基于51單片機(jī)的稱重儀設(shè)計(jì)

1、 稱重儀的設(shè)計(jì)物理與機(jī)電工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)電子信息工程200402108饒憲指導(dǎo)老師：任志山老師摘要本系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89C51為控制核心，實(shí)現(xiàn)電子秤的基本控制功能。系統(tǒng)的硬件部分包括最小系統(tǒng)板，數(shù)據(jù)采集兩大部分。最小系統(tǒng)部分主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示及鍵盤(pán)控制，數(shù)據(jù)采集部分由稱重彳義模擬器、信號(hào)的前級(jí)處理（采用儀表放大器INA121）和雙積分A/D轉(zhuǎn)換部分組成。由于稱重儀設(shè)計(jì)中電路的精度及抗工頻干擾能力要求較高，故選用精度較高的儀表放大器INA121和抗工頻干擾能力較強(qiáng)的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器MC14433。關(guān)鍵詞單片機(jī)最小系統(tǒng)；微弱信號(hào)；雙積分AD轉(zhuǎn)換；儀表放大引言稱重儀是電子衡器的一種，電子衡器是自動(dòng)

2、化稱重控制和貿(mào)易計(jì)量的重要手段,對(duì)加強(qiáng)企業(yè)管理、嚴(yán)格生產(chǎn)、貿(mào)易結(jié)算、交通運(yùn)輸、港口計(jì)量和科學(xué)研究都起到了重要作用。電子衡器具有反應(yīng)速度快、測(cè)量范圍廣、應(yīng)用面廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用操作方便、信號(hào)遠(yuǎn)傳便于計(jì)算機(jī)控制等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于煤炭、石油、化工、電力、輕工、冶金、礦山、交通運(yùn)輸、港口建筑機(jī)械制造和國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和環(huán)境中干擾源是各種各樣的，如噪音干擾、工頻干擾等，抗工頻干擾能力成為衡量電子衡器性能的重要指標(biāo)。為了具備這一性能，市場(chǎng)上的電子衡器的電路普遍較復(fù)雜，相對(duì)地，成本也較高。而本產(chǎn)品電路簡(jiǎn)單，成本低，抗工頻干擾強(qiáng)，具有很好的推廣價(jià)值。設(shè)計(jì)要求與系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案1.1設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)述此次的設(shè)

3、計(jì)要求如下：設(shè)計(jì)一稱重儀，對(duì)模擬器輸出的微弱信號(hào)(012mV)進(jìn)行前級(jí)放大處理,再以較小的失真、誤差來(lái)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并要求具備較強(qiáng)的抗工頻干擾能力。最后利用單片機(jī)AT89C51對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，控制數(shù)碼管顯示等。要求浮動(dòng)誤差在02.00%之內(nèi)，顯示值與輸入信號(hào)值比值在1.551.75之內(nèi)。1.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)輸入信號(hào)送入前級(jí)放大器放大，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成BCD碼，然后把BCD碼送入單片機(jī)AT89C51中進(jìn)行處理，最后把數(shù)據(jù)送出數(shù)碼管顯示。圖1-1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2、各電路模塊設(shè)計(jì)方案的選擇電源模塊放大模塊與A/D轉(zhuǎn)換模塊需要正負(fù)電源，且要求電源具有穩(wěn)定性。方案一：采用MC7812（正壓）M

4、C7912MC（負(fù)壓）構(gòu)成的的12V穩(wěn)壓電源。但其不可調(diào)，不能滿足所需要的正負(fù)5V電源的要求。方案二：采用自制電源，可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器是輸出電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓器，有輸出正電壓的CW317系列（LM317）三端穩(wěn)壓器；有輸出負(fù)電壓的CW337系列（LM337）三端穩(wěn)壓器。自制電源輸出電壓的可調(diào)范圍為Uo=-1212V，滿足要求。放大模塊由于壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)為毫伏級(jí)，所以對(duì)運(yùn)算放大器精度的要求很高。方案一：高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成差動(dòng)放大器。差動(dòng)放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，圖2-1OP07構(gòu)成的差動(dòng)放大器電阻R1、R2電容C1、C2、C3、C4用于濾除前級(jí)的噪聲，C1、C2

5、為普通小電容，可以濾除高頻干擾，C3、C4為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。但其電路復(fù)雜，需要的元器件多，成本較高。方案二：選用儀表放大器INA121芯片。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示：圖2-2INA121內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖INA121是TexesInstrumentsBB公司生產(chǎn)的FET輸入、低功耗儀器放大電路，性能優(yōu)越。前置放大電路的放大倍數(shù)設(shè)置為50。較小的前置放大倍數(shù)可以避免極化電壓的影響。電壓放大電路的放大倍數(shù)設(shè)置的較高（取為100200倍），則可以保證總的放大倍數(shù)。采用儀表放大器INA121構(gòu)成的電路簡(jiǎn)單，元器件少，成本較低。2.3A/D轉(zhuǎn)換模塊方案一：采用8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809

6、。ADC0809是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換期，雙列直插式，最快的轉(zhuǎn)換速度為100us，其引腳圖如圖2-3所示。叫128一1%IN4-227INj326-IN.叫f425ADDA叫一524ADDBSTART623ADDCEOC一7ADC22ALE珂一8080921鉀(MSB)QE920一牡CLK10192J111824REF(+)1217(lsbGND1316REF(-)2門(mén)一1415計(jì)圖2-3ADC0809引腳圖它由8路模擬開(kāi)關(guān)，8位A/D轉(zhuǎn)換器，三態(tài)輸出鎖存器以及地址鎖存器譯碼器等組成。但其抗工頻干擾能力較弱。方案二：采用雙積分A/D轉(zhuǎn)換器。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器具有很強(qiáng)的抗工頻干擾能力。對(duì)正負(fù)對(duì)

7、稱的工頻干擾信號(hào)積分為零，所以對(duì)50HZ的工頻干擾抑制能力較強(qiáng)，對(duì)高于工頻干擾(例如噪聲電壓)已有良好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零，對(duì)輸出就不產(chǎn)生影響。尤其對(duì)本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號(hào)，很容易受到工頻信號(hào)的影響。故而采用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器可大大降低對(duì)濾波電路的要求。作為電子秤，系統(tǒng)對(duì)AD的轉(zhuǎn)換速度要求并不高，精度上11位的AD足以滿足要求。另外雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器較強(qiáng)的抗干擾能力，和精確的差分輸入，低廉的價(jià)格。綜合的分析其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，我最終選擇了MC14433。控制模塊方案一：采用cpld(復(fù)雜可編程邏輯電路)或fpga(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)列陣)作為系統(tǒng)的控制器。cpld具有豐富的可編程I

8、/O引腳，、使用方便靈活，不但可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的邏輯器件功能，還可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的時(shí)序邏輯功能，適合完成各種算法和組合邏輯，但是功耗要比較大,且集成度越高越明顯。FpGA可作為實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，特別用于大電流、大電壓場(chǎng)合的控制，規(guī)模大，密度高，它將所有的器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可用eda軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展0fpga采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。但由于設(shè)計(jì)的是擺錘運(yùn)動(dòng)控制，F(xiàn)pGA的高速處理功能不能得到充分的體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時(shí)芯片的引腳多使實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)的實(shí)際焊

9、接的工作，降低了pcB板的靈活性。方案二：采用普通單片機(jī)控制，如8位的51單片機(jī)AT89C51oAT89C51是一個(gè)低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kbytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C51提供了高性價(jià)比的解決AT89C51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工

10、串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。顯示模塊顯示模塊主要用于重量的顯示。方案一：采用字符型液晶模塊JM1602C，JM1602C能顯示基本的ASCII碼字符，采用CMOS工藝低功耗,內(nèi)置KS0066驅(qū)動(dòng)器，數(shù)據(jù)可直接傳送，用并行輸入輸出形式，數(shù)據(jù)傳送快，低延遲顯示體現(xiàn)多樣性，但是JM1602C的引腳電平為+5V，RAM的引腳電平為+3.3V，這樣就要解決電壓不匹配問(wèn)題，靈活性降低。方案二：采用七段LED數(shù)碼管顯示，LED能顯示數(shù)字和一些基本的字母，簡(jiǎn)單易用，把

11、它和74LS164(串入并出移位寄存器)相使用，大大減少了控制器的I/O口。各個(gè)模塊的最終方案經(jīng)過(guò)仔細(xì)的分析和比較、實(shí)際模擬和理論論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下：電源模塊：采用自制可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓電源；放大模塊：采用儀表放大器INA121；A/D轉(zhuǎn)換模塊：采用雙積分A/D轉(zhuǎn)換器MC14433；控制模塊：采用單片機(jī)AT89C51；顯示模塊：采用七段LED數(shù)碼管；系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)3.1前級(jí)放大模塊儀表放大器INA121構(gòu)成的放大器及濾波電路如圖3-1所示:通過(guò)調(diào)節(jié)R3的阻值來(lái)改變放大倍數(shù)。微弱信號(hào)V和V+被分別放大后從INA121的第6腳輸出。雙積分A/D轉(zhuǎn)換器MC14433的輸入電壓變

12、化范圍是-2V+2V,稱重儀模擬器的輸出電壓信號(hào)在012mv左右，因此放大器的放大倍數(shù)在100200左右，可將R3接成1K的滑動(dòng)變阻器，從而改變其放大倍數(shù)。由于輸入信號(hào)為直流電壓，在INA121的輸入管腳之前需接入濾波電路（圖中的R1，R2，C1，C2，C3，C4電路）。A/D轉(zhuǎn)換模塊MC14433是美國(guó)Motorola公司推出的單片31/2位A/D轉(zhuǎn)換器，其中集成了雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器所有的CMOS模擬電路和數(shù)字電路。具有外接元件少，輸入阻抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只要外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換器，其主要功能特性如下：精

13、度：讀數(shù)的0.05%1字模擬電壓輸入量程：1.999V和199.9mV兩檔轉(zhuǎn)換速率：2-25次/s輸入阻抗：大于1000MQ電源電壓：4.8V8V功耗：8mW（5V電源電壓時(shí)，典型值）采用字位動(dòng)態(tài)掃描BCD碼輸出方式，即千、百、十、個(gè)位BCD碼分時(shí)在Q0Q3輪流輸出，同時(shí)在DS1DS4端輸出同步字位選通脈沖，很方便實(shí)現(xiàn)LED的動(dòng)態(tài)顯示。MC14433的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-2所示:圖3-2MC14433內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖模擬電路部分有基準(zhǔn)電壓，模擬電壓輸入。模擬輸入電壓量程為199.9MV或1.9999V兩種，對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)電壓為+200MV和+2V。數(shù)字電路部分由邏輯控制BDC碼，輸出鎖存器，多路開(kāi)關(guān)，時(shí)鐘

14、，極性判別，溢出檢測(cè)等電路組成。才用字位動(dòng)態(tài)掃描BCD碼輸出方式，即千，百，十，個(gè)位BCD碼輪流在Q0Q3端輸出。同時(shí)，在DS1DS4出現(xiàn)同步字位選通信號(hào)。由于MC14433的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是動(dòng)態(tài)分時(shí)輸出的BCD碼，所以，Q0Q3和DS1DS4可以通過(guò)8051單片機(jī)的并行口P1或通過(guò)擴(kuò)展I/O電路與其相連。MC14433與8051單片機(jī)的P2口相連的電路如圖3-3所示；+5VR114O.liiF5tt5689101617181920+5irC3卜0.U211Fi|Gi-IDMC14433O.liiF123斗5678MC1403圖3-3MC14433與單片機(jī)連接圖該電路采用查詢方式管理MC144

15、33的操作。由于引腳EOC與DU連接在一起，所以MC14433能自動(dòng)轉(zhuǎn)換。3.3控制模塊及顯示模塊本系統(tǒng)的控制模塊與顯示模塊相對(duì)較簡(jiǎn)單，故采用單片機(jī)最小系統(tǒng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)，是指在盡可能少的外部電路的條件下，形成一個(gè)可以獨(dú)立工作的單片機(jī)系統(tǒng)。圖3-4是單片機(jī)最小系統(tǒng)的原理圖。實(shí)現(xiàn)以下功能：處理重量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)重量的顯示，控制數(shù)碼管的顯示。1234圖3-4最小系統(tǒng)原理圖3.4系統(tǒng)硬件總電路系統(tǒng)硬件總電路圖見(jiàn)圖3-5所示225FUTHKD4Z32024ZQz91offll71151731hQuoMUL98765yj+1-DuOEHh5AKQuoAKQuoQuoQuoQuoRM417Q6Q盯5QKLC

16、4Q53QU2Q1-1Q1B-0Q|L|A丨RMKLC7Q6Q5Q4Q3Q2QIQB-3-2-65-43113IT-4310Hofedcbeofedcba417 圖3-5系統(tǒng)硬件總電路圖4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)4.1查詢子程序流程圖查詢子程序流程圖見(jiàn)圖4-1：4.2系統(tǒng)總流程圖系統(tǒng)總流程圖見(jiàn)圖4-2：圖4-2系統(tǒng)總流程圖5.系統(tǒng)測(cè)試為了確定系統(tǒng)是否達(dá)到要求，并測(cè)試系統(tǒng)的基本參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的顯示及放大倍數(shù)進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)試。5.1測(cè)試儀器序號(hào)儀器名稱儀器型號(hào)用途備注1穩(wěn)壓電源供電自制251/2數(shù)位臺(tái)式自動(dòng)量程真有效值數(shù)字萬(wàn)用表UT805測(cè)電壓電流電阻優(yōu)利德科技(東莞)有限公司3模擬信號(hào)發(fā)生器輸出(0-

17、12mV)微弱信號(hào)指標(biāo)測(cè)試放大模塊的參數(shù)測(cè)試:放大前輸入電壓V1=11.401mV放大后輸出電壓V2=1.50311.5206V放大倍數(shù)A=1.5V/11.4mV=131倍最大誤差:(1.5206-1.5031)/1.5031=1.16%由于系統(tǒng)濾波電路中的電容精度不高，還存在少許高頻干擾,所以放大后輸出的電壓會(huì)浮動(dòng)，但總體上達(dá)到了要求.顯示與輸出的參數(shù)測(cè)試見(jiàn)表5-1.表5-1:測(cè)試次數(shù)第一次第二次第三次第四次第五次MiniMax1Min2Max2Min3Max3Min4Max4Min5Max5數(shù)碼管顯示值(噸)4.935.0314.3914.6615.6815.8517.5417.8418.

18、4118.62模擬器輸出值(mv)3.1063.1178.4698.6059.1669.21410.45610.60210.96211.052線性比例K二噸/mv1.5871.6131.6991.7301.7301.7201.6771.6821.6791.684顯示浮動(dòng)最大誤差(max-min)/min2.02%1.87%1.08%1.70%1.14%分析系統(tǒng)能準(zhǔn)確地顯示重量,浮動(dòng)誤差在02.00%之內(nèi)，顯示值與輸入信號(hào)值比值在1.551.75之內(nèi)?；具_(dá)到了設(shè)計(jì)要求。通過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)浮動(dòng)誤差的根本原因是儀表放大模塊的濾波電路中電容的精度不高。由于實(shí)驗(yàn)室不能提供較高精度的電容，所以本系統(tǒng)的精

19、度只限于目前的程度。改進(jìn)方案：把放大模塊中濾波電路中的電容換為高精度的電容，就可提高系統(tǒng)的精度及減少浮動(dòng)誤差。結(jié)束語(yǔ)此次系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C51為控制部件，稱重儀模擬信號(hào)為輸入信號(hào)，通過(guò)前級(jí)放大器,雙積分A/D轉(zhuǎn)換器,把轉(zhuǎn)換后的BCD碼送入AT89C51中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最后在數(shù)碼管上顯示.系統(tǒng)的精度基本達(dá)到了要求。由于實(shí)驗(yàn)室提供的電容精度不夠高，導(dǎo)致系統(tǒng)具有一定的浮動(dòng)誤差，若把放大模塊中的電容換成高精度的電容，系統(tǒng)的精度也必然會(huì)提高。致謝語(yǔ)在設(shè)計(jì)期間，遇到了種種困難，但是在任老師的精心指導(dǎo)下，各種問(wèn)題都得到了很好的解決，同時(shí)還有同學(xué)們的熱心幫助，在此我表示誠(chéng)摯的謝意。參考文獻(xiàn)趙總社.關(guān)于電子

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22、0h;千位放入R1anla,#10hmov40h,#04hzhyi1:rradjnz40h,zhyi1movr1,amova,20h;百位放入R2anla,#0fhmovr2,amova,21h;十位放入R3anla,#0f0hmov40h,#04hzhyi2:rradjnz40h,zhyi2movr3,amova,21h;個(gè)位放入R4anla,#0fhmovr4,alcallzdgshlcallYANSHIlcallYANSHIsjmpmain*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*

23、x*x*x*x*x*x*;最高位為0時(shí)不顯示*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*x*zdgsh:cjner1,#00h,dsplay;最高位為0,不顯示movr1,#0ah;數(shù)碼管暗cjner2,#00h,dsplaymovr2,#0ahcjner3,#00h,dsplaymovr3,#0ahcjner4,#00h,dsplaymovr4,#0ah*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*;顯示子程序*X*X*X*X*X*X*X*

24、X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*dsplay:MOVMOVLED:MOVMOVMOVCSETBcjneaddTART:RLCMOVCLRSETBDJNZDECCJNERETDPTR,#TabR0,#04HR6,#08HA,R0A,A+DPTRP1.1r0,#02h,TARTa,#80hAP1.0,CP1.1P1.1R6,TARTR0R0,#00H,LED;找表首;讀數(shù)據(jù);P1.1時(shí)鐘信號(hào);P1.0數(shù)據(jù)信號(hào)*X*X*X*X*X*X*X*X*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i

25、*i*i*;延時(shí)子程序*X*X*X*X*X*X*X*X*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*YANSHI:MOVR0,#00HLOOP15:MOVR1,#00HLOOP16:NOPDJNZR1,LOOP16DJNZR0,LOOP15RET*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*;查詢子程序*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*serve:mov

26、a,p2JNBACC.4,serve;等待DS1=1.千位選通信號(hào)JBACC.2,PP1SETB07HAJMPPP2PP1:CLR07HPP2:JBACC.3,PP3SETB04HAJMPPP4PP3:CLR04HPP4:JNBACC.5,PP4;等待百位BCD碼選通信號(hào)DS2MOVR0,#20HXCHDA,R0;百位數(shù)送入20H低4位PP5:MOVA,P2JNBACC.6,PP5SWAPAINCR0MOVR0,APP6:MOVA,P2JNBACC.7,PP6XCHDA,R0;等待十位選通信號(hào)DS3;高低4位互換;指向21H單元;十位數(shù)送入21H高4位;等待個(gè)位選通信號(hào)DS4;個(gè)位數(shù)送入21H低4位RET*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*;本表為顯示數(shù)據(jù)表*X*X*X*X*X*X*X*X*X*X*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*i*Tab:DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,00h;0，1，2，3，4，5，6，7,8，9end # weighingmetersdesignPhysicsandMachineelectricalEngineeringColl