課程設(shè)計(jì)（論文）基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度電子秤的設(shè)計(jì)

1、電子稱課程設(shè)計(jì)1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)1.1.1 電子秤的工作原理當(dāng)被稱物體放置在秤體的秤臺(tái)上時(shí)，其重量便通過秤體傳遞到稱重傳感器，傳感器隨之產(chǎn)生力電效應(yīng)，將物體的重量轉(zhuǎn)換成與被稱物體重量成一定函數(shù)關(guān)系(一般成正比關(guān)系)的電信號(hào)(電壓或電流等)。通常此電壓信號(hào)很小，需要通過前端信號(hào)處理電路進(jìn)行準(zhǔn)確的線性放大，放大后的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過濾波電路和a/d轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)被送入到主控電路的單片機(jī)中，單片機(jī)不斷掃描鍵盤和各種功能開關(guān)，根據(jù)鍵盤輸入內(nèi)容和各種功能開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行必要的判斷、分析、由儀表的軟件來控制各種運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果送到內(nèi)存貯器，需要顯示時(shí)，單片機(jī)發(fā)出指令，從內(nèi)存貯器中讀出送到顯示器顯示。1

2、.2 總體方案設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)的基本要求，可以確定系統(tǒng)共分為五大模塊，數(shù)據(jù)采集模塊、最小系統(tǒng)模塊、超重報(bào)警模塊、鍵盤和顯示模塊。其中，數(shù)據(jù)采集模塊包括稱重傳感器和a/d轉(zhuǎn)換電路；最小系統(tǒng)模塊由at89s51單片機(jī)及其外圍電路組成；鍵盤由44位矩陣鍵盤組成，可以控制顯示商品種類和價(jià)錢等信息；顯示部分采用lm4229液晶顯示，顯示當(dāng)前商品的名稱、單價(jià)、重量及總價(jià)等信息。軟件部分由c語言編程，實(shí)現(xiàn)對各部分的控制。該電子秤可以實(shí)現(xiàn)顯示商品的名稱、單價(jià)、重量、總價(jià)等功能。其稱重范圍為010kg，分度值為0.005g。在擴(kuò)展功能上，本設(shè)計(jì)增加了一個(gè)超重報(bào)警提示。其總體設(shè)計(jì)的框圖如圖2-1所示：圖1-1 總體設(shè)

3、計(jì)方框圖系統(tǒng)工作原理：把所稱物體放到秤臺(tái)上，物體的重力通過秤體傳給稱重傳感器，傳感器受到壓力使電阻發(fā)生變化引起電壓變化，再將電壓值送到a/d轉(zhuǎn)換電路，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送至單片機(jī)進(jìn)行處理，并顯示結(jié)果。單片機(jī)最小系統(tǒng)由at89s51和外圍的時(shí)鐘電路及復(fù)位電路組成。顯示電路設(shè)計(jì)采用lm4229液晶顯示，對各部分的控制由采用c語言編程的軟件來實(shí)現(xiàn)。1電阻應(yīng)變式稱重傳感器按照稱重傳感器選擇的指標(biāo)要求，以及對各種傳感器的比較，本設(shè)計(jì)選定電阻應(yīng)變片式傳感器，下面對此類傳感器做詳細(xì)介紹。電阻應(yīng)變式稱重傳感器是把電阻應(yīng)變計(jì)粘貼在彈性敏感元件上，彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變

4、形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過程。電阻應(yīng)變式稱重傳感器包括兩個(gè)主要部分，一個(gè)是彈性敏感元件：利用它將被測的重量轉(zhuǎn)換為彈性體的應(yīng)變值；另一個(gè)是電阻應(yīng)變計(jì)：它作為傳感元件將彈性體的應(yīng)變，同步地轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。電阻應(yīng)變片所感受的機(jī)械應(yīng)變量一般為10-610-2，隨之而產(chǎn)生的電阻變化率也大約在10-610-2數(shù)量級(jí)之間。這樣小的電阻變化用一般測量電阻的儀表很難測出，必須采用一定形式的測量電路將微小的電阻變化率轉(zhuǎn)變成電壓或電流的變

5、化，才能用二次儀表顯示出來。在電阻應(yīng)變式稱重傳感器中通過橋式電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。當(dāng)傳感器不受載荷時(shí)，彈性敏感元件不產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在其上的應(yīng)變片不發(fā)生變形，阻值不變，電橋平衡，輸出電壓為零；當(dāng)傳感器受力時(shí)，即彈性敏感元件受載荷p時(shí)，應(yīng)變片就會(huì)發(fā)生變形，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，有輸出電壓。圖2-2為電阻應(yīng)變式稱重傳感器橋式測量電路。圖2-2 電阻應(yīng)變式稱重傳感器橋式測量電路r1、r2、r3、r4為4個(gè)應(yīng)變片電阻，組成了橋式測量電路，rm為溫度補(bǔ)償電阻，e為激勵(lì)電壓，v為輸出電壓。若不考慮rm，在應(yīng)變片電阻變化以前，電橋的輸出電壓為：（1-1）由于橋臂的起始電阻全等，即r1=r2=r

6、3=r4=r，所以v=0。當(dāng)應(yīng)變片的電阻r1、r2、r3、r4變成r+r1、r+r2、r+r3、r+r4時(shí)，電橋的輸出電壓變?yōu)椋海?-2）通過化簡，上式則變?yōu)椋海?-3）也就是說，電橋輸出電壓的變化與各橋臂電阻變化率的代數(shù)和成正比。如果四個(gè)橋臂應(yīng)變片的靈敏系數(shù)相同，且=k，則上式又可寫成：（1-4）式中k為應(yīng)變片靈敏系數(shù)，為應(yīng)變量。式2-5表明，電橋的輸出電壓和四個(gè)轎臂的應(yīng)變片所感受的應(yīng)變量的代數(shù)和成正比。在電阻應(yīng)變式稱重傳感器中，4個(gè)應(yīng)變片分別貼在彈性梁的4個(gè)敏感部位，傳感器受力作用后發(fā)生變形。在力的作用下，r1、r3被拉伸，阻值增大，r1、r3正值，r2、r4被壓縮，阻值減小，r2、r4為

7、負(fù)值。再加之應(yīng)變片阻值變化的絕對值相同，即（1-5）（1-6）因此（1-7）若考慮rm，則電橋的輸出電壓變成：（1-8）令，則（1-9）su稱為傳感器系數(shù)或傳感器輸出靈敏度。對于一個(gè)高精度的應(yīng)變傳感器來說，僅僅靠4個(gè)應(yīng)變片組成橋式測量電路還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。由于彈性梁材料金相組織的不均勻性及熱處理工藝、應(yīng)變片性能及粘貼工藝、溫度變化等因素的影響，傳感器勢必產(chǎn)生一定的誤差。為了減少傳感器隨溫度變化產(chǎn)生的誤差，提高其精度和穩(wěn)定性，需要在橋路兩端和橋臂中串入一些補(bǔ)償元件。如：初始不平衡值的補(bǔ)償、零載輸出溫度補(bǔ)償、輸出靈敏度溫度補(bǔ)償?shù)取? 硬件設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖圖2-1為系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)方框圖，系

8、統(tǒng)共分為三大部分：數(shù)據(jù)采集模塊、單片機(jī)控制模塊以及鍵盤和顯示模塊。各模塊所采用的主要芯片型號(hào)已于圖中有所標(biāo)示。圖2-1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)方框圖2.2 單片機(jī)主控單元的設(shè)計(jì)2.2.1 at89s51最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng),或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。對51系列單片機(jī)來說,最小系統(tǒng)包括:單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。其中復(fù)位電路采用上電復(fù)位。其最小系統(tǒng)電路圖見圖2-2所示：對于at89s51單片機(jī)，其最小系統(tǒng)只需要電源、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路就能工作。由于我們的程序存儲(chǔ)器（rom）采用內(nèi)部flash存儲(chǔ)單元，所以單片機(jī)上的ea接高。微處理器系統(tǒng)在開始工作時(shí)必須對

9、微處理器內(nèi)部的寄存器等進(jìn)行復(fù)位，使各個(gè)寄存器的值設(shè)為預(yù)定狀態(tài)才能順利開始工作。復(fù)位電路的好壞決定著單片機(jī)能否正常工作。復(fù)位電路基本功能是在系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。復(fù)位電路可以使用專用復(fù)位芯片，也可以用電阻電容搭建。本文從可靠性和成本考慮最終選用電阻電容來搭建復(fù)位電路。對于51內(nèi)核的單片機(jī)，rst是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。當(dāng)此輸入端保持兩個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)時(shí)鐘振蕩周期)的高電平時(shí)，可以完成復(fù)位操作。圖2-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖2.2.2 a/d轉(zhuǎn)換單元設(shè)計(jì)根據(jù)對各種a/d轉(zhuǎn)換器的介紹與分析，本設(shè)計(jì)選定adc0832作為本設(shè)計(jì)的a/d轉(zhuǎn)換模塊。下面對該芯片的情況

10、進(jìn)行簡要的介紹。adc0832是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8位分辨率、雙通道a/d轉(zhuǎn)換芯片。具有體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高的特點(diǎn)，具體參數(shù)如下： 8位分辨率； 雙通道a/d轉(zhuǎn)換； 輸入輸出電平與ttl/cmos相兼容； 5v電源供電時(shí)輸入電壓在05v之間； 工作頻率為250khz，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32us； 一般功耗僅為15mw； 8p、14p-dip（雙列直插）、picc多種封裝； 商用級(jí)芯片溫寬為070，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為-4085；2、adc0832的接口電路正常情況下，adc0832與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是cs、clk、do、di，但由于do端與di端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片

11、機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將do與di并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。單片機(jī)與adc0832的接口電路如圖2-3所示。圖2-3單片機(jī)與adc0832連接圖當(dāng)adc0832未工作時(shí)其cs輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，clk和do/di的電平可以任意，當(dāng)要進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將cs使能端置于低電平并保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端clk輸入時(shí)鐘脈沖，do/di端則使用di端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。2.3 鍵盤和顯示電路單元設(shè)計(jì)2.3.1 鍵盤電路設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，采用的是44的矩陣式鍵盤，將單片機(jī)的p1.0-p1.3作為鍵盤的行線接口，p1.4

12、-p1.7作為列線接口，列線通過電阻接+5v。商品的單價(jià)已由程序設(shè)定好，并可由鍵盤選擇各種商品的價(jià)格。2.3.2 顯示電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中顯示部分采用了當(dāng)今常用的lm4229液晶顯示模塊。其與單片機(jī)的接線如圖3-6所示，為完善其功能，電路中添加了上拉電阻。圖2-4 液晶顯示模塊lm4229與單片機(jī)接線圖2.4 系統(tǒng)總體原理圖在系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)完成后，把各模塊根據(jù)其功能和信號(hào)處理的流程連接起來，便得到系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的原理圖，如圖3-7所示，為簡潔起見，其中的接線部分采用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)連接。圖2-5 系統(tǒng)總體原理圖2.5 硬件抗干擾設(shè)計(jì)電子秤在使用中，常常會(huì)出現(xiàn)各種各樣的異?，F(xiàn)象，電子秤本身的質(zhì)量問題是一個(gè)方

13、面，但更重要的方面是外界干擾和接地引起的異常。本電子稱重器的核心部件是單片機(jī)，所以我們的抗干擾措施主要是針對單片機(jī)。還用到稱重傳感器，所采用的應(yīng)變式傳感器是高阻抗器件，其絕緣性能、機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等，直接影響工作特性的穩(wěn)定。因此，應(yīng)變片傳感器的絕緣材料必須有很高的絕緣性能、足夠的機(jī)械強(qiáng)度、高形狀穩(wěn)定性及良好的抗?jié)裥阅?。下面重點(diǎn)介紹單片機(jī)的抗干擾措施。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對單片機(jī)測控系統(tǒng)的各種性能要求越來越高。而系統(tǒng)的可靠性更倍受人們的關(guān)注，這是因?yàn)橄到y(tǒng)的可靠性決定了系統(tǒng)能否達(dá)到所需要的精度。就單片機(jī)測控系統(tǒng)來講，其主要干擾是來自電源和信號(hào)傳輸通道的干擾。1、電源的抗干擾措施普通用電中含

14、有多種高次諧波，它們很容易經(jīng)電源進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，還有一些射頻發(fā)射、電磁波等也會(huì)由電源線感應(yīng)反饋進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)造成干擾。因此，在電源電路中必需采取有效地濾波措施，來抑制這些高頻干擾的侵入。電源濾波的一般方法是在電源變壓器初、次級(jí)分別設(shè)置低通濾波器和線間電容濾波器，使50hz市電基波通過，而抑制掉高頻信號(hào)。此外在變壓器的初、次級(jí)之間均采用屏蔽層隔離，其中初級(jí)屏蔽層接大地，次級(jí)屏蔽層接系統(tǒng)邏輯地，以減少其分布電容，提高抗共模干擾的能力。2、信號(hào)傳輸通道的抗干擾措施信號(hào)傳輸通道包括系統(tǒng)的前向通道和后向通道，其主要干擾有：雜散電磁場通過感應(yīng)和輻射方式進(jìn)入通道的干擾；由于地阻抗耦合、漏電流等因素產(chǎn)生的加性

15、干擾；以及因傳輸線衰減、阻抗失配等因素引起的乘性干擾。對于這三類干擾，可以采用以下幾種措施加以排除。（1）光電隔離技術(shù)光電耦合器對干擾信號(hào)具有良好的隔離性能，一是它的輸入阻抗很小，約為100fl-lldl，而干擾源內(nèi)阻則很大，通常為105q108q，因此能分壓到光電耦合器輸入端的噪聲很小；二是光電耦合器輸入部分的發(fā)光二極管是在電流狀態(tài)下工作的，即使干擾噪聲有較高的電壓幅度，但由于能量小，不能提供足夠的電流使發(fā)光二極管發(fā)光而被抑制掉；三是光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間分布電容極小，絕緣電阻很大，回路一邊的干擾很難通過光電耦合器饋送到另一邊去。因此，采用光電耦合器可將單片機(jī)與前向通道、后向通道

16、及其他部分從電氣上隔離開來，能有效地防止干擾信號(hào)的侵入。（2）接地技術(shù)本系統(tǒng)既有模擬電路又有數(shù)字電路，因此數(shù)字地與模擬地要分開，最后只在一點(diǎn)相連，如果兩者不分，則會(huì)互相干擾。（3）輸入輸出信號(hào)線采用屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線對于靜電干擾和電磁干擾有很好的抑制作用，有條件的話應(yīng)盡量采用。但使用中應(yīng)注意： 線纜敷設(shè)時(shí)不要過分用力或使電纜打結(jié)、避免彎曲超過900、避免過緊地纏繞電纜，以保護(hù)雙絞47線的扭絞狀態(tài)； 做線時(shí)，避免損壞線纜的外皮、不要切壞線纜內(nèi)的導(dǎo)線； 接線時(shí)，雙絞線的開絞長度盡量小，不要超過20mm； 雙絞線的屏蔽層采用設(shè)備端單端接地方式。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)程序使用模塊化的程序設(shè)計(jì)思想，主

17、程序通過調(diào)用子程序以實(shí)現(xiàn)各部分功能。先進(jìn)行軟件的總體設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行各功能模塊設(shè)計(jì)。3.1 主程序設(shè)計(jì)電子秤需要有數(shù)據(jù)采集、處理、存結(jié)果、送顯示的運(yùn)行過程。根據(jù)這一要求，電子秤的信息采集與處理分三個(gè)階段：在微處理器的控制下，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)通過輸入電路送入a/d轉(zhuǎn)換器處理，存入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中；微處理器對采集的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理，把數(shù)據(jù)信號(hào)處理為顯示所要求的信號(hào)格式，通過輸出接口電路輸出并顯示。主流程圖見圖3-1所示：圖3-1 主程序流程圖3.2 lm4229液晶顯示驅(qū)動(dòng)程序圖3-2 lm4229液晶顯示驅(qū)動(dòng)程序流程圖lm4229液晶能夠顯示比較復(fù)雜的漢字和圖形，首先必須對其寫入控制

18、操作字，包括圖形的顯示方式，字體的模式。然后寫入初始行地址，指針自動(dòng)左移，直到寫完全部數(shù)據(jù)為止。write_data(place&0xff); /寫入地址高位write_data(place/256); /寫入地址低位write_com(0x24); /地址設(shè)置write_com(0xb0); /設(shè)置數(shù)據(jù)自動(dòng)寫write_data(asc_msk(c1-0x20)*16+k); /*-例如：0的ascii碼為0x30,在asc_msk中的位置為0x10*16 -16字節(jié)字碼依次寫入lcd-*/write_com(0xb2); /自動(dòng)復(fù)位place=place+30;3.3 adc0832采樣程

19、序 圖3-3 adc0823采樣程序流程圖 圖3-4 鍵盤程序流程圖 單片機(jī)通過拉低cs、拉高clk來啟動(dòng)adc0832進(jìn)行外部壓力傳感轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，每產(chǎn)生8個(gè)clk脈沖，data獲得一位完整的8bit數(shù)據(jù)，此時(shí)mcu發(fā)送中斷請求，拉高cs，拉低clk,并將數(shù)據(jù)dat返回。3.4 鍵盤程序本設(shè)計(jì)中采用了44矩陣式鍵盤，單片機(jī)定時(shí)進(jìn)行查詢。首先單片機(jī)發(fā)送行掃描代碼，然后進(jìn)行列掃描，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一列出現(xiàn)了低電平時(shí)，即返回相應(yīng)的鍵盤值。若沒有發(fā)現(xiàn)則說明當(dāng)前行沒有鍵按下，行掃描右移一位，繼續(xù)執(zhí)行列掃描。4 系統(tǒng)仿真在系統(tǒng)硬件與軟件全部設(shè)計(jì)完成的情況下，將系統(tǒng)在protues7.5環(huán)境下進(jìn)行了軟

20、件仿真，以確保本設(shè)計(jì)方案的可行性與準(zhǔn)確性。因?yàn)樵诜抡鏁r(shí)不能實(shí)際的把物體放到稱重臺(tái)上，所以在仿真時(shí)采用直接輸入模擬電壓信號(hào)的方法，來代替信號(hào)的采集。4.1 歡迎界面的仿真開始仿真時(shí)，先將用c語言編寫的程序用keil軟件進(jìn)行編譯，生成可執(zhí)行程序，然后裝入單片機(jī)中進(jìn)行仿真，按開始按鈕，單片機(jī)及其他各部分電路開始工作，單片機(jī)調(diào)用內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)對各部分接口電路初始化。200ms后lm4229進(jìn)入歡迎界面，如圖5-1所示。圖4-1 電子秤歡迎界面仿真4.2 無重物情況仿真歡迎界面過后，電子秤進(jìn)入稱重界面。此時(shí)，adc0832不斷對外部數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣交給單片機(jī)進(jìn)行處理，一旦有物品放入載物臺(tái)，adc0832立即發(fā)

21、送中斷請求，并將本次采集數(shù)據(jù)交給單片機(jī)進(jìn)行處理。調(diào)節(jié)壓力傳感模擬電路電壓，將電壓設(shè)為0.00表示此時(shí)載物臺(tái)上沒有物體。此時(shí)lm4229顯示指示“實(shí)用電子秤，名稱單價(jià)：0.000元/千克，總重量：0.000千克，總價(jià)：00.000元”。如圖5-2所示。圖4-2 無重物稱重界面仿真4.3 稱量物體仿真上調(diào)壓力傳感電壓，表示已有商品放在載物臺(tái)上，adc0832立即發(fā)送中斷請求，并將本次采集的數(shù)據(jù)交給單片機(jī)進(jìn)行處理，之后送入lm4229顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)量。在此過程中，鍵盤不斷進(jìn)行掃描，一旦有鍵按下，單片機(jī)便對其數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，然后將對lm4229進(jìn)行寫操作。此時(shí)，按下鍵盤，選擇相應(yīng)的商品。如按下3號(hào)鍵，選擇草