为了把称重技术引入到生产工艺过程中去,对称重技术提出了新的要求,希望称重过程自动化,为此电子技术渗入衡器制造业。
在1954年使用了带新式打印机的倾斜式称,其输出信号能控制商用结算器,并且用电磁铁机构与人工操作的按键与办公机器联用。
在1960年开发出了与衡器相联的专门称重值打印机。
当时带电子装置的衡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。
回首国内,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年代开始出现了以称重传感器为主的电子衡器。
80年代以来,我国通过自行研究引进消化吸收和技术改造。
已由传统的机械式衡器步入集传感器、微电子技术、计算机技术与一体化的电子衡器发展阶段。
目前,由于电子衡器具有称量快、读数方便、能在恶劣条件下工作、便于与计算机技术相结合而实现称重技术和过程控制的自动化特点,已被广泛应用于工矿企业、能源交通、商业贸易和科学技术等各个部门、随着称重传感器技术以及超大规模集成电路和微处理器的进一步发展,电子称重技术及其应用范围将更进一步的发展,并被人们越来越重视。
电子称的发展动向为:
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;而且更需向多种功能的方向发展。
目前电子称的附加功能主要有以下几种:
(1)具有皮重、净重显示、语音播报等功能。
电子称有些已具备了动态称量模式,即通过进行算术平均、积分处理和自动调零等方法,消除上述的误差;
(2)电子称附加了计算机信息补偿处理装置,可以进行自诊断、自校正和多种补偿计算和处理;
(3)附加单价总额计算功能。
目前的电子称有附加多种计算和数据处理功能,以满足多种使用的要求。
电子称的称重功能是基于微电脑控制芯片处理器这一核心技术来实现的。
由于目前在设计电子称系统时大量地采用集成芯片,因此电子称系统已经摆脱了以往的电子模式,正趋向智能化多元化方向发展。
在此基础上可以实现系统功能的扩展,比如与上位机的通讯,在上位机上利用图形化界面的操作软件实现数据库管理等。
电子称由于自身的精度高、功能强和使用方便,实际使用的电子称有较高的性价比,在很多领域完全可以取代那些机械式的称重工具。
在具体开发电子称的系统时应该根据用户的客观需要,再结合系统硬件和软件,从而可以开发出一套实际使用价值极大的电子称系统。
目前,随着电子技术的飞速发展,微处理器应用技术的日趋成熟,必将推进基于微处理器为核心的电子称系统功能的日趋完善,因此多元化智能电子称具有广泛的应用前景和开发价值!
1.3研究内容及结构安排
电子称的设计首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。
输出电压信号通常很小,需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。
放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量,并送到主控电路的单片机中,再经过单片机控制译码显示器,从而显示出被测物体的重量。
2系统总体方案设计
2.1电子称的设计要求
研究电子称重的基本原理,选取合适的压力传感器及外围电路,采用单片机控制,设计一种具有语音及LED显示的电子称重系统。
(1)掌握单片机系统设计等相关知识。
(2)熟悉本课题的设计指标、设计原理,选取合适的压力传感器、A/D转换方法、模拟放大电路及显示电路的选择和设计。
(3)灵活应用C语言等开发环境完成系统软件的设计。
(4)完成系统各部分组成,包括软件和硬件部分,并进行功能验证。
2.2电子称原理及基本思路
电子称的工作原理是通过称重传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。
输出电压信号通常很小,需要通过前端信号放大,再通过A/D转换成数字量送入到主控电路的单片机中处理,再经过单片机控制显示器,从而显示出被测物体的重量。
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。
。
按照设计的基本要求,系统可由单片机最小系统、数据采集、人机交互、系统电源、几部分组成。
其中数据采集模块由称重传感器、前端信号放大器件、A/D转换组成。
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。
2.3系统总体设计方案
称重传感器测量物体后,选用前置放大、A/D转换等措施,在这个环节中使用信号放大和AD转换之间独立的器件,在显示方面采用LED显示器,增加了键盘控制(如图2-1)。
该设计方案不仅加强了人机交换的能力,而且设计简单,不容易出错,满足设计要求。
采用LED显示。
它经过合理的设置可以完成显示被测物质量等信息,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。
图2-1
2.4传感器的选型
传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用,是十分明显的。
世界各国都十分重视这一领域的发展。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。
可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。
现代科技的快速发展使人类社会进入了信息时代,在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理,而传感器处于自动检测与控制系统之首,是感知获取与检测信息的窗口;传感器处于研究对象与测控系统的接口位置,因此,传感器的地位与作用特别重要。
题目没有要求具体的称重范围,我们选择最大量值为20千克。
我们选择的是L-PSIII型传感器,量程20Kg,精度为0.01%,满量程时误差0.002Kg。
可以满足系统的精度要求。
其原理如下图2-2所示。
图2-2
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:
2.5放大器的选型
称重传感器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A/D转换。
为此,测量电路中常设有模拟放大环节。
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,放大器的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。
压力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。
具体方案:
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(如图2-3)。
图2-3
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。
对精度影响较大。
2.6A/D转换器选型
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。
目前,世界上有多种类型的ADC,有传统的并行、逐次逼近型、积分型ADC,也有近年来新发展起来的流水线型ADC,多种类型的ADC各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求。
在选择A/D转换器的时候应该遵循以下原则:
(1)A/D转换器的位数:
A/D转换器决定分辨率的高低。
在系统中,A/D转换器的分辨率应比系统允许引用误差高一倍以上。
(2)A/D转换器的转换速率:
不同类型的A/D转换器的转换速率大不相同。
积分型的转换速率低,转换时间从几豪秒到几十毫秒,只能构成低速A/D转换器,一般用于压力、温度及流量等缓慢变化的参数测试。
逐次逼近型属于中速A/D转换器,转换时间为纳秒级,用于个通道过程控制和声频数字转换系统。
(3)A/D转换器的有关量程引脚:
有的A/D转换器提供两个输入引脚,不同量程范围内的模拟量可从不同引脚输入。
(4)A/D转换器的晶闸管现象:
其现象是在正常使用时,A/D转换器芯片电流骤增,时间一长就会烧坏芯片。
在AD转换模块选用了ADC0832,该器件是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。
由于它体积小,兼容性,性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎,其目前已经有很高的普及率。
学习并使用ADC0832可使我们了解A/D转换器的原理,有助于我们使用单片机的技术水平提高。
引脚图如图2-4。
图2-4
ADC0832的特点:
(1)8位分辨率;
(2)双通道A/D转换;
(3)输入输出电平与TTL/CMOS相兼容;
(4)5V电源供电时输入电压在0~5V之间;
(5)工作频率为250KHZ,转换时间为32μS;
(6)一般功耗仅为15mW;
(7)8P、14P—DIP(双列直插)、PICC多种封装;
(8)商用级芯片温宽为0°Cto+70°C,工业级芯片温宽为40°Cto+85°C;其芯片接口说明为:
(1)CS_片选使能,低电平芯片使能。
(2)CH0模拟输入通道0,或作为IN+/-使用。
(3)CH1模拟输入通道1,或作为IN+/-使用。
(4)GND芯片参考0电位(地)。
(5)DI数据信号输入,选择通道控制。
(6)DO数据信号输出,转换数据输出。
(7)CLK芯片时钟输入。
(8)Vcc/REF电源输入及参考电压输入(复用)。
ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片,其最高分辨可达256级,可以适应一般的模拟量转换要求。
其内部电源输入与参考电压的复用,使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。
芯片转换时间仅为32μS,据有双数据输出可作为数据校验,以减少数据误差,转换速度快且稳定性能强。
独立的芯片使能输入,使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。
通过DI数据输入端,可以轻易的实现通道功能的选择。
2.7人机交互部分
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。
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。
采用LCD1602英文显示屏显示,此方案显示直观,而且编程简单。
如图2-5所示。
图2-5
2.8总体实施方案总结
根据以上设计方案,控制模块部分采用单片机AT89C51为控制核心部件,实现电子称的基本控制功能。
数据采集部分由PM-23型称重传感器、LM358放大器件、A/D转换芯片ADC0832等部分组成。
3系统硬件设计
3.1数据采集部分
电阻应变式压力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,电阻应变片(转换元件)受到拉伸或压缩应变片变形后,它的阻值将发生变化(增大或减小),从而使电桥失去平衡,产生相应的差动信号,供后续电路测量和处理。
如图3-1
图3-1
当垂直正压力P作用于梁上时,梁产生形变,电阻应变片R1,R3受压弯拉伸,阻值增加;R2,R4受压缩,阻值减小;电桥失去平衡,产生不平衡电压,与作用在传感器上载荷P成正比,从而将非电量转化成为电量输出。
工作原理如下图3-2所示。
图3-2
采用LM358放大电路,3、4端接收PM-23型称重传感器的正负信号,经过358的放大电路处理放大后传输到ADC0832。
原理图如图3-3所示:
图3-3
通过以上信号放大处理,采用ADC0832将传感器信号进行转换,转换后形成数字信号,再经过单片机进行数据处理。
由于ADC0832为双通道A/D转换,采用CH0通道输入,CS端片选使能,接单片机的P24端,VCC接电源正,GND接地,CLK为芯片时钟输入,接单片机的P25端,DI、DO共同接P26端。
原理图如图3-5所示
图3-4
3.2单片机控制部分
AT89C51单片机是ATMEL公司新近推出的高档型AT89S系列单片机中的增强型产品。
ATMEL公司是美国20世纪80年代中期成立并发展起来的半导体公司。
该公司的技术优势在于推出Flash存储器技术和高质量、高可靠性的生产技术,它率先将独特的Flash存储技术注入于单片机产品中。
其推出的AT89系列单片机,在世界电子技术行业中引起了极大的反响,在国内也受到广大用户欢迎。
AT89S52具有如下特点:
40个引脚,8kBytesFlash片内程序存储器,256bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。
引脚封装如下图3-5所示:
图3-5
3.3人机交互部分
在该课题设计中简单运用了键盘按钮的功能,在单片机的复位开关上采用了键盘,使用键盘可以使该电子称设计更显人性化。
原理图如下图3-6所示:
图3-6
在显示方面,采用了LCD液晶显示,简洁明了。
管脚与单片机的P0^0-P0^7端相接。
原理图如下图3-7所示:
图3-7
4系统软件设计
在系统软件的设计中,一般工作量较大,特别是对那些控制系统比较复杂的情况。
如果是机电一体化的设计人员,往往需要同时考虑单片机的软硬件资源分配。
程序设计是一件复杂的工作,为了把复杂的工作条理化,就要有相应的步骤和方法。
其步骤可概括为以下三点:
(1)分析系统控制要求,确定算法:
对复杂的问题进行具体的分析,找出
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- 基于 单片机 电子秤 设计