毕业设计--基于51单片机的电子秤设计Word下载.docx
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Theelectronicscalesweighingfast,accurate,abletoworkinharshenvironments,Electronicscaleintheindustrytoformacontinuousautomaticweighingsystem,sobeappliedtovariousfields.Forexample:
Supermarketweighingsystems,hospitalorpharmacyscales.Theelectronicscaledescribedbythisthesisiscontaining three parts about MCU control module, weighing sensors,
human-computer interactionmodule.The Single-Chip Microcomputer controlmoduleAT89C52microcontrollerisusedtoprocessandcontrolthesignalfromsensor.TheLoadCellusing CZL-Aresistivestraingaugepressuresensor.HCImoduleincludesaliquidcrystaldisplayandkeyboardmoduleforinputtingandoutputtingdata.Thefinishedelectronicscalehasfeaturesaboutweighing,over-rangealarm,peeled,pricing,andsoon..TheaccuracyofElectronicsis2gandtherangeis10KG.ThispaperbrieflydescribeshowtouseSingle-ChipMicrocomputertoachieveelectronicscalesweighingfunctions,throughthe LCD1602displayobjectweightandprice.BrieflydescribesthegrammaticalstructureandtheusingoftheClanguage,thebasicprinciplesofelectronicscales,systemcomponentsandmajorfunctions.
Keywords:
electronicscales;
weighingsensor;
Human-computerinteraction;
Single-ChipMicrocomputer
Classification:
目 次
摘要 I
目次 III
1绪论 1
1.1课题研究的背景和意义 1
1.2国内外电子秤发展及成果 2
1.3本论文的研究内容及结构安排 3
2系统方案设计 4
2.1系统总体设计方案比较与论证 4
2.2硬件的方案设计与选型 5
2.3具体实施方案简介 11
3系统硬件设计 12
3.1基于51单片机的主控电路 12
3.2A/D转换,放大电路 14
3.3报警电路 15
3.4显示电路 16
4系统软件设计 17
4.1系统软件程序组成 17
4.2主程序流程图 18
4.3子程序流程 19
5调试 22
5.1硬件调试 22
5.2软件调试 22
5.3实际测试 23
6总结 25
参考文献 26
附件A 27
附件B 28
附件C 29
附件D 30
作者简介 错误!
未定义书签。
学位论文数据集 错误!
1绪论
1.1课题研究的背景和意义
1.1.1研究的背景
随着新的计量科学技术在近几年不断的出现,传统机械结构的秤已经逐渐不能满足人们的生活要求而被慢慢淘汰了,比如十几年前常见的磅秤、杆秤,现在已经很少再能见到了。
取而代之的则是有着各种形状、操作更加方便,更加人性化,称重更加快速,精准的电子秤。
目前电子秤正向着高精度、高稳定性、易于携带的方向发展着,这使得国内外对于高精度,高性能的模拟信号处理器的需求与日俱增。
如今,国内外对于电子秤的需求向着小型化、智能化、模块集成化方向发展[1]。
如今,电子衡器的技术性能的趋向是高速率、高可靠性、高准确度、高稳定性[2];
电子衡器的功能趋向是智能性,对于信息的可控性方向增强;
电子衡器的
[3]
使用性能则是朝着人性化方向发展。
1.1.2研究的意义
称重技术作为一种重要的测量手段,从古至今一直被人们所重视着,称重技术被普遍应用于社会的各个角落,与我们的日常生活密不可分[4]。
目前电子衡器中最常见和常用的一种是电子秤,电子秤由于其结构和使用地点的不同可以分为很多种,电子衡器的技术水平高低直接影响着社会的经济效益。
电子秤与传统的机械秤相比。
主要有以下优点:
(1)电子秤的结构比机械秤简单,体积更小,而且几乎不受安装地点的限制[5]。
(2)称重传感器可以做成密封型的,是电子秤不易受到腐蚀,能在更加恶劣的环境下工作。
(3)电子秤的称重信号不但可以进行远距离传送,而且可以对数据进行处理,实现自动化称重。
(4)传感器对数据的反应速度更快,提高了电子秤的称重速度。
(5)由于电子秤没有刀口和刀垫做为支点,所以电子秤的稳定性更加好,减少了使用过程中的磨损,提高了使用寿命。
(6)精度比机械秤更高。
由于电子秤存在着上述的种种优点,所以电子秤已经成为了当今衡器发展的
9
主流。
在许多欧美的先进工业国家里,电子秤已经被普遍的应用在各种领域中,并几乎取代了机械秤。
我国在近20年中,电子秤在自动化系统中的运用也编的越来越普遍了,各种电子秤也已经广泛的应用于食品、交通运输、矿山、石油等领域,用于实现自动化的生产(连续称重、自动配料、定值控制),这对产品质
[7]
量的提高和生产率的提高有着非常重大的帮助。
1.2国内外电子秤发展及成果
随着新技术的不断发展,电子衡器的技术也在不断的进步着[6]。
从80年代以来,电子衡器的技术更新越来越快,几乎每年都有新电子称重技术和新的称重产品出现。
平均每5年旧一代的称重设备就要被新的所淘汰,新的功能、新的种类都使电子衡器在各种领域不断的发展,变得越来越重要。
尤其是在动态称重领域中,出现了许多新的理论和技术,比如迷糊理论应用、动态系统理论分析法等。
近几年新的称重传感器也不断的出现,电子秤不再是全部使用电阻应变式传感器
了,大量程的电子秤更多的开始使用电容式的称重传感器,而小量程高精度的电子秤则开始使用了音叉振弦式的传感器,电磁力传感器也开始广泛的使用于电子天平中了。
日本的新光电子株式会社和大和制衡公司已经开始大规模在电子秤生产中使用振弦式的传感器。
但是,由于电阻应变式传感器的技术比较成熟,所以电阻应变式的传感器仍然是当前电子秤的主流传感器。
电阻应变式传感器在近几年也有着不小的发展,美国托利都公司推出的新一代电阻应变式传感器已经具有自动补偿和数据传输等功能[7]。
我国在自动衡器方面的技术水平已经和国际相差不大,但在产品的工业设计、工艺水平和标准化方面和国际的差距还是较大。
我们应该对于如何面对世贸组织的要求与国际接轨方面引起足够的重视。
我国的传感器制造发展较快,但是在制造用的辅助材料方面国产化较差,电子衡器的发展很受这些因素的影响,所以应该加快材料的国产化。
同时,由于使用于复杂环境中(易燃易爆、超低温、超高温)的电子衡器用户量大量增长,我国在这方面也应该加快发展[8]。
电子衡器有以下几个方面的发展趋势:
(1)普遍采用微处理器和专用集成器件,小体积,低功耗,低成本,易形成工业化规模化生产。
(2)称重传感器自动贴片、溅射工艺应用,向电子化自动补偿方向发展。
(3)带计量检定标记的电子衡器正在兴起,使电子衡器的可靠性越来越高。
(4)自动衡器将成为衡器市场的重要组成部分。
(5)在显示技术方面为用户提供数据和图像显示,CRT,LCD屏幕显示越来越普及。
称重传感器的稳定性、准确度和环境适应性不断的增强而价格却在不断地下
降[8]。
微电子技术的不断发展使得电子秤的数据处理能力不断增强,同时具有自适应和自诊断功能的电子秤也已问世。
在法制计量的管理上,由于新技术的不断进步使得制造商、立法者和用户之间越来越需要相互合作和配合。
1.3本论文的研究内容及结构安排
本设计实现的方法是利用应变式电阻压力传感器在受到外力作用时产生差动信号,然后把差动信号通过处理(放大、A/D转换)后,传入单片机对其进行控制,单片机把数字信号再转换回实际重量后控制液晶显示屏进行显示重量,如
果有设置单价则计算出总价并显示,从而完成整个称重过程。
按照电子秤设计的基本要求,本设计的电子秤系统结构可分为:
数据采集、单片机控制、人机交互
(显示和键盘)模块、模-数转换构成,模拟信号放大和电阻应变式压力传感器组成了数据采集模块。
AT89C52单片机的电路及其外围电路组成控制模块。
LCD1602显示和4X4键盘组成使用者与电子秤交互模块。
单片机控制模块完成对传感器采集回来的信号处理,并且驱动LCD1602显示模块和4X4键盘模块实现人机交互功能。
在拓展功能设计上,本电子秤设计增加了超过10KG报警和去皮、计价等功能。
本论文各个章节分别介绍了研究意义、总体方案选型、系统硬件设计、系统软件设计和实际调试,并在最后对本次设计的过程和结果进行了总结,指出了设计过程中的不足和改进方向。
2系统方案设计
2.1系统总体设计方案比较与论证
对于电子秤的硬件结构,我有三种设计方案,下面是三种方案的对比。
方案一:
使用LED数码管作为显示模块,显示物体的称重重量。
配合称重模块和自带模数转换的单片机实现电子秤的功能。
优点:
硬件部分简单,电路上只有输入和输出关系,显示简洁。
大大减少了编程量。
缺点:
只能简单的显示重量,用户不能输入信息,无法根据实际情况调整控制参数。
而且LED数码管由于显示的位数限制,不能完整的显示单价,总价等。
系统过于简单,限制了外部拓展。
电子秤功能过于单一不能满足设计要求。
方案二:
使用LED数码管作为数据输出显示模块,增加4X4矩阵键盘用于设置单价。
增加了键盘输入人机交互,使得用户可以输入物品单价,从而实现计价的功能。
由于数码管的显示位数的局限性,导致只能显示单价和总价。
而且如果使用普通的四位数码管的话,显示物体重量的精度也会受到显示位数的限制,所以如果想要显示的精确就必须使用较多的数码管。
在电路设计时就需要增加更多的I/O接口,使接线变得复杂不美观。
方案三:
使用信号放大和转换处理前端信号,同时配合使用LCD1602液晶
屏作为显示模块和键盘输入模块。
通过压力传感器产生电压信号,经放大电路把信号放大后输入A/D转换芯片进行数据转换,再将得到的数字信号送至单片机进行处理并送入液晶显示。
不仅满足了设计的要求,而且能够把单价,总价,重量显示在显示屏上,极大的增强了人机交互的能力。
通过信号处理芯片把信号放大、转换后送入单片机,由单片机对测量的信号进行处理并根据相应的公式转换显示出被测物体的重量。
采用单片机对采集的数据稍加处理,能通过软件在一定程度上弥补与调试硬件所无法避免的数据抖动,使最终所测得的数据更可靠、参考性更强,而且单片机的价钱也不算昂贵。
电路较为复杂,给系统设计带来一定难度。
图2.1LCD显示的方案
鉴于本设计要求和成本计算,在设计时选择方案三。
2.2硬件的方案设计与选型
2.2.1传感器
传感器(英文名称:
transducer/sensor)是一种用于检测的装置,检测被测信息将其转换成电信号,或者根据一定的规则,将信息转换成别的形式的信息,以便进行远距离的传输、处理、存储、显示和控制。
实现自动检测和自动控制的第一步是传感器。
压力传感器是电子秤中最主要的一个元器件。
因为它关乎着电子秤的量程、精度等性能。
市场上使用和出售的电子秤主要使用的压力传感器有电容式、电阻应变式和压电式压力传感器等。
在称重传感器的选型时应该充分考虑其精度、灵敏度、稳定性、安全等级、安装环境是不是满足设计的要求。
再在其中选择最适合设计要求的型号。
以下是三种称重传感器的比较:
(1)电容式压力传感器是把金属薄膜和一个固定的电极形成一个类似电容的结构,当承受重量时,金属弹性原件将发生微小的位移,从而引起电容内部的电容量的变化,用外部测量电路得到变化量从而求得重量。
这种传感器的精度和灵敏度高但其寿命一般只有几年,而且不稳定,容易受到外界非人为因素的干扰。
(2)压电式压力传感器是利用正压电效应制成的,当内部晶体受到压力的时候,内部将产生正、负电荷的相对位移,使晶体的两端生成不同极性(正级、负极)的电荷,其密集程度与测量的重量相对应,从而进行测量。
这种传感器不但稳定性好而且精度和灵敏度都很高,但是它的缺点是量程较小,不能用于大吨位的测
量,一般使用于医疗器械上。
(3)电阻应变式压力传感器的原理是粘有电阻应变片的弹性元件(一般为金属)受到重物或者外力而发生微小形变时导致电阻值发生变化,从而用于测量重力。
这种传感器的稳定性非常好,可以在比较差的条件中使用,而且其精度和准确度也不低[9-10]。
基于精度、成本等要求,我最终选择了CZL-A10KG的电阻应变式压力传感器。
额定载荷(kg)
精度等级
C2
10kg
绝缘电阻(MΩ)
≥5000(100VDC)
表2.1传感器技术参数
综合误差(%F.S)
0.02
激励电压(V)
4~12v(DC)
灵敏度(mv/v)
2±
0.01
温度补偿范围(℃ )
-10~+40
非线性(%F.S)
0.03
使用温度范围(℃)
-35~+65
滞后(%F.S)
零点温度影响(%F.S/10℃)
重复性(%F.S)
灵敏度温度影响(%F.S/10℃)
蠕变(%F.S/30min)
安全过载范围(%F.S)
120
零点输出(%F.S)
±
2
极限过载范围(%F.S)
150
输入阻抗(Ω)
405±
5
防护等级
IP65
输出阻抗(Ω)
350±
电缆线(屏蔽电缆线)
φ3,0.42m
根据上表得出CZL-A10KG电阻应变式传感器的精度为0.02%*10KG=2g。
由于使用的是4.5V供电电压,所以满量程输出电压=4.5V*2mv/v=9mv。
也就是当称重重量为0-10KG时,对应的输出电压为0-9mv,是一种线性的对应关系。
电阻应变式压力传感器是由一块贴有电阻应变片的金属弹性块和电线构成,其内部使用的一般是惠更斯电桥[11]。
当收到重物给予的压力时,金属弹性块就会带动电阻应变片发生微小形变,导致电阻的阻值发生变化,使电桥失去平衡,产生差动信号,供单片机控制电路处理[12]。
当垂直于传感器的压力P把金属弹性元件向下压时,金属块将发生微小形变,使得贴在上面的电阻应变片R1、R3受到压力弯曲拉伸,阻值增加;
R2、R4被压缩,阻值减小.从而使电桥失去平衡,产生差动电压信号,电压信号与作用于传感器上的P的大小成正比,将重物的压力转换成相应的电信号输出,供单片机进行处理。
其工作原理图如下图所示:
图2.2压力传感器工作原理
2.2.2放大器和A/D转换
由于传感器输出的电压很小一般只有几毫伏。
即使使通过电桥电路转换后的信号还是不够被单片机控制。
所以一般都需要放大模块来放大信号和对信号进行模-数转换,转换成数字信息送入运算器,在控制器的控制下,对数据进行基本运算和逻辑判断。
使用差分比例运放电路
使用三极管搭建一个差分比例运放电路,对微小的电压信号进行放大。
并需要在后面加上一个A/D转换模块,把放大后的模拟信号转变成数字型号,送入单片机控制。
一般的运放放大效果不是很好,而且电路设计较为复杂。
图2.3差分比例运算电路
使用HX711A/D转换模块对信号进行放大和转换
HX711是一款24位的A/D转换器芯片。
但是HX711比一般的A/D转换模块多了稳压电源和放大电路,集成度更高,抗外界干扰的能力更强,使得外围的电路减少了很多,在很大程度上提高了电路的稳定性,同时减轻了设计和焊接电
路的难度,系统板上无需为传感器提供额外的电源,使整块电路板线路更加简洁,美观。
HX711与AT89C52单片机的接线也比较简单,可以使用IO口驱动控制信号,不需要再对内部的寄存器进行编程,使得程序部分更加简洁易编写。
HX711A/D转换模块特点:
(1)芯片内置放大器,可选放大倍数为32倍,64倍和128倍
(2)芯片内部提供4.5V稳压电源供外部模块使用
(3)上电自动复位电路
(4)简单的数字控制和串口通讯
(5)可选择10Hz或80Hz的输出数据速率
(6)同步抑制50Hz和60Hz的电源干扰
(7)典型工作电流:
<
1.6mA,断电电流:
1µ
A
(8)芯片工作电压范围:
2.6~5.5V
(9)芯片工作温度范围:
-40~+85℃
在程序中选用了128的放大倍数,当输出电压为满量程电压9MV时,放大后的电压为1152mv,经过AD转换后输出的24bit数字值最大为1152mv*2^24/4.5v≈
4294966。
2.2.3单片机的选型
在选择单片机型号时,以下几个因素是选择的关键:
(1)货源是否充足
系统设计人员只能在市场上提供了的微控制器的选择,特别在大批量的生产中,所选择的单片机型号应该有着大量、稳定的货源。
(2)单片性能是否符合设计
应根据该系统和各种芯片功能要求,选择系统规范的最易实现的型号,并最可能的实现高性能。
MCU的特性包括硬件资源,速度,可靠性,指令功能,尺寸和包装等。
应该选择能满足设计要求的单片机型号。
(3)研发时间
在开发时间较为紧张,任务繁重的情况下。
选单片机型号时,应该注意选择的单片机型号是否熟悉,是否能马上着手开发。
同时,开发工具的好坏和熟悉程度也将在极大程度上决定研发时间的长短。
(4)成本
在开发经费不是很充足的情况下应该考虑单片机的价格。
在能满足设计要求的基础上选择成本较低的型号。
影响开发成本的除了微控制器的价格,同时还包
括硬件和软件设计的工作量,以及开发工具的价格。
目前单片机的主要产品有:
Intel的8051系列、Motorola的M68HC系列、
Philips的80C51系列、Atmel公司的AT90系列、台湾义隆公司EM78系列、美国Microchip公司的PIC系列、Ubicom公司的Scenix、日本爱普生科技公司的Epson、美国国家半导体公司的NSCOP8、台湾Winbond公司的W78系列等。
由于MCS-51系列单片机具有体积小、可靠性强、功能齐全、性价比高、开发应用方便等特点,所以MCS-51系列单片机为目前主流产品[13-14]。
在众多的单片机中。
我选择了ATMEL公司开发的AT89C52单片机。
首先是因为在大三上学期的时候我们学过MCS-51单片机这一门必修课。
我对于51单片机的各I/O口的作用和C语言编程较为熟悉。
而AT89C52单片机和51单片机的指令、管脚5完全兼容,更加容易上手,大大减少了开发时间。
而且AT89C52单片机的市场货源充足,各种参考资料也很多。
同时,AT89C52单片机完全满足电子秤设计的所需的性能要求。
2.2.4显示模块选型
在显示器的选择上我有2种选择方案。
方案一 LED显示
LED是通过内部电路控制发光二极管,显示包括:
数字、字母、图形在内的各种信息。
LED显示器的结构:
LED数码管内部是由发光二极管排列而成。
可以显示数字0到9。
市场上有
2中LED,一种是共阳极,另一种是共阴极,这两种LED在发光上无区别,共阴极LED显示段的阴极都接GN
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- 毕业设计 基于 51 单片机 电子秤 设计