基于單片機的兩篇優(yōu)秀畢業(yè)論文正稿

./畢業(yè)設(shè)計〔論文報告題目基于單片機技術(shù)的超聲波測距電子信息院電子信息工程專業(yè)學號xxxxx姓名xx指導教師xx起訖日期xx年xx月xx日超聲波測距儀的設(shè)計ThedesignofaSilentWaveMeasureDistance.摘要隨著科技的發(fā)展,人們生活水平的提高,城市發(fā)展建設(shè)加快,城市給排水系統(tǒng)也有較大發(fā)展,其狀況不斷改善。但是,由于歷史原因合成時間住的許多不可預見因素,城市給排水系統(tǒng),特別是排水系統(tǒng)往往落后于城市建設(shè)。因此,經(jīng)常出現(xiàn)開挖已經(jīng)建設(shè)好的建筑設(shè)施來改造排水系統(tǒng)的現(xiàn)象。城市污水給人們帶來了困擾,因此箱涵的排污疏通對大城市給排水系統(tǒng)污水處理,人們生活舒適顯得非常重要。而設(shè)計研制箱涵排水疏通移動機器人的自動控制系統(tǒng),保證機器人在箱涵中自由排污疏通,是箱涵排污疏通機器人的設(shè)計研制的核心部分?？刂葡到y(tǒng)核心部分就是超聲波測距儀的研制。因此,設(shè)計好的超聲波測距儀就顯得非常重要了。本設(shè)計采用以AT89C51單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計方法。整個電路采用模塊化設(shè)計,由主程序、預置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號經(jīng)單片機綜合分析處理,實現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的總體方案,最后通過硬件和軟件實現(xiàn)了各個功能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。經(jīng)實驗證明,這套系統(tǒng)軟硬件設(shè)計合理、抗干擾能力強、實時性良好,經(jīng)過系統(tǒng)擴展和升級,可以有效地解決汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控。關(guān)鍵詞：AT89c51;超聲波；測距AbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnology,theimprovementofpeople'sstandardofliving,speedingupthedevelopmentandconstructionofthecity.urbandrainagesystemhavegreatlydevelopedtheirsituationisconstantlyimproving.However,duetohistoricalreasonsmanyunpredictablefactorsinthesynthesisofhertime,thecitydrainagesystem.Inparticulardrainagesystemoftenlagsbehindurbanconstruction.Therefore,thereareoftengoodbuildingexcavationhasbeenbuildingfacilitiestoupgradethedrainagesystemphenomenon.Itbroughttothecitysewage,fortisveryimportanttopeople'slives.MobilerobotsdesignedtoclearthedrainageculvertandtheautomaticcontrolsystemFreesewageculvertclearguaranteerobot,therobotisdesignedtocleartheculvertsewagetothecore.ControlSystemisthecorecomponentofthedevelopmentofultrasonicrangefinder.Therefore,itisveryimportanttodesignagoodultrasonicrangefinder.AtthecoreofthedesignusingAT89C51low-cost,highaccuracy,Microfiguresshowthattheultrasonicrangefinderhardwareandsoftwaredesignmethods.Modulardesignofthewholecircuitfromthemainprogram,presubroutinefiredsubroutinereceivesubroutine.displaysubroutinemodulesform.SCMcomprehensiveanalysisoftheprobesignalprocessing,andtheultrasonicrangefinderfunction.Onthebasisoftheoverallsystemdesign,hardwareandsoftwarebytheendofeachmodule.Theresearchhasledtothediscoverythatthesoftwareandhardwaredesigningisjustified,theanti-disturbancecompetenceispowerfulandthereal-timecapabilityissatisfactoryandbyextensionandupgrade,thissystemcanresolvetheproblemofthecaravailably,buildingconstructionthepositionoftheworkplaceandsomeindustriesspotsupervision.Keywords:AT89S52;SilentWave；MeasureDistance目錄摘要···························································IAbstract··························································II緒論···························································1I.1課題設(shè)計的目的及其意義·································1I.2超聲波測距儀的設(shè)計思路·································11課題的方案設(shè)計與論證···········································31.1系統(tǒng)整體方案的設(shè)計·····································31.2系統(tǒng)整體方案的論證·····································32系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計·············································42.1單片機的功能特點及測距原理·····························42.2超聲波發(fā)射電路·········································62.3超聲波檢測接收電路·····································72.4超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計···························73系統(tǒng)軟件的設(shè)計·················································93.1超聲波測距儀的算法設(shè)計·································93.2主程序流程圖···········································103.3超聲波發(fā)生子程序與超聲波接受中斷程序···················113.4系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試·····································12總結(jié)····························································13致謝····························································15參考文獻··························································16附錄一超聲波測距電路原理圖··································18附錄二超聲波測距電路版圖····································19附錄三程序清單··············································20.XX工業(yè)大學華德應用技術(shù)學院本科畢業(yè)設(shè)計〔論文緒論Ⅰ.1課題設(shè)計目的及意義Ⅰ.1.1設(shè)計的目的隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展,超聲波將在測距儀中的應用越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說,人們可以具體利用的測距技術(shù)還十分有限,因此,這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來,超聲波測距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間,它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展,以滿足日益發(fā)展的社會需求,如聲納的發(fā)展趨勢基本為：研制具有更高定位精度的被動測距聲納,以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納,實現(xiàn)超遠程的被動探測和識別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納,特別是解決淺海水中目標識別問題；大力降低潛艇自噪聲,改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無庸置疑,未來的超聲波測距儀將與自動化智能化接軌,與其他的測距儀集成和融合,形成多測距儀。隨著測距儀的技術(shù)進步,測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學習功能,最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀里,面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。Ⅰ.1.2設(shè)計的意義隨著科技的發(fā)展,人們生活水平的提高,城市發(fā)展建設(shè)加快,城市給排水系統(tǒng)也有較大發(fā)展,其狀況不斷改善。但是,由于歷史原因合成時間住的許多不可預見因素,城市給排水系統(tǒng),特別是排水系統(tǒng)往往落后于城市建設(shè)。因此,經(jīng)常出現(xiàn)開挖已經(jīng)建設(shè)好的建筑設(shè)施來改造排水系統(tǒng)的現(xiàn)象。城市污水給人們帶來了困擾,因此箱涵的排污疏通對大城市給排水系統(tǒng)污水處理,人們生活舒適顯得非常重要。而設(shè)計研制箱涵排水疏通移動機器人的自動控制系統(tǒng),保證機器人在箱涵中自由排污疏通,是箱涵排污疏通機器人的設(shè)計研制的核心部分?？刂葡到y(tǒng)核心部分就是超聲波測距儀的研制。因此,設(shè)計好的超聲波測距儀就顯得非常重要了。這就是我設(shè)計超聲波測距儀的意義。Ⅰ.2超聲波測距儀的設(shè)計思路Ⅰ.2.1超聲波測距原理[1,2]發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度υ在空氣中傳播,在到達被測物體時被反射返回,由接收器接收,其往返時間為t,由s=vt/2即可算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波,其聲速v與溫度有關(guān),下表列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時,如果溫度變化不大,則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高,則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。?-1超聲波波速與溫度的關(guān)系表溫度〔℃-30-20-100102030100聲速〔m／s313319325323338344349386Ⅰ.2.2超聲波測距儀原理框圖如下圖單片機發(fā)出40kHZ的信號,經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大,用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后,啟動單片機中斷程序,測得時間為t,再由軟件進行判別、計算,得出距離數(shù)并送LED顯示。圖1-1超聲波測距儀原理框圖1課程的方案設(shè)計與論證1.1系統(tǒng)整體方案的設(shè)計由于超聲波指向性強,能量消耗緩慢,在介質(zhì)中傳播的距離較遠,因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離,設(shè)計比較方便,計算處理也較簡單,并且在測量精度方面也能達到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等自動化的使用要求。

超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波,一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率、和聲波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素,本文采用AT89C51單片機作為控制器,用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示,超聲波驅(qū)動信號用單片機的定時器。

1.2系統(tǒng)整體方案的論證超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受,根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種,一種是在被測距離的兩端,一端發(fā)射,另一端接收的直接波方式,適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式,適用于測距儀。此次設(shè)計采用反射波方式。

測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應的傳感器,常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時會有相當?shù)乃p,衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高,故短距離測量時應選擇頻率高的傳感器,而長距離的測量時應用低頻率的傳感器。2系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計由單片機AT89C51編程產(chǎn)生40kHz的方波,由P3.6口輸出,再經(jīng)過放大電路,驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后,由超聲波接收頭接收到信號,通過接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理,送至單片機。單片機利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時間間隔計算出障礙物的距離,并由單片機控制顯示出來。該測距裝置是由超聲波傳感器、單片機、發(fā)射/接收電路和LED顯示器組成。傳感器輸入端與發(fā)射接收電路相連,接收電路輸出端與單片機相連接,單片機的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時序圖如圖1-2所示。圖1-2時序圖單片機在T0時刻發(fā)射方波,同時啟動定時器開始計時,當收到回波后,產(chǎn)生一負跳變到單片機中斷口,單片機響應中斷程序,定時器停止計數(shù)。計算時間差,即可得到超聲波在媒介中傳播的時間t,由此便可計算出距離。2.151系列單片機的功能特點及測距原理[3~6]2.1.151系列單片機的功能特點5l系列單片機中典型芯片<AT89C51>采用40引腳雙列直插封裝<DIP>形式,內(nèi)部由CPU,4kB的ROM,256B的RAM,2個16b的定時／計數(shù)器TO和T1,4個8b的工／O端I：IP0,P1,P2,P3,一個全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機片內(nèi)的Flash可編程、可擦除只讀存儲器<E~PROM>,使其在實際中有著十分廣泛的用途,在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片機引腳與封裝如圖2-1所示。5l系列單片機提供以下功能：4kB存儲器；256BRAM；32條工／O線；2個16b定時／計數(shù)器；5個2級中斷源；1個全雙向的串行口以及時鐘電路?？臻e方式：CPU停止工作,而讓RAM、定時／計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存RAM的內(nèi)容,振蕩器停振,禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復位。5l系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源,即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。2.1.2單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波,從而測出發(fā)射和接收回波的時間差tr,然后求出距離S＝Ct／2,式中的C為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在4個因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差,可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計方法。由于超聲波屬于聲波范圍,其波速C與溫度有關(guān)。2.4超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時,單片機選用AT89C51,經(jīng)濟易用,且片內(nèi)有4K的ROM,便于編程。電路原理圖如圖2-4所示。圖2-4超聲波測距電路原理圖

3系統(tǒng)軟件的設(shè)計超聲波測距儀的軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法,匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間,而超聲波測距儀的程序既有較復雜的計算〔計算距離時,又要求精細計算程序運行時間〔超聲波測距時,所以控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。

3.1超聲波測距儀的算法設(shè)計[10]

超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號,當這個超聲波遇到被測物體后反射回來,就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間,就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計算公式為：

d=s/2=<c×t>/2〔1

其中,d為被測物與測距儀的距離,s為聲波的來回的路程,c為聲速,t為聲波來回所用的時間。

在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器T0,利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時,接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變,在INT0或INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號,單片機響應外部中斷請求,執(zhí)行外部中斷服務子程序,讀取時間差,計算距離。其部分源程序如下：TMOD=0x01;//T0計數(shù),方式1TH0=0;//計數(shù)初值TL0=0; //計數(shù)初值IT0=1;//INT0負脈沖觸發(fā)EA=1;//開總中斷EX0=1;//開外部INT0中斷again=1;while<1> { ucharx; if<on==0> //啟動鍵處理 { delay1ms<5>;//按鍵消抖 if<on==0> { onoff=1;//啟動 while<on>; //等待按鍵釋放 } } if<off==0> //停止鍵處理 { delay1ms<5>;//按鍵消抖 if<off==0> { onoff=0;//停止 while<off>; //等待按鍵釋放 } } if<onoff> { OUT=0; //產(chǎn)生方波,輸出低電平 <模擬發(fā)射> delays<>; //延時產(chǎn)生幾個微秒的低電平,讓模擬反射的單片機能正確接收信號 OUT=1; //恢復高電平,停止模擬發(fā)射 TH0=0; TL0=0; again=0; // TR0=1;//T0開始計數(shù) for<x=0;x<20;x++> display<>; //數(shù)碼管顯示 if<again==0> {bwei=shwei=gwei=0;} } else { bwei=shwei=gwei=10; } }}voidint0<void>interrupt0using1//INTO中斷服務程序{floatCOUNT;ulongnum;TR0=0;//停止計數(shù)COUNT=<TH0*256+TL0>/2;num=<COUNT/10000>*344;//計算超聲波來回距離//num=num/2; //總距離除2等于實際距離3.2主程序流程圖軟件分為兩部分,主程序和中斷服務程序,如圖3-1所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。定時中斷服務子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射,外部中斷服務子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結(jié)果的輸出等工作。主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化,設(shè)置定時器T0工作模式為16位定時計數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P1清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖,為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā),需要延時約0.1ms〔這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因后,才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是12MHz的晶振,計數(shù)器每計一個數(shù)就是1μs,當主程序檢測到接收成功的標志位后,將計數(shù)器T0中的數(shù)〔即超聲波來回所用的時間按式〔2計算,即可得被測物體與測距儀之間的距離,設(shè)計時取20℃時的聲速為344m/s則有：

d=<c×t>/2=172T0/10000cm<2>

其中,T0為計數(shù)器T0的計算值。

測出距離后結(jié)果將以十進制BCD碼方式送往LED顯示約0.5s,然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計算出距離,主程序采用C語言編寫。

3.3超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序

超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送2個左右超聲波脈沖信號〔頻率約40kHz的方波,脈沖寬度為12μs左右,同時把計數(shù)器T0打開進行計時。超聲波發(fā)生子程序較簡單,但要求程序運行準確,所以采用匯編語言編程。

超聲波測距儀主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號,一旦接收到返回超聲波信號〔即INT0引腳出現(xiàn)低電平,立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關(guān)閉計時器T0停止計時,并將測距成功標志字賦值1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號,則定時器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉,并將測距成功標志字賦值2以表示此次測距不成功。

前方測距電路的輸出端接單片機INT0端口,中斷優(yōu)先級最高,左、右測距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機INT1端口,同時單片機P1.3和P1.4接到IC3Areceive1：pushpswpushaccclrex1；關(guān)外部中斷1jnbp1.1,right；P1.1引腳為0,轉(zhuǎn)至右測距電路中斷服務程序jnbp1.2,left；P1.2引腳為0,轉(zhuǎn)至左測距電路中斷服務程序return：SETBEX1；開外部中斷1pop?accpop?pswretiright：...?；右測距電路中斷服務程序入口?ajmp?returnleft：...；左測距電路中斷服務程序入口?ajmp?return3.4系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試[11]超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單,其中超聲波發(fā)射和接收采用Φ15的超聲波換能器TCT40-10F1〔T發(fā)射和TCT40-10S1〔R接收,中心頻率為40kHz,安裝時應保持兩換能器中心軸線平行并相距4～8cm,其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來,則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同,可適當調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C0的大小,以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。

硬件電路制作完成并調(diào)試好后,便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根據(jù)實際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間,以適應不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序,測距儀能測的范圍為0.07～5.5m,測距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析,不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。軟件的調(diào)試程序見附錄一總結(jié)由于時間和其它客觀上的原因,此次設(shè)計沒有做出實物。但是對設(shè)計有一個很好的理論基礎(chǔ)。設(shè)計的最終結(jié)果是使超聲波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波,實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收,從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測量距離。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受,根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種,一種是在被測距離的兩端,一端發(fā)射,另一端接收的直接波方式,適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式,適用于測距儀。此次設(shè)計采用反射波方式。超聲波測距儀硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振,以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率,減小測量誤差。單片機用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號,利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數(shù)碼管,段碼用74LS244驅(qū)動,位碼用PNP三極管8550驅(qū)動。超聲波發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成,單片機P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極,另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極,用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端,可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián),用以提高驅(qū)動能力。上位電阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力,另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果,縮短其自由振蕩時間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號,其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時,壓電晶片會發(fā)生共振,并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波,這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之,如果兩電極問未外加電壓,當共振板接收到超聲波時,將壓迫壓電晶片作振動,將機械能轉(zhuǎn)換為電信號,這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同,使用時應分清器件上的標志。超聲波檢測接收電路主要是由集成電路CX20106A組成,它是一款紅外線檢波接收的專用芯片,常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近,可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用CX20106A接收超聲波<無信號時輸出高電平>,具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容C4的大小,可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。超聲波測距儀的軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法,匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間,而超聲波測距儀的程序既有較復雜的計算〔計算距離時,又要求精細計算程序運行時間〔超聲波測距時,所以控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。主超聲波測距儀主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號,一旦接收到返回超聲波信號〔即INT0引腳出現(xiàn)低電平,立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關(guān)閉計時器T0停止計時,并將測距成功標志字賦值1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號,則定時器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉,并將測距成功標志字賦值2以表示此次測距不成功。

前方測距電路的輸出端接單片機INT0端口,中斷優(yōu)先級最高,左、右測距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機INT1端口,同時單片機P1.3和P1.4接到IC3A的輸入端,中斷源的識別由程序查詢來處理,中斷優(yōu)先級為先右后左。超聲波測距的算法設(shè)計原理為超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號,當這個超聲波遇到被測物體后反射回來,就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間,就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器T0,利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時,接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變,在INT0或INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號,單片機響應外部中斷請求,執(zhí)行外部中斷服務子程序,讀取時間差,計算距離。在元件及調(diào)制方面,由于采用的電路使用了很多集成電路。外圍元件不是很多,所以調(diào)試應該不會太難。一般只要電路焊接無誤,稍加調(diào)試應該會正常工作。電路中除集成電路外,對各電子元件也無特別要求。根據(jù)測量范圍要求不同,可適當調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C0的大小,以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來,則可提高抗干擾能力。致謝首先,我要感謝我的導師趙揚老師在畢業(yè)設(shè)計中對我給予的悉心指導和嚴格要求,同時也感謝本校的一些老師在畢業(yè)設(shè)計期間所給予我得幫助。在我畢業(yè)論文寫作期間,各位老師給我提供了種種專業(yè)知識上的指導和日常生活上的關(guān)懷,沒有您們這樣的幫助和關(guān)懷,我不會這么順利的完成畢業(yè)設(shè)計,借此機會,向您們表示由衷的感激。同時還要感謝系實驗室在畢業(yè)設(shè)計期間提供給我們優(yōu)越的實驗條件。接著,我要感謝和我一起做畢業(yè)設(shè)計的同學。在畢業(yè)設(shè)計的短短3個月里,你們給我提出很多寶貴的意見,給了我不少幫助還有工作上的支持,在此也真誠的謝謝你們。同時,我還要感謝我的寢室同學和身邊的朋友,正是在這樣一個團結(jié)友愛,相互促進的環(huán)境中,在和他們的相互幫助和啟發(fā)中,才有我今天的小小收獲。最后我要深深地感謝我的家人,正是他們含辛茹苦地把我養(yǎng)育成人,在生活和學習上給予我無盡的愛、理解和支持,才使我時刻充滿信心和勇氣,克服成長路上的種種困難,順利的完成大學學習。還有許許多多給予我學業(yè)上鼓勵和幫助的朋友,在此無法一一列舉,在此也一并表示忠心地感謝！參考文獻1.劉鳳然.基于單片機的超聲波測距系統(tǒng).傳感器世界.2001,5:29-322.葛健強.基于CPLD的超聲波測距儀研制.XX商業(yè)職業(yè)技術(shù)學院學報.2004,4<3>:8-103.何希才,薛永毅.傳感器及其應用實例.機械工業(yè)出版社,2004:138-1524.胡漢才.單片機原理及其接口技術(shù).清華大學出版社,2004:27-465.吳斌方,劉民,熊海斌.超聲波測距傳感器的研制.XX工學院學報.2004,19<6>:26-286.譚洪濤,張學平.單片機設(shè)計測距儀原理及其簡單應用.現(xiàn)代電子技術(shù).2004,18:94-967.PeterHauptmann,RalfLucklum,BerndHenning.UltrasonicSensorsforProcessControl.SensorsUpdate.1998,3:163-2078.趙占林,劉洪梅.超聲波測距系統(tǒng)誤差分析及修正.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟.2002,12<6>:144-1459.J.Otto.SensorsforDistanceMeasurementandTheirApplicationsinAutomobiles.SensorsUpdate.2002,10:231-25510.蘇煒,龔壁建,潘笑.超聲波測距誤差分析.傳感器技術(shù).2004,23<6>:8-1111.羅忠輝,黃世慶.提高超聲測距精度的方法.機械設(shè)計與制造.2005,1:10912.秦旭.用LM92溫度傳感器補償?shù)母呔瘸暡y距儀.電子產(chǎn)品世界.2003,6:58-5913.YusukeMoritake,HiroomiHikawa.CategoryRecognitionSystemUsingTwoUltrasonicSensorsandCombinationalLogicCircuit.ElectronicsandCommunicationsinJapan.2005,88<7>:33-42附錄附錄一超聲波測距電路原理圖超聲波測距電路原理圖附錄二超聲波測距模擬反射延遲10秒和延遲20秒的LED顯示超聲波測距模擬反射延遲10秒超聲波測距模擬反射延遲20秒附錄三主程序清單#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineulongunsignedlong#defineuintunsignedintsbitOUT=P3^7; //發(fā)射sbitIN=P3^2; //接收sbiton=P1^1; //啟動sbitoff=P1^0; //停止//數(shù)碼管位選sbitled1=P2^1;sbitled2=P2^2;sbitled3=P2^3; //共陽數(shù)碼管字庫ucharcodetab[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xFF};ucharbwei,shwei,gwei;bitagain, //接收標志 onoff; //開關(guān)標志voiddelays<void>{} //延時程序voiddelay1ms<uchari> //1ms延時程序12MHz{uintx;for<;i>0;i--> for<x=124;x>0;x-->;}voiddisplay<void> //數(shù)碼管顯示子程序{P0=tab[bwei];//顯示百位led1=0;delay1ms<2>;led1=1;P0=tab[shwei];//顯示十位led2=0;delay1ms<2>;led2=1;P0=tab[gwei];//顯示個位led3=0;delay1ms<2>;led3=1;}voidmain<void>{TMOD=0x01;//T0計數(shù),方式1TH0=0;//計數(shù)初值TL0=0; //計數(shù)初值IT0=1;//INT0負脈沖觸發(fā)EA=1;//開總中斷EX0=1;//開外部INT0中斷again=1;while<1> { ucharx; if<on==0> //啟動鍵處理 { delay1ms<5>;//按鍵消抖 if<on==0> { onoff=1;//啟動 while<on>; //等待按鍵釋放 } } if<off==0> //停止鍵處理 { delay1ms<5>;//按鍵消抖 if<off==0> { onoff=0;//停止 while<off>; //等待按鍵釋放 } } if<onoff> { OUT=0; //產(chǎn)生方波,輸出低電平 <模擬發(fā)射> delays<>; //延時產(chǎn)生幾個微秒的低電平,讓模擬反射的單片機能正確接收信號 OUT=1; //恢復高電平,停止模擬發(fā)射 TH0=0; TL0=0; again=0; // TR0=1;//T0開始計數(shù) for<x=0;x<20;x++> display<>; //數(shù)碼管顯示 if<again==0> {bwei=shwei=gwei=0;} } else { bwei=shwei=gwei=10; } }}voidint0<void>interrupt0using1//INTO中斷服務程序{floatCOUNT;ulongnum;TR0=0;//停止計數(shù)COUNT=<TH0*256+TL0>/2;num=<COUNT/10000>*344;//計算超聲波來回距離//num=num/2; //總距離除2等于實際距離bwei=num/100;//輸出百位shwei=num%100/10;//輸出十位gwei=num%10;//輸出個位again=1; //接收正確again=1}模擬反射程序clude<reg51.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitOUT=P1^1; //發(fā)射voidinitTimer<void> //{ TMOD=0x1; TH0=0xFF; TL0=0xFF;}voidmain<void>{ IT0=1; EX0=1; initTimer<>;// TR0=1; ET0=1; EA=1; while<1> { }}voidtimer0<void>interrupt1 //定時器0,,延時{ TR0=0; OUT=0; _nop_<>; _nop_<>; OUT=1; IT0=1; EX0=1;}voidint0<void>interrupt0 //外部中斷0,,接收{(diào) IT0=0; EX0=0;switch<P2> { case0xFE: {TH0=0xd8;TL0=0xf0;} //A開關(guān)10ms break; case0xFD: {TH0=0xB1;TL0=0xE0;} //B開關(guān)20ms break; case0xFB: {TH0=0x8A;TL0=0xD0;} //C開關(guān)30ms break; } TR0=1;}摘要本設(shè)計是基于單片機的稱重儀,它的硬件電路設(shè)計包括單片機最小系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換器、稱重傳感器、語音電路、LED顯示電路、±5V穩(wěn)壓電源電路等幾部分設(shè)計內(nèi)容。其中壓力傳感器輸出響應的模擬電壓信號,經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換〔A/D變換后就得到數(shù)字量D。但是,數(shù)字量D并不是重物的實際重量值W,W需要由數(shù)字量D在控制器內(nèi)部經(jīng)過一系列的運算——即數(shù)據(jù)處理才能得到。整個設(shè)計系統(tǒng)由Atmel公司生產(chǎn)51系列89S51單片機進行控制；軟件實現(xiàn)功能開機檢測,主要是開機后自動逐個掃描LED數(shù)碼管,以防止某段數(shù)碼管損壞造成視覺誤差；出于人性化考慮我們還可以增加語音電路,實現(xiàn)自動語音播報重量。關(guān)鍵詞：稱重儀；單片機；LEDAbstractThedesignisbasedonSCMweighinginstrument,anditshardwaredesign,includingminimumsystemmicrocontroller,A/Dconverter,loadcell,voicecircuits,LEDdisplaycircuit,±5Vpowersupplycircuitdesigncontentofseveralparts.Pressuresensoroutputresponseinwhichtheanalogvoltagesignal,afterA/Dconverter<A/Dconversion>obtainedafterthedigitalD.However,thedigitalDisnottheactualweightofthevalueofweightW,WDneededbythedigitalcontrollerthroughaseriesofoperationsinside-thedataprocessingtoget.Thedesignsystemproduced51seriesYouAtmel89S51Microcontrollercontrol;softwarefeaturesKaijidetection,mainlyby-scanautomaticallyafterpowerLEDdigitaltube,topreventdamagecausedbycertaindigitalvisualerror;forhumanitywecanconsiderincreasethevoicecircuit,andautomaticvoicebroadcastweight.Keywords:weighinginstrument;SCM;LED目錄摘要IAbstractII目錄III第1章緒論11.1課題背景11.2課題目的與意義11.3課題設(shè)計要求21.4稱重儀的國內(nèi)外現(xiàn)狀2本章小結(jié)2第2章稱重儀的總系統(tǒng)設(shè)計與各模塊方案選型32.1稱重儀的總系統(tǒng)框圖32.2稱重儀的主控制系統(tǒng)設(shè)計42.2.1稱重儀的主控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)42.2.2稱重儀的主控制系統(tǒng)工作原理42.3稱重儀各模塊的方案選型52.3.1電源模塊方案選型52.3.2數(shù)據(jù)采集模塊方案選型52.3.3主控制器模塊方案選型62.3.4數(shù)據(jù)顯示模塊方案選型62.3.5報警模塊方案選型6本章小結(jié)6第3章稱重儀的各單元電路設(shè)計73.1所用單片機的簡介73.1.1單片機的最小系統(tǒng)設(shè)計73.2電源電路設(shè)計83.3稱重傳感器電路設(shè)計93.3.1傳感器的工作原理93.4前級放大器電路設(shè)計113.5A/D轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計123.5.1A/D轉(zhuǎn)換器原理123.5.2A/D轉(zhuǎn)換器外圍電路153.6顯示電路設(shè)計163.6.1LED結(jié)構(gòu)與原理183.6.2動態(tài)顯示LED顯示器接口19本章小結(jié)21第4章稱重儀的系統(tǒng)程序設(shè)計224.1主程序設(shè)計224.2MAX187轉(zhuǎn)換程序設(shè)計234.3顯示程序設(shè)計24本章小結(jié)25第五章稱重儀的安裝與調(diào)試26本章小結(jié)26結(jié)論27致謝28參考文獻29附錄1譯文30附錄2英文參考資料34附錄3系統(tǒng)總圖39附錄4程序清單40.第1章緒論1.1課題背景稱重技術(shù)自古以來就被人們所重視,作為一種計量手段,廣泛應用于工農(nóng)業(yè)、科研、交通、內(nèi)外貿(mào)易等各個領(lǐng)域,與人民的生活緊密相連。電子秤是電子衡器中的一種,衡器是國家法定計量器具,是國計民生、國防建設(shè)、科學研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺少的計量設(shè)備,衡器產(chǎn)品技術(shù)水平的高低,將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會經(jīng)濟效益的提高。稱重裝置不僅是提供重量數(shù)據(jù)的單體儀表,而且作為工業(yè)控制系統(tǒng)和商業(yè)管理系統(tǒng)的一個組成部分,推進了工業(yè)生產(chǎn)的自動化和管理的現(xiàn)代化,它起到了縮短作業(yè)時間、改善操作條件、降低能源和材料的消耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及加強企業(yè)管理、改善經(jīng)營管理等多方面的作用。稱重裝置的應用已遍及到國民經(jīng)濟各領(lǐng)域,取得了顯著的經(jīng)濟效益。因此,稱重技術(shù)的研究和衡器工業(yè)的發(fā)展各國都非常重視。50年代中期電子技術(shù)的滲入推動了衡器制造業(yè)的發(fā)展。60年代初期出現(xiàn)機電結(jié)合式電子衡器以來,經(jīng)過40多年的不斷改進與完善,我國電子衡器從最初的機電結(jié)合型發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型?，F(xiàn)今電子衡器制造技術(shù)及應用得到了新發(fā)展。電子稱重技術(shù)從靜態(tài)稱重向動態(tài)稱重發(fā)展：計量方法從模擬測量向數(shù)字測量發(fā)展；測量特點從單參數(shù)測量向多參數(shù)測量發(fā)展,特別是對快速稱重和動態(tài)稱重的研究與應用。通過分析近年來電子衡器產(chǎn)品的發(fā)展情況及國內(nèi)外市場的需求,電子衡器總的發(fā)展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術(shù)性能趨向是速率高、準確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向是稱重計量的控制信息和非控制信息并重的"智能化"功能；其應用性能趨向于綜合性和組合性。電子秤是電子衡器中的一種,衡器是國家法定計量器具,是國計民生、國防建設(shè)、科學研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺少的計量設(shè)備,衡器產(chǎn)品技術(shù)水平的高低,將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會經(jīng)濟效益的提高。1.2課題研究目的與意義隨著自動化測試技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的稱重系統(tǒng)在功能、精度、性價比等方面已難以滿足人們的需要,尤其在智能化、便捷式、對微小質(zhì)量的測量方面更顯得力不從心。筆者采用以AT89S51單片機為控制核心,結(jié)合高敏度的電阻式應變式壓力傳感器和高精度的A/D轉(zhuǎn)換器,設(shè)計稱重系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及軟件、硬件。實現(xiàn)物體質(zhì)量、控制及顯示報告的電氣化與智能化。稱重儀是電子衡器的一種,電子衡器是自動化稱重控制和貿(mào)易計量的重要手段,對加強企業(yè)管理、嚴格生產(chǎn)、貿(mào)易結(jié)算、交通運輸、港口計量和科學研究都起到了重要作用。電子衡器具有反應速度快、測量范圍廣、應用面廣、結(jié)構(gòu)簡單、使用操作方便、信號遠傳便于計算機控制等特點,被廣泛應用于煤炭、石油、化工、電力、輕工、冶金、礦山、交通運輸、港口建筑機械制造和國防等各個領(lǐng)域。在工業(yè)現(xiàn)場和環(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。為了具備這一性能,市場上的電子衡器的電路普遍較復雜,相對地,成本也較高。而本產(chǎn)品電路簡單,成本低,抗工頻干擾強,具有很好的推廣價值。1.3稱重儀的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外稱重儀現(xiàn)狀50年代中期電子技術(shù)的滲入推動了衡器制造業(yè)的發(fā)展。60年代初期出現(xiàn)機電結(jié)合式電子衡器以來,經(jīng)過40多年的不斷改進與完善,我國電子衡器從最初的機電結(jié)合型發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型。我國電子衡器的技術(shù)裝備和檢測試驗手段基本達到國際90年代中期的水平,少數(shù)產(chǎn)品的技術(shù)已處于國際領(lǐng)先水平。國內(nèi)的電子秤市場中,1009左右量程的電子秤精度一般為0.019即10mg。在研究方法上,電子稱重系統(tǒng)的工作原理一般是將作用在承載器上的質(zhì)量或力的大小,通過壓力傳感器轉(zhuǎn)換為電信號,并通過控制電路來處理該電信號。電子衡器制造技術(shù)及應用得到了新發(fā)展。電子稱重技術(shù)從靜態(tài)稱重向動態(tài)稱重發(fā)展：計量方法從模擬測量向數(shù)字測量發(fā)展；測量特點從單參數(shù)測量向多參數(shù)測量發(fā)展,特別是對快速稱重和動態(tài)稱重的研究與應用。在國際上,一些發(fā)達國家在電子稱重力一面已經(jīng)達到了較高的水平。特別是在準確度和可靠性等方面有了很大的提高。在稱重傳感器方面,國外電子秤產(chǎn)品的品種和結(jié)構(gòu)又有創(chuàng)新,技術(shù)功能和應用范圍不斷擴大,成果舉例如下:<l>美國Revere公司研制出PUS型具有大氣壓力補償功能的拉壓兩用的稱重傳感器,用于高準確度檢驗平臺,稱重平臺,準確度可達5000d。<2>德國HBM公司研制成功C2A、C16A兩種不同結(jié)構(gòu)的1-100t具有耐壓外殼保護的防爆稱重傳感器,其防爆性能符合歐洲EN50014和EN50018d級標準。<3>美國斯凱梅公司研制出新一代高準確度不銹鋼F6Ox系列5-5000kg稱重傳感器,準確度6000d。用于濕度大,腐蝕性強的環(huán)境中,而且防水。<4>德國塞特內(nèi)爾公司研制出以被青銅為彈性體材料,快速稱重用200型稱重傳感器。其特點是線性好,固有頻率高,動態(tài)響應快。獨創(chuàng)油阻尼裝置與過載保護裝置一體化,保證稱量時速度快,工作壽命長。組裝3一30kg電子平臺秤,準確度可達4000d。但就總體而言,我國電子衡器產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量與工業(yè)發(fā)達國家相比還有較大差距,其主要差距是技術(shù)與工藝不夠先進、工藝裝備與測試儀表老化、開發(fā)能力不足、產(chǎn)品的品種規(guī)格較少、功能不全、穩(wěn)定性和可靠性較差等。稱重儀的發(fā)展趨勢臺式電子計價秤具在商業(yè)貿(mào)易中的使相當普遍,但應用場所受到制約。電子秤產(chǎn)品的應用性能趨向上更綜合性和組合性。<1>小型化新研制的電子平臺秤結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了體積小、高度低、重量輕<即小、薄、輕>的發(fā)展方向。對于低容量的電子平臺秤和電子輪軸秤,可采用薄型或超薄型的圓形稱重傳感器,這樣不但降低了成本,而且提高了穩(wěn)定性和可靠性[4]。對中等或較大容量的電子平臺秤、電子地上衡,已經(jīng)出現(xiàn)了采用方形或長方形閉合截面的薄壁型鋼焊接成秤體,這是一種很有發(fā)展一前途的秤體結(jié)構(gòu)。對于大型電子平臺秤,可利用有限單元法進行等強度和剛度計算,采用抗彎剛度大的型材和輕型波紋夾心鋼板等。<2>模塊化對于大型或超大型的承載器結(jié)構(gòu),如大型靜動態(tài)電子汽車衡等,己開始采用幾種長度的標準結(jié)構(gòu)的模塊,經(jīng)過分體組合,而產(chǎn)生新的品種和規(guī)格。這種結(jié)構(gòu),不僅提高了產(chǎn)品的通用性、互換性和可靠性,而且也大大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。同時還降低了成本,增強了企業(yè)的市場競爭力。<3>集成化小型電子平臺秤、專用秤、便攜式靜動態(tài)電子輪軸秤、靜動態(tài)電子軌道衡等,都可以實現(xiàn)秤體與稱重傳感器,鋼軌與稱重傳感器,軌道衡秤體與鐵路線路一體化。<4>智能化電子秤的稱重顯示控制器與電子計算機組合,利用電子計算機的智能來增加稱重顯示控制器的功能。使電子秤在原有功能的基礎(chǔ)上,增加推理、判斷、自診斷、自適應、自組織等功能,這就是當今市場上采用微機化稱重顯示控制器的電子秤與采用智能化稱重顯示控制器的電子秤的根本區(qū)別[5]。<5>綜合性電子稱重技術(shù)的發(fā)展規(guī)律是不斷的加強基礎(chǔ)研究并擴大應用,擴展新技術(shù)領(lǐng)域,向相鄰學科和行業(yè)滲透,綜合各種技術(shù)去解決稱重計量、自動控制、信息處理等問題。例如在流量計量專業(yè),如果采用稱重法即質(zhì)量流量法,只要將重量和時間測量準確,大流量的測量問題就迎刃而解了?，F(xiàn)代商業(yè)系統(tǒng)還要求商用電子計價秤能提供各種銷售信息,把稱重與管理自動化緊密結(jié)合,實現(xiàn)管理自動化。這就要求電子計價秤能與電子計一算機聯(lián)網(wǎng),把稱重系統(tǒng)與計算機系統(tǒng)組成一個完整的綜合控制系統(tǒng)。<6>組合性在工業(yè)稱重計量過程或工藝流程中,不少稱重計量系統(tǒng)還要求具有可組合性,即測量范圍等可以任意設(shè)定;硬件功能向軟件方向發(fā)展;軟件能按一定的程序進行修改和擴展;輸入輸出數(shù)據(jù)與指令可以使用不同的語一言和條形碼,并能與外部的控制和數(shù)據(jù)處理設(shè)備進行通信。我國衡器行業(yè)使用面最廣、產(chǎn)銷量最大的計量產(chǎn)品是非自動衡器。國際法制計量組織76號國際建議OIMLR76一非自動衡器<它是目前國際上唯一的非自動衡器通用國際標準>中,明確規(guī)定非自動衡器按大類分為非自動天平與非自動秤。目前我國產(chǎn)品標準中列入的十大類衡器已實現(xiàn)了電子化1.4題設(shè)計要求1、設(shè)計出硬件電路。2、稱量范圍0~5kg,精度為±1%。3、LED顯示要顯示的內(nèi)容。本章小結(jié)本章主要是介紹現(xiàn)在生活中的稱重儀的歷史和國際現(xiàn)狀,以及本設(shè)計的稱重儀與過去的先進之處與它的應用領(lǐng)域,并提出了設(shè)計的技術(shù)要求。第2章稱重儀的總體方案設(shè)計2.1稱重儀的基本工作原理電子秤的工作原理以電子元件:稱重傳感器,放大電路,AD轉(zhuǎn)換電路,單片機電路,顯示電路,通訊接口電路,穩(wěn)壓電源電路等電路組成。當物體放在秤盤上時,壓力施給傳感器,該傳感器發(fā)生形變,從而使阻抗發(fā)生變化,同時使用激勵電壓發(fā)生變化,輸出一個變化的模擬信號。該信號經(jīng)放大電路放大輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換成便于處理的數(shù)字信號輸出到CPU運算控制。CPU根據(jù)程序?qū)⑦@種結(jié)果輸出到顯示器,直至顯示這種結(jié)果。2.2稱重儀的系統(tǒng)總體框圖按照本設(shè)計功能的要求,系統(tǒng)由5個部分組成：控制器部分、信號采集部分、報警部分、數(shù)據(jù)顯示部分、和電路電源部分,系統(tǒng)設(shè)計總體方案框圖如圖2.1所示。信號放大調(diào)理電路中央處理單元壓力傳感器信號放大調(diào)理電路中央處理單元壓力傳感器LED顯示LED顯示模/數(shù)轉(zhuǎn)換模/數(shù)轉(zhuǎn)換電源電路超重報警電源電路超重報警圖2.1總系統(tǒng)體框圖信號采集部分是利用稱重傳感器檢測壓力信號,得到微弱的電信號〔本設(shè)計為電壓信號,而后經(jīng)處理電路〔如濾波電路,差動放大電路,處理后,送A/D轉(zhuǎn)換器,將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出?？刂破鞑糠纸邮軄碜訟/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號,經(jīng)過復雜的運算,將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為物體的實際重量信號,并將其存儲到存儲單元中?？刂破鬟€可以通過對擴展I/O的控制,對鍵盤進行掃描,而后通過鍵盤散轉(zhuǎn)程序,對整個系統(tǒng)進行控制。數(shù)據(jù)顯示部分根據(jù)需要實現(xiàn)顯示功能。電路電源部分主要是為電路提供穩(wěn)定方便的電源,將工頻電壓直接轉(zhuǎn)換成所需的±5伏電壓。報警部分只要是在超重時對使用者發(fā)出警告聲。2.3稱重儀的主控制系統(tǒng)設(shè)計2.3.1稱重儀的主控制系統(tǒng)工作原理該系統(tǒng)選用AT89S51單片機為主控制器,主要是先進行數(shù)據(jù)采集,采集由前級放大器把壓力傳感器獲取的電壓信號放大的模擬信號,在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號。此信號在單片機內(nèi)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理及各種運算把所感知的二進制信號轉(zhuǎn)換成十進制,并送進顯示模塊顯示出來。此外,當單片機感知測量對象超出系統(tǒng)測量范圍時,單片機會向報警模塊發(fā)出指令,啟動聲光報警裝置,設(shè)計中為了安全起見,留有較大的過負載能力,因此系統(tǒng)報警時的負載并不會對測量器件造成損壞。稱重儀的主控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)〔一主控制系統(tǒng)具備的功能該系統(tǒng)采用單片機作為主控制系統(tǒng),主要目的在于稱重之后的數(shù)字化顯示和實現(xiàn)精確的測量,故系統(tǒng)應該具有單片機工作所需的穩(wěn)定的+5V直流電源,又考慮到數(shù)字化顯示所用到的數(shù)碼管中會出現(xiàn)某段被損壞而不被點亮的情況,系統(tǒng)應該具有開機自檢功能,就是開機后自動逐個掃描每一個晶體管,用來檢查數(shù)碼管各段是否完好,可以依靠軟件編程實現(xiàn)。除此之外還有超重報警功能,防止超重物對傳感器件造成損壞?！捕纹瑱C控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示：聲光報警聲光報警測量放大信號A/D模塊控制模塊顯示模塊測量放大信號A/D模塊控制模塊顯示模塊圖2-2單片機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.4稱重儀各模塊的方案選型整個硬件系統(tǒng)由五大模塊組成,下面以控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為依據(jù)就針對各模塊做具體的方案設(shè)計。2.4.1電源模塊方案選型為了使稱重儀的供電方便,這里把電源設(shè)計成用220V的交流電經(jīng)過變壓器后輸出±9的電壓,經(jīng)整流濾波電路后,通過LM7805和LM7905進行DC/DC變換得到±5V供壓力傳感器器和系統(tǒng)的其他芯片使用。2.4.2數(shù)據(jù)采集模塊方案選型數(shù)據(jù)采集模塊分為3個部分：稱重傳感器、前級放大器和A/D轉(zhuǎn)換器?！惨环Q重傳感器首先這里傳感器選用金鐘電子衡器股份有限公司生產(chǎn)的L-PSII-10型壓力傳感器,為雙孔懸臂梁形式,是電子計價秤的專用產(chǎn)品。這里說下傳感器的選型方法,可具體參考以下步驟：1.計算并確定轉(zhuǎn)換系數(shù)<f>,轉(zhuǎn)換系數(shù)<f>是表明每一個檢定分度值<V>中有多少個示值單位,是用于把全部示值單位轉(zhuǎn)換為"V"的,它是由初始公稱試驗溫度20℃時,進程負荷試臉下試臉效據(jù)平均值確定2.計算參比示值,所謂"參比值"即是"理論示值"或"理想示值"。3.計算各試驗點EL。4.各試驗點誤差與最后一列最大允許誤差相比較。5.將計算結(jié)果與系統(tǒng)對傳感器的要求做出比較,以確定選型是否成功?！捕凹壏糯笃髌浯吻凹壏糯笃鞯脑O(shè)計有以下幾種方案可以采用：方案一、利用普通低溫漂運算放大器構(gòu)成多級放大器。普通低溫漂運算放大器構(gòu)成多級放大器會引入大量噪聲。由于A/D轉(zhuǎn)換器需要很高的精度,所以幾毫伏的干擾信號就會直接影響最后的測量精度。所以,此中方案不宜采用。方案二、由高精度低漂移運算放大器構(gòu)成差動放大器。差動放大器具有高輸入阻抗,增益高的特點,可以利用普通運放<如OP07>做成一個差動放大器。實際測量,每一級運放都會引入較大噪聲。對精度會有較大影響。方案三、采用專用儀表放大器,如：INA126,INA121等。此類芯片內(nèi)部采用差動輸入,共模抑制比高,差模輸入阻抗大,增益高,精度也非常好,且外部接口簡單,且放大器的增益是可以改變的?；谝陨戏治?我們決定采用制作方便而且精度很好的專用儀表放大器INA126〔三A/D轉(zhuǎn)換器然后按設(shè)計要求：電子稱最大稱重為5公斤,重量誤差不能大于1%0。我們的理解是滿刻度時,只能有±5g的誤差,精度要求較高。同樣也有以下幾種方案采用方案一：采用V/F變換芯片LM331該方案是使用壓頻變換器件,把電壓信號轉(zhuǎn)化為頻率信號,單片機通過計數(shù)獲得重物的重量,此方案,可不用A/D,但需要比較復雜的小信號放大、調(diào)理電路,并且LM331外圍電路較繁瑣,參數(shù)配置相對嚴格,故未采用。方案二：選用12位逐次比較式ADC,此方案經(jīng)小信號放大、調(diào)理電路,可直接連接單片機,也可以可滿足精度要求,故采用此方案。2.4.3主控制器模塊方案選型根據(jù)本設(shè)計與主控制系統(tǒng)的功能要求,以及性價比的最大化這里選用51單片機。而且以單片機為主控制器的設(shè)計,可以容易地將計算機技術(shù)和測量控制技術(shù)結(jié)合在一起,組成新型的只需要改變軟件程序就可以更新?lián)Q代的"智能化測量控制系統(tǒng)"。2.4.4數(shù)據(jù)顯示模塊方案選型本設(shè)計只需要顯示出所稱實物的實際重量,由于LED耗電省、使用壽命長、成本低、亮度高等優(yōu)點,再加上驅(qū)動簡單,容易利用單片機對其進行控制和編程等特點選用LED顯示。2.4.5報警模塊方案選型 報警電路只在實物超出人為設(shè)定的值時,才被單片機驅(qū)動。在這就是對使用者有個提醒作用,人為使用普通的聲光報警就可以。我們選用蜂鳴器與發(fā)光二極管來設(shè)計報警電路。本章小結(jié)本章主要是闡述系統(tǒng)的總框圖及其各大模塊的方案設(shè)計,并且為各方案的選型做了一一的講解。第3章稱重儀的各單元電路硬件設(shè)計3.1AT89S51單片機的簡介AT89S51是一種低功耗,高性能的片內(nèi)含有4KB快閃可編程/擦除只讀存儲器〔FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory的8位COMS微控制器,使用高密度,非易失存儲技術(shù)制造,并且與80C51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。芯片上的FPEROM允許在線編程或采用通用的非易失存儲編程器對存儲器重復編程。AT89S51〔以下簡稱89S51將具有多種功能的8位CPU與FPEROM結(jié)合在一個芯片上,為很多嵌入式控制應用提供了非常靈活而又便宜的方案,其性能價格比遠高于8751。由于片內(nèi)帶EPROM的87S51價格偏高,而片內(nèi)帶FPEROM的89S51價格低且與80C51兼容,這就顯示出了89S51的優(yōu)越性。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中,ATMEL的AT89S51是一種高效微控制器,AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89S單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。單片機的最小系統(tǒng)設(shè)計中央處理單元選用我們熟悉的單片機,即最后電路的核心采用最常用、好用和廉價的ATEMAL公司的AT89S51。設(shè)計者必須仔細選擇晶振頻率,確保標準的通訊波特率〔1200、4800、9600、19.2K等。不妨先列出可供選擇的晶振所能產(chǎn)生的波特率,然后根據(jù)需要的波特率和系統(tǒng)要求選擇晶振。有時也不必過分考慮晶振問題,因為可以定制晶振。當晶振頻率超過20M時,必須確?？偩€上的其它器件能夠在這種頻率下工作。當工作頻率增加時,功耗也會增加,這點在使用電池作為電源的系統(tǒng)中應充分考慮。單片機采用89S