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电子秤的设计.docx
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电子秤的设计
南京理工大学
毕业设计说明书(论文)
作者:
蒋宇明
学号:
0804210126
学院(系):
电子工程与光电技术学院
专业:
电子信息工程
题目:
电子秤的设计
副教授
朱红
指导者:
(姓名)(专业技术职务)
评阅者:
(姓名)(专业技术职务)
2012年5月
毕业设计说明书(论文)中文摘要
本课题通过对AT89C51单片机原理的分析,设计了数字化的电子秤,使其具有显示商品单价、总价及动态刷新的功能。
我们在设计数字电子秤系统时,为了更好地展示系统功能,采用系统硬件的模块化设计法,分步设计了以下六大功能模块,即称重模块、信号放大模块、V/F转换模块、控制模块、键盘模块和显示模块。
总硬件电路连接好以后,再把软件程序写入单片机进行总的调试测量,使各个模块能相互配合,协调工作。
设计出的电子秤具备使用方便,界面友好,精度高,成本低等特点,适应了现代社会发展的需求。
关键词电子秤单片机模块
毕业设计说明书(论文)外文摘要
TitleTheDesignofElectronicScales
Abstract
Inthispaper,bytheanalysisoftheprincipleofAT89C51microcomputer,wedesignthedigitalelectronicscalesofdynamicrefreshfunction,whichcanalsodisplaycommoditiesunitpriceandtotalprice.Whendesigningthedigitalelectronicscales,inordertothebetterdisplayofthesystemfunctions,weadoptthemodulardesignmethodofsystemhardware,anddesignthefollowingsixfunctionmodules:
weighingmodule,amplificationmodule,V/Fconversionmodule,controlmodule,keyboardmoduleanddisplaymodule.Thenwiththetotalhardwarecircuitconnected,weimportthesoftwareprogramintothemicrocontrollerforgeneraldebuggingandmeasurement,asaresultofwhich,eachmodulecancomplementeachotherandworkproperly.Mostimportantofall,theelectronicscalesdesignedis easytousewith friendlyinterface,highprecisionand lowcost,whichcanbeadaptedtothedevelopmentneedsofmodernsociety.
KeywordsElectronicScalesSingle-chipMicrocomputer(SCM)Module
目次
1绪论
1.1选题背景和意义
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。
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。
因此,称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。
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。
现今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。
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。
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。
1.2电子秤的组成以及工作原理
1.2.1电子秤的基本结构
电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量(重量)的测量仪器,也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。
不管根据什么原理制成的电子秤均由以下三部分组成:
(1)承重、传力复位系统
它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统,又称电子秤的秤体,一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。
(2)称重传感器
即由非电量(质量或重量)转换成电量的转换元件,它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。
按照称重传感器的结构型式不同,可以分直接位移传感器(电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等)和应变传感器(电阻应变式、声表面谐振式)或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。
对称重传感器的基本要求是:
输出电量与输入重量保持单值对应,并有良好的线性关系;有较高的灵敏度;对被称物体的状态的影响要小;能在较差的工作条件下工作;有较好的频响特性;稳定可靠。
(3)测量显示和数据输出的载荷测量装置
即处理称重传感器信号的电子线路(包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补尝元件、保护线路等)和指示部件(如显示、打印、数据传输和存贮器件等)。
这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。
在数字式的测量电路中,通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。
1.2.2电子秤的工作原理
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V/F转换电路转换成数字量被送入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。
除了显示功能,为达到其他功能,控制器要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,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。
此部分对软件的设计要求比较高,系统的大部分功能都需要软件来控制。
2系统方案论证与选型
按照设计的基本要求,系统可分为六大模块,即称重模块、信号放大模块、V/F转换模块、控制模块、键盘模块和显示模块。
系统设计总体方案框图如图2-1所示。
图2-1总体方案框图
2.1称重模块
称重模块,即传感器模块。
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。
题目要求称重范围0~9.999Kg,重量误差不大于0.01Kg,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——9.999kg。
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0.002,完全满足本系统的精度要求。
L-PSIII型传感器作为应变片式传感器,还具有如下特点:
(1)应用和测量范围广,应变片可制成各种机械量传感器。
(2)分辨力和灵敏度高,精度较高。
(3)结构轻小,对试件影响小,对复杂环境适应性强,可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用,频率响应好。
(4)商品化,使用方便,便于实现远距离、自动化测量。
电阻应变式称重传感器的桥式测量电路如图2-2所示:
图2-2桥式测量电路
R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻,组成了桥式测量电路,Rm为温度补偿电阻,e为激励电压,V为输出电压。
当传感器不受载荷时,弹性敏感元件不产生应变,粘贴在其上的应变片将不发生变形,阻值不变,电桥平衡,输出电压为零;当传感器受力时,即弹性敏感元件受载荷P时,应变片就会发生变形,阻值发生变化,电桥失去平衡,有输出电压。
当应变片的电阻R1、R2、R3、R4变成R+△R1、R+△R2、R+△R3、R+△R4时,电桥的输出电压变为:
电桥的输出电压和4个桥臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比。
在电阻应变式称重传感器中,4个应变片分别贴在弹性梁的4个敏感部位,传感器受力作用后发生变形。
在力的作用下,R1、R3被拉伸,阻值增大,R1、R3为正值,R2、R4被压缩,阻值减小,R2、R4为负值,再加之应变片阻值变化的绝对值相同,即
L-PSⅢ型铝制称重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。
主要技术指标参考下表2-3所示:
准确度等级
C30.020.03
额定载荷
kg
3、6、10、20、30、50
灵敏度
mV/V
1.8±0.08
非线性
%F.S.
±0.02
滞后
0.02
重复性
0.02
蠕变
%F.S./30min
±0.02
蠕变恢复
零点输出
%F.S.
±1
零点温度系数
%F.S./10℃
±0.02
额定输出温度系数
输入电阻
Ω
415~445
输出电阻
Ω
349~355
绝缘电阻
MΩ
≥5000
供桥电压
V
12(DC/AC)
温度补偿范围
℃
-10~+50
允许温度范围
℃
-20~+60
允许过负荷
%F.S
120
极限过负荷
%F.S
200
四角误差
%F.S
0.03
连接电缆
mm
Φ3.8×300
接线方式
输入(+):
红输入(-):
白输出(+):
绿
输出Output(-):
蓝屏蔽:
黄
表2-3L-PSIII型称重传感器电气特性
而我们在具体实现采集的模拟量进行模拟仿真时,由于仿真系统没有L-PSIII型传感器,而是直接从系统的电源电路中引出一个毫伏级的电压作为待采样的模拟量。
2.2信号放大模块
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V/F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。
(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。
为此我们采用的是AD620的专用仪表放大器。
此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,只需外接一个电阻RG根据AD620放大增益关系式:
我们就可以改变RG电阻值,达到所需的放大增益。
其内部接口图如下图2-4
图2-4
接线原理图如图2-5
图2-5
2.3V/F转换模块
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。
整个V/F转换模块其实也是A/D数模转换的过程,但由于当前12位以上的A/D转换器的价格仍较昂贵,用V/F变换器来代替A/D转换器,在要求速度不太高的场合是一种较好的选择。
所以在这里我们采用的是LM331集成芯片。
LM331是专用的V/F转换集成电路,内含能隙基准电源,具有很高的转换精度及温度稳定性。
而且频率适应范围宽、线性好、外围电路简单。
LM331内部结构框图及相关外围元件如图2-6示,主要包括单稳态电路(由R2S触发器、比较器等组成,其结构与工作原理类似于555定时器),精密电流镜,输出电路等。
LM331采用8脚DIP封装。
LM331各引脚功能说明如下:
脚1为脉冲电流输出端,内部相当于脉冲恒流源,脉冲宽度与内部单稳态电路相同;脚2为输出端脉冲电流幅度调节,RS越小,输出电流越大;脚3为脉冲电压输出端,OC门结构,输出脉冲宽度及相位同单稳态,不用时可悬空或接地;脚4为地;脚5为单稳态外接定时时间常数RC;脚6为单稳态触发脉冲输入端,低于脚7电压触发有效,要求输入负脉冲宽度小于单稳态输出脉冲宽度Tw;脚7为比较器基准电压,用于设置输入脉冲的有效触发电平高低;脚8为电源Vcc,正常工作电压范围为4~40V。
工作时由输入脉冲Vi触发单稳态电路,输出正脉冲的宽度Tw按式Tw=1.1RtCt计算,其工作原理及波形与555定时器构成单稳态时相同。
脉冲经内部电路恒流变换后从脚1输出,由外接RC电路滤波变成直流电压。
由于输出脉冲的高电平宽度是固定的,可见输出的直流电压大小与单位时间内输出的脉冲个数(即输入触发脉冲的频率)成正比。
LM331输入脉冲的有效频率范围1Hz~100kHz,但在电路设计时必须保证其单稳态输出脉冲的宽度Tw≤0.8Tmin(其中Tmin为输入脉冲周期的最小值),以避免在最高频率输入时出现输出饱和现象而产生附加的非线性误差。
图2-6LM331内部结构框图
图2-7则是由LM331组成的电压频率(V/F)变换电路,LM331内部由输入比较器、定时比较器、R-S触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。
输出驱动管采用集电极开路形式,因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻,灵活改变输出脉冲的逻辑电平,以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。
当输入端Vi+输入一正电压时,输入比较器输出高电平,使R-S触发器置位,输出高电平,输出驱动管导通,输出端f0为逻辑低电平,同时电源Vcc也通过电阻R2对电容C2充电。
当电容C2两端充电电压大于Vcc的2/3时,定时比较器输出一高电平,使R-S触发器复位,输出低电平,输出驱动管截止,输出端f0为逻辑高电平,同时,复零晶体管导通,电容C2通过复零晶体管迅速放电;电子开关使电容C3对电阻R3放电。
当电容C3放电电压等于输入电压Vi时,输入比较器再次输出高电平,使R-S触发器置位,如此反复循环,构成自激振荡。
输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比,从而实现了电压-频率变换。
其输入电压和输出频率的关系为:
fo=(Vin×R4)/(2.09×R3×R2×C2)
由式知电阻R2、R3、R4、和C2直接影响转换结果f0,因此对元件的精度要有一定的要求,可根据转换精度适当选择。
电阻R1和电容C1组成低通滤波器,可减少输入电压中的干扰脉冲,有利于提高转换精度。
图2-7V/F变换电路
2.4控制模块
选择单片机型号的出发点有以下几个方面:
(1)市场货源
系统设计者只能在市场上能够提供的单片机中选择,特别是作为产品大
批量生产的应用系统,所选的单片机型号必须有稳定、充足的货源。
(2)单片机性能
应根据系统的功能要求和各种单片机的性能,选择最容易实现系统技术指标的型号,而且能达到较高的性能价格比。
单片机性能包括片内硬件资源、运行速度、可靠性、指令系统功能、体积和封装形式等方面。
影响性能价格比的因素除单片机的性能价格外,还包括硬件和软件设计的容易程度、相应的工作量大小,以及开发工具的性能价格比。
(3)研制周期
在研制任务重、时间紧的情况下,还要考虑所选的单片机型号是否熟悉,是否能马上着手进行系统的设计。
与研制周期有关的另一个重要因素是开发工具,性能优良的开发工具能加快系统地研制进程。
在众多的51系列单片机中,要算ATMEL公司的AT89C51、AT89S51更实用,因他不但和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。
再着,AT89C51、AT89S51目前的售价比8031还低,市场供应也很充足。
8051系列单片机的内部结构是各种逻辑单元及其之间的互连构成的。
其主要由中央处理器(CPU)、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、串行接口、并行I/0接口、定时/计数器、中断系统等几大单元,以及数据总线、地址总线和控制总线组成。
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[7]。
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。
2.5显示模块
此模块我们采用可以设置显示单价,金额等功能的LCD,它具有低功耗、可视面大、画面友好及抗干扰能力强等功能,其显示技术已得到广泛应用。
LCD显示器的工作原理:
液晶显示器的主要材料是液态晶体。
它在特定的温度范围内,既具有液体的流动性,又具有晶体的某些光学特性,其透明度和颜色随电场、磁场、光照度等外界条件变化而变化。
因此,用液晶做成显示器件,就可以把上诉外界条件的变化反映出来从而形成现实的效果。
2.6键盘模块
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。
考虑成本问题,我们采用的是矩阵式键盘。
矩阵式键盘又叫行列式键盘。
用I/O口线组成行、列结构,按键设置在行列的交点上。
例如,用2×2的行列结构可构成4个键的键盘,4×4行列结构可构成16个键的键盘。
因此,在按键数量较多时,可以节省I/O口线。
相对于专用芯片式键盘可以节省成本,且更为灵活。
缺点就是需要用软件处理消抖、重键等问题。
如下图2-8为4×4行列键盘。
图2-84×4行列键盘
3系统硬件设计
3.1基于AT89C51的主控电路
3.1.1AT89C51简介
AT89C51是一种带4K字节FLASH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1000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。
此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
3.1.2引脚说明
AT89C51芯片图如下图3-1:
图3-1AT89C51的引脚图
具体引脚功能介绍:
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P0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/地址的低八位。
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外部必须接上拉电阻。
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口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为低八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址
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