课程设计（论文）-基于单片机实现高精度电子秤的设计.doc

电子称课程设计1 系统总体方案设计1.1.1 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)。通常此电压信号很小，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过滤波电路和a/d转换电路转换成数字信号被送入到主控电路的单片机中，单片机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，单片机发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示。1.2 总体方案设计按照设计的基本要求，可以确定系统共分为五大模块，数据采集模块、最小系统模块、超重报警模块、键盘和显示模块。其中，数据采集模块包括称重传感器和a/d转换电路；最小系统模块由at89s51单片机及其外围电路组成；键盘由44位矩阵键盘组成，可以控制显示商品种类和价钱等信息；显示部分采用lm4229液晶显示，显示当前商品的名称、单价、重量及总价等信息。软件部分由c语言编程，实现对各部分的控制。该电子秤可以实现显示商品的名称、单价、重量、总价等功能。其称重范围为010kg，分度值为0.005g。在扩展功能上，本设计增加了一个超重报警提示。其总体设计的框图如图2-1所示：图1-1 总体设计方框图系统工作原理：把所称物体放到秤台上，物体的重力通过秤体传给称重传感器，传感器受到压力使电阻发生变化引起电压变化，再将电压值送到a/d转换电路，将模拟量转换成数字量，转换后的数字量送至单片机进行处理，并显示结果。单片机最小系统由at89s51和外围的时钟电路及复位电路组成。显示电路设计采用lm4229液晶显示，对各部分的控制由采用c语言编程的软件来实现。1电阻应变式称重传感器按照称重传感器选择的指标要求，以及对各种传感器的比较，本设计选定电阻应变片式传感器，下面对此类传感器做详细介绍。电阻应变式称重传感器是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，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。电阻应变式称重传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件：利用它将被测的重量转换为弹性体的应变值；另一个是电阻应变计：它作为传感元件将弹性体的应变，同步地转换为电阻值的变化。电阻应变片所感受的机械应变量一般为10-610-2，随之而产生的电阻变化率也大约在10-610-2数量级之间。这样小的电阻变化用一般测量电阻的仪表很难测出，必须采用一定形式的测量电路将微小的电阻变化率转变成电压或电流的变化，才能用二次仪表显示出来。在电阻应变式称重传感器中通过桥式电路将电阻的变化转换为电压变化。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。图2-2为电阻应变式称重传感器桥式测量电路。图2-2 电阻应变式称重传感器桥式测量电路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。若不考虑rm，在应变片电阻变化以前，电桥的输出电压为：（1-1）由于桥臂的起始电阻全等，即r1=r2=r3=r4=r，所以v=0。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：（1-2）通过化简，上式则变为：（1-3）也就是说，电桥输出电压的变化与各桥臂电阻变化率的代数和成正比。如果四个桥臂应变片的灵敏系数相同，且=k，则上式又可写成：（1-4）式中k为应变片灵敏系数，为应变量。式2-5表明，电桥的输出电压和四个轿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（1-5）（1-6）因此（1-7）若考虑rm，则电桥的输出电压变成：（1-8）令，则（1-9）su称为传感器系数或传感器输出灵敏度。对于一个高精度的应变传感器来说，仅仅靠4个应变片组成桥式测量电路还是远远不够的。由于弹性梁材料金相组织的不均匀性及热处理工艺、应变片性能及粘贴工艺、温度变化等因素的影响，传感器势必产生一定的误差。为了减少传感器随温度变化产生的误差，提高其精度和稳定性，需要在桥路两端和桥臂中串入一些补偿元件。如：初始不平衡值的补偿、零载输出温度补偿、输出灵敏度温度补偿等。2 硬件设计2.1 系统硬件结构图图2-1为系统总体硬件结构方框图，系统共分为三大部分：数据采集模块、单片机控制模块以及键盘和显示模块。各模块所采用的主要芯片型号已于图中有所标示。图2-1 系统总体硬件设计方框图2.2 单片机主控单元的设计2.2.1 at89s51最小系统设计单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说,最小系统包括:单片机、晶振电路、复位电路。其中复位电路采用上电复位。其最小系统电路图见图2-2所示：对于at89s51单片机，其最小系统只需要电源、复位电路、时钟电路就能工作。由于我们的程序存储器（rom）采用内部flash存储单元，所以单片机上的ea接高。微处理器系统在开始工作时必须对微处理器内部的寄存器等进行复位，使各个寄存器的值设为预定状态才能顺利开始工作。复位电路的好坏决定着单片机能否正常工作。复位电路基本功能是在系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。复位电路可以使用专用复位芯片，也可以用电阻电容搭建。本文从可靠性和成本考虑最终选用电阻电容来搭建复位电路。对于51内核的单片机，rst是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时，可以完成复位操作。图2-2 单片机最小系统图2.2.2 a/d转换单元设计根据对各种a/d转换器的介绍与分析，本设计选定adc0832作为本设计的a/d转换模块。下面对该芯片的情况进行简要的介绍。adc0832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。具有体积小，兼容性强，性价比高的特点，具体参数如下： 8位分辨率； 双通道a/d转换； 输入输出电平与ttl/cmos相兼容； 5v电源供电时输入电压在05v之间； 工作频率为250khz，转换时间为32us； 一般功耗仅为15mw； 8p、14p-dip（双列直插）、picc多种封装； 商用级芯片温宽为070，工业级芯片温宽为-4085；2、adc0832的接口电路正常情况下，adc0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是cs、clk、do、di，但由于do端与di端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将do与di并联在一根数据线上使用。单片机与adc0832的接口电路如图2-3所示。图2-3单片机与adc0832连接图当adc0832未工作时其cs输入端应为高电平，此时芯片禁用，clk和do/di的电平可以任意，当要进行a/d转换时，须先将cs使能端置于低电平并保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端clk输入时钟脉冲，do/di端则使用di端输入通道功能选择的数据信号。2.3 键盘和显示电路单元设计2.3.1 键盘电路设计在本设计中，采用的是44的矩阵式键盘，将单片机的p1.0-p1.3作为键盘的行线接口，p1.4-p1.7作为列线接口，列线通过电阻接+5v。商品的单价已由程序设定好，并可由键盘选择各种商品的价格。2.3.2 显示电路设计本设计中显示部分采用了当今常用的lm4229液晶显示模块。其与单片机的接线如图3-6所示，为完善其功能，电路中添加了上拉电阻。图2-4 液晶显示模块lm4229与单片机接线图2.4 系统总体原理图在系统各部分的设计完成后，把各模块根据其功能和信号处理的流程连接起来，便得到系统总体设计的原理图，如图3-7所示，为简洁起见，其中的接线部分采用网络标号连接。图2-5 系统总体原理图2.5 硬件抗干扰设计电子秤在使用中，常常会出现各种各样的异常现象，电子秤本身的质量问题是一个方面，但更重要的方面是外界干扰和接地引起的异常。本电子称重器的核心部件是单片机，所以我们的抗干扰措施主要是针对单片机。还用到称重传感器，所采用的应变式传感器是高阻抗器件，其绝缘性能、机械结构的稳定性等，直接影响工作特性的稳定。因此，应变片传感器的绝缘材料必须有很高的绝缘性能、足够的机械强度、高形状稳定性及良好的抗湿性能。下面重点介绍单片机的抗干扰措施。随着科学技术的迅速发展，人们对单片机测控系统的各种性能要求越来越高。而系统的可靠性更倍受人们的关注，这是因为系统的可靠性决定了系统能否达到所需要的精度。就单片机测控系统来讲，其主要干扰是来自电源和信号传输通道的干扰。1、电源的抗干扰措施普通用电中含有多种高次谐波，它们很容易经电源进入单片机系统，还有一些射频发射、电磁波等也会由电源线感应反馈进入单片机系统造成干扰。因此，在电源电路中必需采取有效地滤波措施，来抑制这些高频干扰的侵入。电源滤波的一般方法是在电源变压器初、次级分别设置低通滤波器和线间电容滤波器，使50hz市电基波通过，而抑制掉高频信号。此外在变压器的初、次级之间均采用屏蔽层隔离，其中初级屏蔽层接大地，次级屏蔽层接系统逻辑地，以减少其分布电容，提高抗共模干扰的能力。2、信号传输通道的抗干扰措施信号传输通道包括系统的前向通道和后向通道，其主要干扰有：杂散电磁场通过感应和辐射方式进入通道的干扰；由于地阻抗耦合、漏电流等因素产生的加性干扰；以及因传输线衰减、阻抗失配等因素引起的乘性干扰。对于这三类干扰，可以采用以下几种措施加以排除。（1）光电隔离技术光电耦合器对干扰信号具有良好的隔离性能，一是它的输入阻抗很小，约为100fl-lldl，而干扰源内阻则很大，通常为105q108q，因此能分压到光电耦合器输入端的噪声很小；二是光电耦合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作的，即使干扰噪声有较高的电压幅度，但由于能量小，不能提供足够的电流使发光二极管发光而被抑制掉；三是光电耦合器的输入回路与输出回路之间分布电容极小，绝缘电阻很大，回路一边的干扰很难通过光电耦合器馈送到另一边去。因此，采用光电耦合器可将单片机与前向通道、后向通道及其他部分从电气上隔离开来，能有效地防止干扰信号的侵入。（2）接地技术本系统既有模拟电路又有数字电路，因此数字地与模拟地要分开，最后只在一点相连，如果两者不分，则会互相干扰。（3）输入输出信号线采用屏蔽双绞线屏蔽双绞线对于静电干扰和电磁干扰有很好的抑制作用，有条件的话应尽量采用。但使用中应注意： 线缆敷设时不要过分用力或使电缆打结、避免弯曲超过900、避免过紧地缠绕电缆，以保护双绞47线的扭绞状态； 做线时，避免损坏线缆的外皮、不要切坏线缆内的导线； 接线时，双绞线的开绞长度尽量小，不要超过20mm； 双绞线的屏蔽层采用设备端单端接地方式。193 系统软件设计本系统程序使用模块化的程序设计思想，主程序通过调用子程序以实现各部分功能。先进行软件的总体设计，然后进行各功能模块设计。3.1 主程序设计电子秤需要有数据采集、处理、存结果、送显示的运行过程。根据这一要求，电子秤的信息采集与处理分三个阶段：在微处理器的控制下，经传感器转换的电压信号通过输入电路送入a/d转换器处理，存入到数据存储器中；微处理器对采集的测量数据进行必要的数据处理，把数据信号处理为显示所要求的信号格式，通过输出接口电路输出并显示。主流程图见图3-1所示：图3-1 主程序流程图3.2 lm4229液晶显示驱动程序图3-2 lm4229液晶显示驱动程序流程图lm4229液晶能够显示比较复杂的汉字和图形，首先必须对其写入控制操作字，包括图形的显示方式，字体的模式。然后写入初始行地址，指针自动左移，直到写完全部数据为止。write_data(place&0xff); /写入地址高位write_data(place/256); /写入地址低位write_com(0x24); /地址设置write_com(0xb0); /设置数据自动写write_data(asc_msk(c1-0x20)*16+k); /*-例如：0的ascii码为0x30,在asc_msk中的位置为0x10*16 -16字节字码依次写入lcd-*/write_com(0xb2); /自动复位place=place+30;3.3 adc0832采样程序 图3-3 adc0823采样程序流程图 图3-4 键盘程序流程图 单片机通过拉低cs、拉高clk来启动adc0832进行外部压力传感转换后的电压信号进行采样，每产生8个clk脉冲，data获得一位完整的8bit数据，此时mcu发送中断请求，拉高cs，拉低clk,并将数据dat返回。3.4 键盘程序本设计中采用了44矩阵式键盘，单片机定时进行查询。首先单片机发送行扫描代码，然后进行列扫描，当发现某一列出现了低电平时，即返回相应的键盘值。若没有发现则说明当前行没有键按下，行扫描右移一位，继续执行列扫描。4 系统仿真在系统硬件与软件全部设计完成的情况下，将系统在protues7.5环境下进行了软件仿真，以确保本设计方案的可行性与准确性。因为在仿真时不能实际的把物体放到称重台上，所以在仿真时采用直接输入模拟电压信号的方法，来代替信号的采集。4.1 欢迎界面的仿真开始仿真时，先将用c语言编写的程序用keil软件进行编译，生成可执行程序，然后装入单片机中进行仿真，按开始按钮，单片机及其他各部分电路开始工作，单片机调用内部存储数据对各部分接口电路初始化。200ms后lm4229进入欢迎界面，如图5-1所示。图4-1 电子秤欢迎界面仿真4.2 无重物情况仿真欢迎界面过后，电子秤进入称重界面。此时，adc0832不断对外部数据进行采样交给单片机进行处理，一旦有物品放入载物台，adc0832立即发送中断请求，并将本次采集数据交给单片机进行处理。调节压力传感模拟电路电压，将电压设为0.00表示此时载物台上没有物体。此时lm4229显示指示“实用电子秤，名称单价：0.000元/千克，总重量：0.000千克，总价：00.000元”。如图5-2所示。图4-2 无重物称重界面仿真4.3 称量物体仿真上调压力传感电压，表示已有商品放在载物台上，adc0832立即发送中断请求，并将本次采集的数据交给单片机进行处理，之后送入lm4229显示相应数据量。在此过程中，键盘不断进行扫描，一旦有键按下，单片机便对其数据进行相应处理，然后将对lm4229进行写操作。此时，按下键盘，选择相应的商品。如按下3号键，选择草