单片机自动称重系统设计.docx

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单片机自动称重系统设计

摘 要

本文设计的单片机称重系以单片机为主要部件，用汇编语言进行

软件设计，硬件则以传感器、放大系统、A/D 转换系统、CPU 控制系

统、LED 显示系统、报警系统及键盘控制系统七个部分组成。

通过对

电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，将电压

量纲（V）改为重量纲（g）即成为一台原始电子称重系统，在此基础

上增加了 LED 显示、键盘控制及阈值报警功能，随时可改变上限阈值，

显示总重量的功能，使本产品智能化，符合现代社会电子信息化的要

求。

关键词：

单片机，传感器，A/D 转换，LED 显示，阈值报警

第 1 章 概述 ........................................... 3

第 2 章 工作原理 ......................................... 4

2.1 系统介绍 .......................................... 4

2.2 设计要求 .......................................... 4

2.3 系统组成框图 ...................................... 4

2.4 系统原理 .......................................... 4

第 3 章 硬件电路 ......................................... 6

3.1单片机 ........................................... 6

3.2 应变电阻式称重荷重传感器 .......................... 6

3.3 运算放大器 ........................................ 8

3.4 A/D 转换电路 ..................................... 10

3.5 键盘 ............................................. 12

3.6 静态显示 ......................................... 12

3.7 声光报警 ......................................... 13

3.8 硬件电路图设计 ................................... 15

第 4 章 系统软件设计 .................................... 16

4.1 查询子程序流程图 ................................. 16

4.2 系统总流程图 ..................................... 17

4.3 系统程序设计 ..................................... 17

4.4 声光报警：

 ....................................... 22

第 5 章 设计结果与展望 .................................. 23

5.1 结果 ............................................. 23

5.2 展望 ............................................. 23

第 6 章 结束语 .......................................... 24

第 7 章 致谢 ............................................ 25

参考文献 ................................................ 26

第1章 概述

随着城市现代化建设的不断发展，以往那种自行称重配料的方式

由于其用人工调整重量。

这样，一方面效率十分低下，称量结果精度

不高，另一方面，用手工在现场调节增加了工人的劳动强度，而其生

产环境十分恶劣，粉尘大。

因而必将为自动控制的称重系统所取代，

此称重系统中运用稳定可靠、小而廉的单片机，且单片机体积小，重

量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性

好，开发较容易。

本文提出的装置就是基于 MCS-51 单片机及其外围

电路所实现的。

第2章 工作原理

2.1 系统介绍

为保障物料称重系统的安全运行，获得准确的重量，必须对其运

行状态进行实时监控。

本系统选用了 5G14433 对采集数据做模数变换，

利用 MCS-51 型单片机控制，具有数字滤波、预置、检查称重值、光

电隔离、自动控制装载阀门以及声光报警等功能。

其流程包括：

预重

量值 →称重→下料。

2.2 设计要求

简述此次的设计要求如下：

设计一称重仪，对模拟器输出的微弱

信号（ 0~12mV）进行前级放大处理，再以较小的失真、误差来进行

A/D 转换，并要求具备较强的抗工频干扰能力。

最后利用单片机

AT89C51 对数字信号进行处理，控制数码管显示等。

要求浮动误差在

0~2.00%之内，显示值与输入信号值比值在 1.55~1.75 之内。

2.3 系统组成框图

称重传感器

LED 显示

8051 系统

放大器

控制及声光报警

A/D 转换器

图 2.1 系统组成框图

2.4 系统原理

为控制系统是一种采用单片机、专门用于工业自动定值配料的专

用控制器。

其系统原理图如图 2.2。

由图可以看出，系统由下面几个

部分组成：

（1）单片微型机（ 2）称量传感器（ 3）称量斗（4）储料

仓及下料装置。

系统在定值称量之前，需要操作者将各个储料仓物料

的定值量等相关的数据通过仪表的键盘送入仪表。

仪表在以后每次的

定值过程中均以自动方式进行。

当储料仓中所要的物料已准备好，系

统在得到启动命令后，将进入自动称料状态。

先打开大闸门，物料自

动注入称量斗，此时，传感器受压力，产生应变，并经测量电桥输出，

称量斗上的各电桥是以串联方式相连接的，电桥的总输出送至 MCS-51

系统进行 A/D 转换，将模拟量变成数字量，然后进行数据处理，并与

给定值进行比较，若称量值小于 90%预称量值，则继续放料，待称量

值大于等于 90%预称量值，则关闭大闸门，打开小闸门，直到称量值

等于预称量值，关闭小闸门。

而后打开称量斗的闸门，将料落下。

系

统将显示本次测量值。

大闸门

储料仓

小闸门

称量斗

∑n

MCS-51 系统

IN

图 2.2 系统原理

LED 显示

第3章 硬件电路

单片机称重自动控制系统的硬件包括单片机、重量检测电路、线

性放大电路、A/D 转换电路、显示器、键盘和其它一些电路等组成。

电路原理图见 3.8 硬件电路图设计。

3.1单片机

为了使测量过程实现微机控制化，采用 AT89C51 系列单片机，

AT89C51 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k bytes

的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据

存储器（RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生

产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash

存储单元，内置功能强大的微型计算机的 AT89C51 提供了高性价比的

解决方案。

AT89C51 是一个低功耗高性能单片机，40 个引脚，32 个外部双

向输入/输出（I/O）端口，同时内含 2 个外中断口，2 个 16 位可编

程定时计数器,2 个全双工串行通信口，AT89C51 可以按照常规方法进

行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合

在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。

3.2 应变电阻式称重荷重传感器

（1） 弹性元件

将应变电阻片贴在专门的传感部件——弹性元件上，即可组成不

同的荷重传感器。

这种传感器中，弹性元件为力敏元件，把被测量的

大小转换成应变量的变化，然后再把应变量的变化转换成电阻量的变

化。

弹性元件是荷重传感器的重要组成部分，应具备以下性质：

具有

较强的抗压强度，以便在高载荷下保证具有足够的安全性能,弹性好，

受力变形后具有良好的重复性和稳定性；残余应力小，并具有均匀而

稳定的组织，而且是各向同性；抗疲劳性好；受温度影响小，易于机

械加工及热处理。

这个系统中选用的是柱式传感器中的柱形传感器。

其结构是在圆

筒上按一定方式贴上应变片。

为提高灵敏度，常采用空心的圆筒。

设

计传感器的关键问题是根据额定载荷 W 及材料的允许应力δ ，便可求

出产生的应变力为ε =δ /E = Wg/AE 式中, Wg——载荷的重量

A——圆柱形传感器的横截面积

E——弹性模量

δ ——材料的允许应力

ε ——产生的应变

采用柱式结构的传感器的测量范围为几百公斤到 100 吨，精度可

达±0.5%～0.3%左右。

下图 3.1 为一空筒型柱式传感器的结构图。

被

测力通过压头 1 直接作用在粘贴有电阻应变片的弹性体 7 上，使弹性

元件发生形变，粘贴在其上的电阻应变片δ 阻值发生相应的变化，致

使电桥失去平衡。

因而使电桥输出与被测力成正比的信号。

10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

图 3.1   空筒型柱式传感器的结构图

1——压头

2——上盖

3——膜片

4——外套

5——过载保护套

6——电阻应变片

7——弹性体

8——底座

9——下压头

10——接线盒

（2）应变检测桥路的连接方法

应变式传感器电阻的变化主要用电桥来测量。

随着应变片粘贴数

量的不同，其桥路的连接方法也不同。

这里使用的是四个应变片，其

粘贴展开图如图 3.2（a），桥路连接方法如图 3.2（b）。

R1

R2

ΔVo

R1R2

R3  R4       Vi

R3

R4

图 3.2（a）粘贴展开图

3.2（b）桥路连接方法

（3）应变检测桥路的补偿

粘贴在弹性元件上的应变片接成桥路后，要求在不受外力作用时，

桥路的输出为零，但由于应变片阻值的分散性，粘贴工艺的差别，温

度的影响等等，均会造成一定的误差。

因此，当桥路连接完以后，必

须进行一系列的调整，即所谓零点补偿、温度补偿、弹性模量及灵敏

度补偿。

3.3 运算放大器

由于压力传感器输出的电压信号为毫伏级，所以对运算放大器精

度的要求很高。

方案一：

高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。

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 （ 如 OP07） 做

成一个差动放大器，如图 3.3 所示。

图 3.3 OP07 构成的差动放大器

电阻 R1 、 R2 电容 C1 、 C2 、 C3 、 C4 用于滤除前级的噪

声， C1 、 C2 为普通小电容，可以滤除高频干扰， C3 、 C4 为大

的电解电容，主要用于滤除低频噪声。

但其电路复杂，需要的元器件多，成本较高。

方案二：

选用仪表放大器 INA121 芯片。

其内部结构图如图 3.4 所

示：

图 3.4 INA121 内部结构图

INA121 是 Texes Instruments BB 公司生产的 FET 输入、低功耗

仪器放大电路，性能优越。

前置放大电路的放大倍数设置为 50。

较

小的前置放大倍数可以避免极化电压的影响。

电压放大电路的放大倍

数设置的较高（取为 100~200 倍），则可以保证总的放大倍数。

采用仪表放大器 INA121 构成的电路简单，元器件少，成本较低。

3.4 A/D 转换电路

该系统选用了 5G14433 转换器做模/数转换。

5G14433 是采用双

重积分转换原理一路模拟量输入、输出为 3 位半 BCD 码的转换器。

它

的特点是结构简单、外接元件少、抗工频干扰能力强、精度稍高、但

转换速度慢（为 20ms 左右）。

在对速度无多大要求的应用系统中得到

广泛使用。

MC14433 是美国 Motorola 公司推出的单片 3 1/2 位 A/D 转换器，

其中集成了双积分式 A/D 转换器所有的 CMOS 模拟电路和数字电路。

具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等

特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容

件即可构成一个完整的 A/D 转换器，其主要功能特性如下：

·精度：

读数的±0.05%±1 字

·模拟电压输入量程：

1.999V 和 199.9mV 两档

·转换速率：

2-25 次/s

·输入阻抗：

大于 1000MΩ

·电源电压：

±4.8V—±8V

·功耗：

8mW（±5V 电源电压时，典型值）

·采用字位动态扫描 BCD 码输出方式，即千、百、十、个位 BCD

码分时在 Q0—Q3 轮流输出，同时在 DS1—DS4 端输出同步字位选通脉

冲，很方便实现 LED 的动态显示。

MC14433 的内部结构图如图 3.5 所示：

图 3.5MC14433 内部结构图

模拟电路部分有基准电压，模拟电压输入。

模拟输入电压量程为

199.9MV 或 1.9999V 两种，对应的基准电压为+200MV 和+2V。

由于 5G14433 转换结果的输出是连续的，所以必须通过并行接口

与其相连接。

采用连续转换方式，每次转换结束，在EOC 端输出一正

脉冲，经反相后作为单片机 AT89C51 的外部中断-INT1 的请求信号。

当 5G14433 的时钟为 50kHz 时，EOC 输出脉冲的宽度为 10us。

AT89C51

采用边沿触发方式，因此要求输入的负脉冲宽度至少保持 12 个时钟

周期才能被 CPU 响应。

若 AT89C51 单片机采用 6MHz 晶振，则输入脉

宽应大于 2us，所以 EOC 输出的脉冲宽度能够满足要求。

在 EOC 脉冲

出现之后，接着按从高到低的顺序发选通脉冲 DS1～DS4，同时在 Q3～

Q0 端先后输出千、百、十、个位的 BCD 码数据。

由于 MC14433 的 A/D 转换结果是动态分时输出的 BCD 码，所以，

Q0~Q3 和 DS1~DS4 可以通过 8051 单片机的并行口 P1 或通过扩展 I/O

电路与其相连。

MC14433 与 8051 单片机的 P2 口相连的电路如图 3.6

所示；

图 3.6 MC14433 与单片机连接图

该电路采用查询方式管理 MC14433 的操作。

由于引脚 EOC 与 DU

连接在一起，所以 MC14433 能自动转换。

3.5 键盘

键盘由 1*4 的键列及相应的扫描电路组成。

列扫描信号是由单片

机从 P0.7 口串行输出，列码经 74LS164 移位寄存器变成并行输出，

74LS164 移位寄存器 8 个输出端中 3 位用于控制显示，余下的 5 位用

于对键盘列扫描进行控制。

同时，AT89C51 的 P0.7 口作为同步脉冲输

出控制线。

3.6 静态显示

该系统所采用的显示器由 4 位 LED 数码管和驱动电路组成，显示

的数是经过查表得到相应的显示段划码，再送到共阳极驱动电路，显

示位的控制是由计算机从 P3.1口串行输出位选码经 74LS164 移位寄存

器变成并行输出，74LS164 移位寄存器有八位输出端，用其中三位控

制位显示。

这种静态显示方式亮度大，很容易做到显示无闪烁。

静态

显示的优点是 CPU 不必频繁的扫描显示器。

单片机最小系统，是指在尽可能少的外部电路的条件下，形成一

个可以独立工作的单片机系统。

图 3.7 是单片机最小系统的原理图。

实现以下功能：

处理重量数据，实现重量的显示，控制数码管的显示。

1234

A

A

LED1LED2

LED3

LED4

500

R8    L8

abcdefgabcdefgabcdefgabcdefg H

500

R7     L7

0 1 2 30 1 2 3

3 4 5 6 1 1 1 1

0 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 740 1 2 3 4 5 6 7

1Q Q Q Q Q Q Q QQ Q Q Q Q Q Q QQ Q Q Q Q Q Q QQ Q Q Q Q Q Q Q

KKKK

LRLRLRLR

CMCMCMCM

4 4 4

1 1 1

4

1

500

500

R6     L6

R5     L5        VCC

1 28   91 28    91 28   91 28

9                                    500 R4     L4

B

B

500

500

R3     L3

R2     L2

+5

1

2

3

VCC

VCC

7

6

5

8

GND

VCC

6

4

C

3

9

4

3

2

1

R1

D1

L1          DB25

13

C

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

1

2

3

4

5

6

7

8

P10

P11

P12

P13

P14

P15

P16

P17

40

AT89C51

P00

P01

P02

P03

P04

P05

P06

P07

39

38

37

36

35

34

33

32

2

2

U

500

25

12

24

11

23

10

22

9

21

8

20

C

D

15

16

VCC

16PIN 15

S5

S

4

C

9

R

C3

10/10V

1K

C2

20P

6.00MHZ

13

12

14

18

17

16

INT1

INT0

T1

T0

EA/VP

X1

X2

RESET

RD

WR

1

5

7

8

1

U

20

P20

P21

P22

P23

P24

P25

P26

P27

RXD

TXD

ALE/P

PSEN

21 7

22 19

23 6

24 18

25 5

26 17

27 4

28 16

3

15

2

10 14

11 1

30

29                                                                  Title                                                                              D

Size

Number                                        Revision

A4

20P

Date:

File:

2008-4-26

Drawn By:

1

2                                                                  3

4

图 3.7最小系统原理图

3.7 声光报警

本系统对测量值超过预置的称重值时，可以给出报警信号，下面

既是实现声光报警功能的电路，此电路中采用一片时基集成电路

NE555，将其接成振荡工作状态。

平时，由于单片机的P3.7 口输出为

低电平。

即 555 复位脚“4”处于低电平，电路被迫停振，输出“3”

恒为低电平，扬声器无声，9018NPN 三极管截止，报警灯不亮。

一旦

出现越时，P3.7 口置 1。

这样，NE555 时基电路依复位端“4”的信号

变化，在它的输出端“ 3”产生出不同；频率的振荡输出，推动扬声

器工作，因此便可获得报警信号。

同时“ 3”端也推动三极管工作，

使报警灯同步点亮。

P3.74

+5V

10K

Vcc

TRIG   NE555   DIS

+15V

120Ω     9018

1uF

5

0.1uF

CVOLT          THR

GND

1

10K

SP

N

图 3.8

3.8 硬件电路图设计

第4章系统软件设计

4.1 查询子程序流程图

查询子程序流程图见图 4.1：

开始

P2 口送入 A

N

千位选通信号

DS1=1？

P2 送入 A

Y

DS4=1？

N

P2 口送入 A

Y

个位送入 21H 低 4 位

N

百位选通信号

DS2=1？

结束

Y

百位送入 20H 低 4 位

图 4.1 查询子程序流程图

P2 口送入 A

N

十位选通信号

DS3=1？

Y

十位送入 21H 高 4 位

4.2 系统总流程图

系统总流程图见图 4.2：

开始

调用查询子程序

千.百.十．个位放入 R1.

R2.R3.R4 中

调用显示子程序

返回

图 4-2 系统总流程图

4.3 系统程序设计

org 0000h

ljmp main

org 0020h

main:

lcall serve

zbcd:

mov a,20h;千位放入 R1

anl a,#10h

mov 40h,#0