电子秤毕业设计.docx
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电子秤毕业设计.docx
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电子秤毕业设计
摘要
随着微电子技术的应用,市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。
为了改变传统称重工具在使用上存在的问题,在本设计中将智能化、自动化、人性化用在了电子秤重的控制系统中。
本系统主要由单片机来控制,测量物体重量部分由称重传感器及A/D转换器组成,加上显示单元,此电子秤俱备了功能多、性能价格比高、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。
本设计以AT89S52单片机为主控芯片,实现电子秤的基本控制功能。
在设计系统时,为了更好地采用模块化设计法,分步的设计各个单元功能模块,系统的硬件部分可以分为最小系统、数据采集和人机交互界面三大部分。
最小系统部分主要包括AT89S52以及复位电路和晶振电路;数据采集部分由稳重传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成,包括仪表放大器INA122和A/D转换器ADC0804人机交互界面为键盘输入、点阵式液晶显示和语音报价,主要使用4*4矩阵键盘、1602液晶显示模块和电子秤专用语音芯片SC1010B;软件部分应用单片机C语言进行编程,实现了该设计的全部控制功能。
该电子秤可以实现基本的称重功能,可以设置单价,还具有累加和报价功能。
整个系统结构简单,使用方便,功能齐全,具有一定的开发价值。
关键词:
AT89S52称重传感器,A/D转换器,LCD显示器
ABSTRACT
Withtheapplicationofmicro-electronicstechnology,traditionponderationinstrumentusedinmarkethasbeennotsatisfactionwithhunmanrequirementsalready.Inordertomakeupforthetraditionalapparatusshortcoming,weimprovetheapparatus'scontrolsystemwithintelligenceandautomation.Thissystemismainlycontrolledbymicrocontroller,thesectionofheightmeasurementaccomplishbysupersonicsensor,thesectionofweightmeasurementaccomplishbyweightsensorandA/Dtransformer,thisapparatushavemanycharacteristicsuchashavingmorefunction,consumelessenergy,smallandmoveeasily,lowprice,measureprecisely,thespeedisquick,automaticworkwithoutpeopleandsoon.
ThisdesignasthecontrollerchipAT89S52SCM,realizethebasicelectronicscalecontrolfunction.Inthedesignofthesystem,inordertobetterthemodulardesignmethod,thedesignofthestepeachunitfunctionmodule,thesystem'shardwarepartscanbedividedintothesmallestsystem,dataacquisitionandman-machineinterfaceofthree.MinimumsystemmainlyincludingpartandresetcircuitAT89S52crystalvibrationcircuit;Dataacquisitioninpartbythesteadysensors,signalprocessingandlevelbeforeA/Dconversionparts,includinginstrumentationamplifierINA122andA/DconverterADC0804;Theman-machineinterfaceforkeyboardinput,Dot-matrixLCDdisplayandvoiceoffer,themainuse4*4matrixkeyboard,1602LCDmoduleandelectronicscalesspecialvoicechipSC1010B;ApplicationsoftwareofsinglechipmicrocomputerCprogramminglanguage,realizethedesignofallcontrolfunction.Theelectronicscalescanrealizethebasicweighingfunction,cansettheprice,Alsohastheaccumulationandofferfunction.Thewholesystemstructureissimple,easytouse,thefunctionisallready,hassomeofthedevelopmentvalue.
KEYWORDS:
AT89S52,ponderation—enso,A/Dconverter,LCDDisplay
摘要I
ABSTRACTII
1绪论1
1.1称重技术和衡器的发展1
1.2电子秤的组成1
1.2.1电子秤的基本结构1
1.2.2电子秤的工作原理2
1.2.3电子秤的计量性能2
1.3设计思路3
2系统方案论证与选型4
2.1测量部分4
2.2放大部分5
2.3A/D转换部分6
2.4控制器部分8
2.5显示部分8
2.6键盘部分11
2.7语音部分12
3硬件电路设计13
3.1AT89S52的最小系统电路13
3.1.1、单片机芯片AT89S52介绍:
13
3.1.2、单片机管脚说明:
13
3.1.3、AT89S52的最小系统电路构成:
15
3.2数据采集电路16
635䃿ဂ였w܀测量电路及放大电路16
635䃿ဂ였w܀A/D转换电路17
3.3显示电路19
3.4语音电路20
4系统软件设计22
4.1主程序流程图23
4.2A/D转换子程序流程图24
4.3键盘扫描子程序流程图26
4.4显示子程序流程图28
5总结31
致谢32
参考文献33
附录134
附录247
1绪论
1.1称重技术和衡器的发展
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。
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启
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
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。
122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-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不断扫描键盘和各种功能开关,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,或送打印机打印。
一般地信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运
算处理都在仪表中完成。
1.2.3电子秤的计量性能
电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有:
量程、分度值、分度数、准确度等级等。
(1)量程:
电子衡器的最大称量Max,即电子秤在正常工作情况下,所能称量的最大值。
(2)分度值:
电子秤的测量范围被分成若干等份,每份值即为分度值。
用e或d来表示。
(3)分度数:
衡器的测量范围被分成若干等份,总份数即为分度数用n表示。
电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积来表示,即Max=n?
d
(4)准确度等级
国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成I、U、M、W四类等级,分别对应不同准确度的电子秤和分度数n的范围,如表1-1所示:
表1-1电子秤等级分类
标志及等级
电子秤种类
分度数范围
特种准确度
基准衡器
n>100000
高准确度
精密衡器
10000 中准确度 商业衡器 1000 普通准确度 粗衡器 100 1.3设计思路 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。 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0〜10kg; 分度值0.1kg,精度等级W级。 2系统方案论证与选型 按照本设计功能的要求,系统由七个部分组成: 测量部分、放大部分、A/D转换部分、控制器部分、显示部分、键盘部分和语音部分,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,而后经放大电路处理后,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,经过运算,将数字信号转换为物体的实际重量信号,并将其送至LCD 显示。 控制器还可以通过对I/O口的控制,对键盘进行扫描,而后通过键盘来对整个系统进行控制。 2.1测量部分 在设计中测量部分由称重传感器来完成。 稳重传感器是一个十分重要的元件,因此对稳重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,还要考虑到与其相配置的各种电路的设计和性价比等等。 稳重传感器量程的选择可依据电子秤的最大称量值、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。 本设计是学术研究,只考虑量程和精度。 所以采用电阻应变式稳重传感器的量程为10Kg,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: 其工作原理和参数如图2-2所示: Eout=RER4沆 (R2+R4) 么J△RJ△R3+△只4"门R1R2R3R4丿 2.2放大部分 称重传感器输出电压振幅范围0〜10mV。 而A/D转换的输入电压要求为0〜5V,因此放大环节要有500倍左右的增益。 零点和增益的温度漂移和时间漂移极小。 按照输入电压10mV,分辨率20000码的情况,漂移要小于1凶。 由于其具有极低的失调电压的温漂和时漂,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2.1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△R/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120Q,灵敏系 数K=2,弹性体在额定载荷作用下产生的应变为1000£,应变电阻相对变化量为: △R/R =KX£=2X1000^<61=0.002o可以看出电阻变化只有0.24莒其电阻变化率只有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△R/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电路; 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,此种方案不宜采用。 方案二、主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器,而构成的前级处理电路;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 图2-3利用普通运放设计的差动放大器 方案三、采用专用仪表放大器,如: INA126,INA122等构成前级处理电路。 本设计采用INA122仪表放大器来实现。 2.3A/D转换部分 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刀■△型和流水线型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。 目前,ADC集成电路主要有以下几种类型: 并行比较A/D转换器: 如TLC5510、TLC5540等。 并行比较ADC是现今速度最快的模/数转换器,采样速率在1GSPS以上,通常称为—闪烁式ADC。 它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分组成。 这种结构的ADC所有位的转换同时完成,其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。 缺点是: 并行比较 式A/D转换的抗干扰能力差,由于工艺限制,其分辨率一般不高于8位。 逐次逼近型A/D转换器: 如: ADS7805、ADS7804等。 逐次逼近型ADC是应用非常广泛的模/数转换方法,这一类型ADC的优点: 高速,采样速率可达1MSPS;与其它ADC相比,功耗相当低;在分辨率低于12位时,价格较低。 缺点: 在高于14位分辨率情况下,价格较高;传感器产生的信号在进行模/数转换之前需要进行调理,包括增益级和滤波,这样会明显增加成本。 积分型A/D转换器: 如: ICL7135、ICL7109、ICL1549、MC14433等。 积分型 ADC又称为双斜率或多斜率ADC,是应用比较广泛的一类转换器。 它的基本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。 与此同时,在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数,从而实现A/D转换。 积分型ADC两次积分 的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定,因此所得到的表达式与时钟频率无 关,其转换精度只取决于参考电压VR。 此外,由于输入端采用了积分器,所以对交流噪声的干扰有很强的抑制能力。 若把积分器定时积分的时间取为工频信号的整数倍,可把由工频噪声引起的误差减小到最小,从而有效地抑制电网的工频干扰。 这类ADC主 要应用于低速、精密测量等领域,如数字电压表。 其优点是: 分辨率高,可达22位; 功耗低、成本低。 缺点是: 转换速率低,转换速率在12位时为100〜300SPS (4)压频变换型ADC: 其优点是: 精度高、价格较低、功耗较低。 缺点是: 类似 于积分型ADC,其转换速率受到限制,12位时为100〜300SPS 考虑到本系统中对物体重量的测量和使用的场合,精度要求不是很苛刻,转换速率要求也不高,而双积分型A/D转换器精度高,具有精确的差分输入,重要的是输入阻抗高(大于10M°),可自动调零,有超量程信号输出,全部输出于TTL电平兼容。 且双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。 对正负对称的工频干扰信号积分为零,所以对50Hz的工频干扰抑制能力较强,对高于工频干扰(例如噪声电压)已有良好的滤波作用。 只要干扰电压的平均值为零,对输出就不产生影响。 尤其对本系统,缓慢变化的压力信号,很容易受到工频信号的影响。 根据系统的精度要求以及综合的分析其优点和缺点,本设计采用了8位A/D转换器 AD0804。 2.4控制器部分 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ATMENL生产的AT89SXX系列单片机。 AT89SXX系列与MCS-51相比有两大优势: 第一,片内存储器采用闪速存储器,使程序写入更加方便;第二,提供了更小尺寸的芯片,使整个硬件电路体积更小。 此外价格低廉、性能比较稳定的MCPU,具有8KX8ROM、256X8RAM、2个16位定时计数器、4个8位I/O接口。 这些配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求 最后我们最终选择了AT89S52这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。 AT89S52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显示部分 方案一、LED显示: LED就是lightemittingdiode,发光二极管的英文缩写,简称LED。 它是一种通过 控制半导体发光二极管的显示方式,用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。 LED显示器结构: 基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片排列而成的。 可实现0〜9的显 示。 其具体结构有d反射罩式IL味形七段式I及冲片集成式多位数字式I等 LED显示器与显示方式: LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。 通常使用的是七段LED。 这种 显示块有共阴极与共阳极两种。 共阴极LED显示块的发光二极管阴极共地。 当某个发光二极管的阳极为高电平时,发光二极管点亮;共阳极LED显示块的发光二极管阳极 并接。 在设计中使用LED显示块构成N位LED显示器。 N位LED显示器有N根位选线 和8*N根段选线。 根据显示方式不同,位选线与段选线的连接方法不同。 段选线控制字符选择,位选线控制显示位的亮、暗。 LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。 在多位LED显示时,为了简化电路,降低成本,将所有位的段选线并联在一起,由一个8位I/O口控制,而共阴极点或共阳极点分别由响应的I/O口线控制。 其中两片74LS244分别用于段信号和位信号的驱动,74LS273
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