课程设计（论文）-基于单片机的电子天平电路设计.doc

电气工程学院课程设计说明书 设计题目： 电子天平电路设计 系 别： 电气工程系 年级专业： 检测技术与仪器 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 电气工程学院课程设计任务书课程名称： 测控仪器电路设计基层教学单位：仪器科学与工程系 指导教师： 崔建新学号121203021036 学生姓名李莎 （专业）班级 检测1班设计题目电子天平电路设计设计技术参数量程为01.999kg电源电压12或15设计要求1传感器的选择2测量电路3放大电路4报警电路参考资料1、传感器原理2、测控电路3、新编传感器设计手册，赵宝贵主编。中国计量出版社2002年周次第 前半 周第 后半 周应完成内容周一周二 收集资料及方案论证周三 参数、仪器选择周四 系统布局设计周五 绘图撰写设计说明书指导教师签字崔建新基层教学单位主任签字说明：1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。 2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。电气工程学院 教务科目 录摘要11、 绪论2 1.1电子称的组成及其工作原理2 1.2设计思路22、系统方案论证与选型4 2.1 控制器部分4 2.2.传感器的选择4 2.3.放大电路的选择5 2.4.a/d转换器的选择5 2.5.键盘处理方案论证 6 2.6.显示电路的选择7 2.7.超量程报警部分选择73、硬件电路设计8 3.1 at89s52的最小系统电路8 3.2 a/d转换芯片与单片机接口电路设计 9 3.3 显示电路与单片机接口电路设计10 3.4键盘电路与单片机接口电路设计10 3.5报警电路设计114、设计总结135、结论心得146、参考文献15iii基于单片机控制的电子天平设计摘要：本文设计的电子天平是以单片机为主要部件，用汇编语言进行软件设计。通过传感器测量信号，用信号放大系统放大信号，经过a/d转换系统转换信号输送给cpu控制系统，通过lcd显示系统显示数据，键盘输入系统用来输入操作指令，阀值报警系统可以防止超量程损坏电子天平。基本上实现了电子天平的基本功能。具备使用方便，直观，测量准确，成本低等特点。在本设计中将智能化，人性化，自动化用在了电子天平的控制系统中。系统采用at89s52芯片作为单片机的主控芯片，外围以称重电路，显示电路，报警电路，键盘电路等构成系统电路板，从而实现了自动称重的各种控制功能。关键词 ： at89s52 传感器 a/d转换器 lcd显示器0绪 论1.1 电子秤的组成以及工作原理电子称是利用物体的重力作用来确定物体质量的测量仪器，也可用来确定与物体质量相关的其他量的大小，参数，或特性。电子称一般由以下三部分组成。承重、传力复位系统，称重传感器，测量显示和数据输出的的载荷测量装置。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 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。另外由于实际应用当中，称可以有一定量的过载，但不能超出要求的范围，为此我们还设计了过载提示和声光报警功能。综上所述,本课题的主要设计思路是：仪表通电后，在秤重过程中由货物重量经荷重传感器的信号转换，输出相应的毫伏电压，这个微弱信号通过运算放大器放大和标度变换转送a/d转换器。本系统的a/d转换器采用了v/f型积分转换器，它将输入的模拟信号转换成相应的以脉冲序列方式的频率输出。单片机at89s52严格控制每一次采样时间，保持每一次计数的闸门时间间隔的一致性。单片机通过应用程序,把当次的采样频率f进行标度转换形成显示器可使用的串行代码数据。在测量荷重期间，系统可随时接受人机对话请求。人机对话仅通过键盘接受校正值。这种高精度智能电子秤体积小、计量准确、携带方便,集质量称量功能与价格计算功能于一体,能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。按键输入at89s52单片机压力传感器放大电路a/d转换器lcd显示器阀值报警设计思路框图1.1第二章 系统方案论证与选型2.1 cpu的选择方案 本设计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，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8k8rom、2568ram、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。2.2传感器的选择 在本设计中，传感器是个十分重要的元件，因此对传感器的选择也显得十分重要。不仅要注意其量程和参数，还要考虑与其相配置的各种电路的设计的难易程度和设计性价比等等。电阻应变式传感器计量准确度达1/10001/10000，结构较简单，可靠性较好，大部分电子衡器均使用此传感器。 综合考虑,本设计采用sp20c-g501电阻应变式传感器,其最大量程为7.5 kg.称重传感器由组合式s型梁结构及金属箔式应变计构成，具有过载保护装置。由于惠斯登电桥具诸如抑制温度变化的影响，抑制干扰，补偿方便等优点，所以该传感器测量精度高、温度特性好、工作稳定等优点，广泛用于各种结构的动、静态测量及各种电子秤的一次仪表。该称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，其工作原理如图2.1所示： 图2.1 传感器工作原理图其工作原理：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，应变片的的敏感栅也随之变形，其阻值发生相应的变化，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2-2给出：（2-2）2.3放大电路的选择方案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，可以利用普通运放做成一个差动放大器。其设计电路如图2.3所示：图2.3 利用普通运放设计的差动放大器电路图2.4 a/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。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-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。本系统采用电压/频率转换器lm331作为a/d转换器。其特点是：体积小，精度高，价格低，串行输出，占用cpu的i/o线少。其最突出的不足之处是转换速度慢。以下是lm331一些主要技术指标：（1） 最大线性度 0.01%，（2）满量程频率范围 1hz100khz 图2.4 lm331的简化功能框图2.5 键盘处理部分方案论证电子秤仪表设有三个键位，分别执行零点校正，斜率校正和任务确定。当开机后发现出现空载条件下读数不为零，就按零点校正键会自动复零。在秤台上放入一个标准砝码，观察仪表读数是否符合砝码重量，如果存在误差，就按斜率校正键会自动调整斜率k值来满足测量范围。任务确定键是切换仪表状态，是处在校正还是秤重。 （1）零点校正：电子秤的长期使用，由于传感器，放大器的零点漂移，使得出厂时调整好的零点发生偏移而导致秤重时引起恒定误差，经过“设置”键校正，实际上把零漂值存储起来，以后每次侧重时采样值调整： xy = xi - 去除零漂误差。 （2）斜率校正：系统除了零点漂移不可避免外，秤重机构的灵敏度，放大器的增益也会受到使用时间的影响而发生变化，斜率校正实际上是满度调整。关系式： k =f / xy 其中，可k为斜率， f 为采样频率，xy荷重。 图2.5 斜率校正2.6显示器部分的选择 显示器是人机交换的主要部分，他可以将测量电路测得的数据经过cpu处理后直观的显示出来。数据显示有两种方案：led数码显示和lcd液晶显示。lcd液晶显示器是一种极低功耗显示器，从电子表到计算器，从袖珍仪表到便携式微型计算机以及一些文字处理机都用到了液晶显示器。考虑到液晶显示器的直观方便，这次设计选择了lcd液晶显示器。2.7超量程报警部分选择智能仪器一般都具有报警和通讯功能，报警主要用于系统运行出错、当测量的数据超过仪表量程或者是超过用户设置的上下限时为提醒用户而设置。在本系统中，设置报警的目的就是在超出电子秤测量范围时，发出声光报警信号，提示用户，防止损坏仪器。超限报警电路是由单片机的i/o口来控制的，当称重物体重量超过系统设计所允许的重量时，通过程序使单片机的i/o值为高电平，从而三极管导通，使蜂鸣器speaker发出报警声，同时使报警灯d1发光。第三章 硬件电路设计在本系统中用于称量的主要器件是称重传感器，称重传感器在受到压力或拉力时会产生电信号，受到不同压力或拉力是产生的电信号也随着变化，而且力与电信号的关系一般为线性关系。由于称重传感器一般的输出范围为020mv，对a/d转换或单片机的工作参数来说不能使a/d转换和单片机正常工作，所以需要对输出的信号进行放大。由于传感器输出的为模拟信号，所以需要对其进行a/d转换为数字信号以便单片机接收。单片机根据称重传感器输出的电信号和速度传感器输出的速度信号计算出物体的重量。在本系统中，硬件电路的构成主要有以下几部分： at89c52的最小系统构成、电源电路、数据采集、人-机交换电路等。 单 片 机复位电路时钟电路按键接口电路a/d转换接口电路lcd显示电路报警电路 图3.1 单片机连接状况3.1at89s52的最小系统电路构成at89s52单片机的最小系统由时钟电路、复位电路、电源电路及单片机构成。单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种操作的时间基准，复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚xtal1和xtal2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。当单片机的复位引脚rst出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果rst持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器pc0000h，这表明程序从0000h地址单元开始执行。系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。3.2a/d转换器与at89s52单片机接口电路设计图3.2 单片机与a/d转换器接线图3.3显示电路与at89s52单片机的接口电路设计本设计采用是lcd显示。在lcd驱动时，需在段电极和公共电极上施加交流电压。若只在电极上施加dc电压时，液晶本身发生劣化。液晶驱动方式包括静态驱动、动态驱动等驱动方式。图3.3 单片机与lcd接线图3.4键盘电路与at89s52的接口电路设计 图3.4 单片机与键盘接口电路3.5报警电路的设计当电路检测到称重的物体超过仪器的测量限制时，将产生一个信号给报警电路。使报警电路报警从而提醒工作人员注意，它是有89s52的p2.6口来控制的，当超过设置的重量时（5kg），通过程序使p2.6口值为高电平，从而使三极管导通，报警电路接通，使蜂鸣器speaker发出报警声，同时使报警灯led发光。由于持续的声音不能够引起人们的关注，所以本系统的报警电路采用间断的声音和频闪的灯光来实现。这一任务的实现主要靠程序来完成。 图3.5 报警电路设计图图3.6 总体接线图 第四章 设计总结 随着集成电路和计算机技术的迅速发展，使电子仪器的整体水平发生巨大变化，传统的仪器逐步的被智能仪器所取代。智能仪器的核心部件是单片机，因其极高的性价比得到广泛的应用与发展，从而加快了智能仪器的发展。而传感器作为测控系统中对象信息的入口，越来越受到人们的关注。传感器好比人体“五官”的工程模拟物，它是一种能将特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置本次设计中的半桥电子秤就是在以上仪器的基础上设计而成的。因此，只有充分了解有关智能仪器、单片机、传感器以及各部分之间的关系才能达到要求。首先是传感器的精密度，它将直接影响电子秤的称重准确度。课设时由于传感器发出的信号不是很稳定，所以称重时误差很大。如果使用精密度较高的传感器，效果会好的多。其次是数据采集处理阶段，此阶段是对传感器发出的信号进行量化、采集，主要分为信号放大、采集，然后进行a/d转换。该阶段需注意的地方是对传感器输出的信号进行放大时，应选取合适的运算放大电路。最好是预先计算好应放大的倍数，以便选取。还有就是进行数据处理时，选取适当的数据转换系数，使输出满足量程要求。第5章 结论心得在这次课程设计中，通过这几天的资料搜集，图表绘制，仿真模拟等过程，我和我的课设伙伴一起参加了整个过程，通过实践对我们所学的理论知识有了更多的了解，对测控电路更加产生了浓厚的兴趣。在电子天平的设计制作中，看似很简单的电路要动手把它设