电子称设计软件设计.docx

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电子称设计软件设计

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ThesoftwaredesignoftheElectronicscale

总计毕业设计（论文）53页

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插图19幅

摘要

随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。

为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，在本设计中将智能化、自动化、人性化用在了电子秤重的控制系统中。

本系统主要由单片机来控制，测量重量部分由传感器及A/D转换器组成，加上显示单元，此电子秤具备了功能多、性能价格比高、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。

作为重量测量仪器，智能电子秤在各行各业开始显现其测量准确，测量速度快，易于实时测量和监控的巨大优点，并开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量称，成为测量领域的主流产品。

本系统以AT89C51单片机为中央处理器，辅以外围模拟、数字电路功能模块、显示电路等构成智能称重系统，从而实现从接受传感器传来的信号到最后的显示输出，可以说,此设计所完成的电子秤很大程度上满足了应用需求。

关键词：

智能化AT89C2051传感器A/D转换器LED显示器

ABSTRACT

Withtheapplicationofmicro-electronicstechnology,traditionponderationinstrumentusedinmarkethasbeennotsatisfactionwithhunmanrequirementsalready.Inordertomakeupforthetraditionalapparatusshortcoming,weimprovetheapparatus'scontrolsystemwithintelligenceandautomation.Thissystemismainlycontrolledbymicrocontroller,thesectionofheightmeasurementaccomplishbysupersonicsensor,thesectionofweightmeasurementaccomplishbyweightsensorandA/Dtransformer,thisapparatushavemanycharacteristicsuchashavingmorefunction,consumelessenergy,smallandmoveeasily,lowprice,measureprecisely,thespeedisquick,automaticworkwithoutpeopleandsoon.

Asaweightmeasuringinstruments,intelligentelectronicscaleinallwalksoflifebegantoshowitsmeasurementaccuracy,highspeed,easy-to-real-timemeasurementandmonitoringofthegreatadvantages,andbegantograduallyreplacethetraditionalmechanicalmeasurementofsaidlever,ameasurementofthemainstream.

ThesystemismainlycontrolledbythemicrocontrollerAT89C51,theperipheryisconsistofexternalanaloganddigitalcircuitmodules,displaycircuitandsoanintelligentweighingsystem,inordertoachievethesignalcomingfromacceptancetothefinalsensor'sdisplayoutput.Itcanachieveallfunctionoftheapparatus.

KEYWORDS:

intelligence;AT89C51;acceptance;A/Dconverter;LEDDisplay

第一章概述

1.1选题的依据及课题的意义

称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。

电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。

称重装置不仅是提供重量数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，推进了工业生产的自动化和管理的现代化，它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。

称重装置的应用已遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效益。

因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。

物料计量是工业生产和贸易流通中的重要环节。

称重装置或衡器是不可缺少的计量工具。

随着工农业生产的发展和商品流通的扩大，衡器的需求也日益增多，过去沿用的机械杠杆秤己不能适应生产自动化和管理现代化的要求。

自六十年代以来，由于传感器技术和电子技术的迅速发展，电子称重技术日趋成熟，并逐步取代机械秤。

尤其是七十年代初期，微处理机的出现使电子称重技术得到了进一步的发展。

快速、准确、操作方便、消除人为误差、功能多样化等方面已成为现代称重技术的主要特点。

称重装置不仅是提供重量数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，推进了工业生产的自动化和管理的现代化，它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。

称重装置的应用已遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效益。

同时对称重仪表的要求也越来越高，要求仪表有更高抗干扰能力、更高的精度。

基于电子秤的现状，本文拟研究一种用单片机控制的高精度数字电子秤设计方案。

这种高精度数字电子秤计量准确，能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。

1.2研究概况及发展趋势综述

50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。

60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过40多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。

我国电子衡器的技术装备和检测试验手段基本达到国际90年代中期的水平。

电子衡器制造技术及应用得到了新发展。

电子称重技术从静态称重向动态称重发展：

计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。

但就总体而言，我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。

通过分析近年来电子衡器业的发展和市场需求，电子称已趋向于小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。

第二章方案论证及总体系统模块设计

2.1基本原理

电子称的总体设计思想：

以AT89C51单片机为中央处理器，辅以外围模拟、数字电路功能模块，实现从接收传感器传来的信号到最后的显示输出。

2.2系统框图设计

根据系统要求画出结构功能框图，如图2.2所示

图2.2结构功能框图

2.3模块设计

本系统大致可分为七部分，单片机部分、传感器部分，信号放大电路部分、AD转换器部分、看门狗电路部分、数码显示电路部分、通信接口部分。

第三章硬件电路设计

3.1单片机的选择

AT89C2051是低电压、高性能的CMOS8位微控制器，片内含有2KB的flash可编程且可擦除的只读存储器。

具有低功耗，价格便宜等特点，其引脚结构如图3.1所示。

图3.1AT89C2051引脚排列

3.2看门狗电路设计

本电路采用IMP公司生产的价格低廉的IMP813L微处理监控芯片作为复位控制器。

它的接口电路如图所示。

IMP813L兼有“看门狗”的功能，当程序发生“飞逸”或“死机”时，“看门狗”可使程序复位。

它具有独立的“看门狗”定时器，如果“看门狗”输入（WDI）在1.6s内无变化，就会产生看门狗复位输出；；掉电或电压低于1.25v时，产生掉电输出；上电时能产生200ms宽的复位脉冲。

IMP813L的接口电路如图3.2所示

图3.2IMP813L接口电路图

3.3传感器的选择

在选择传感器时，主要应考虑组成称量系统的量限、精确度、传感器的安装空间，周围环境对传感器可能产生的影响、加载的类型以及传感器的寿命等方面因素。

本系统选用的传感器为电阻应变式传感器，为中间是双连椭圆构成应力集中全理的力学结构，将应变片贴在中间位置。

应变片构成桥式结构，四根引线分别接电桥激励电源和信号处理系统。

传感器采用E350—ZAA箔式电阻应变片，其常态阻值为350Ω,，它具有粘合情况好、散热能力较强、输出功率较大、灵敏度高等特点，量程为150kg，精确度为0.03级，激励电源为5V.

3.45V及6V电源设计

由于单片机、A/D转换器等系统部件都需要5V电源，可利用9V直流电源，采用7805三端固定集成稳压器来获得5V电源，采用7806三端固定集成稳压器来获得6V电源。

三端集成稳压器具有体积小，使用方便，内部含有过电流和过热保护电路，输出电压稳定，使用安全可靠等特点。

本设计在输入端介入0.1μF的电容，是为了在负载电流瞬时增减时，不致引起输出电压有较大的波动。

电路设计如图3.4所示

图3.45V及6V电源设计

3.5参考电源设计

参考电源是一种用来作为电压标准的的高稳定性的电压源。

本设计采用5v的参考电源作为A/D转换器提供参考电压并给传感器桥路供电。

LM336-5是高精度、低温度漂移的基准点压电路，以分流稳压器方式工作，输出电压+5.0v。

由于A/D转换器中所需的基准电压要求比较高，所以选用可调式基准电压LM336来稳定输入的电压，调节电位器VR1可获得精密、低温度系数的电压输出V5BRIREF，如图3.5所示

图3.5参考电源电路图

3.6信号放大电路

本设计的信号放大电路主要分为两部分，第一部分是由AD623仪表放大器组成的前端放大电路，第二部分是由LM358组成的后端放大电路

AD623是一个集成单电源仪表放大器，它能在单电源（+3～+12V）下提供满电源幅度的输出。

AD623允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到更好的灵活性，且符合8引脚的工业引脚配置。

在无外接电阻条件下，AD623被设置为单位增益（G=1）；在介入外接电阻后，AD623可编程设置增益，其增益最高可达1000倍。

AD623的引脚排列如图3.6.1所示

图3.6.1AD623的引脚排列

如图3.6.2所示AD623信号放大部分的电路图，传感器桥路的差分号为QQ2和QQ1，R1和C1，R2和C7起滤波作用，AD623由6V电源V6CB供电，C3和C4为电源的去耦电容，本电路中放大倍数为

（式中R4、VR2为R4和VR2的电阻值）

在使用中，可通过调整VR2的电阻值得到想要的放大倍数。

需要说明的是由VR6和R5组成的电路，由于传感器桥路也由V5BRIREF供电，该电路实际上相当于与桥路电测一支并联，起到调节桥路输出信号的作用，由VR5和R3组成的电路也是如此。

图3.6.2AD623信号放大电路图

LM358（引脚排列见图3.6.3）内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。

在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用范围传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的运算放大器的场合。

为了方便理解，LM358可看做两个运放，本设计所使用的LM358电路如图3.6.4所示，可以通过调整VR3和VR4的值来调整放大倍数

图3.6.3LM358引脚排列

图3.6.4LM358电路图

3.7TLC2543A/D转换芯片

考虑到测量精度、体积及性价比等因素，本设计选用TLC2543作为A/D转换芯片。

TLC2543是TI公司生产的11个输入端的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。

具有转换快、稳定性好、接口简单、价格低等优点。

TLC2543芯片有20引脚双列直插封装，其引脚排列如图3.7.1所示。

图3.7.1TLC2543引脚图

TLC2543芯片各引脚功能说明如下：

1、AIN0～AIN10：

11路模拟信号输入端；

2、CS：

片选段，低电平有效；

3、DATAINPUT:

数据串行输入端；

4、DATAOUT：

数据串行输出端；

5、EOC：

转换结束标志端

6、I/OCLOCK:

I/O时钟输入端；

7、REF+：

基准电压正端；

8、REF—：

基准电压负端；

9、VCC:

电源；

10、GND：

电源地。

TLC2543的控制字是从DATAINPUT端串行输入的8位数据，它规定了TLC2543要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度以及输出数据的格式。

其中高4位（D7～D4）表示通道号。

对于0通道至10通道，该4位为0000H～1010H;当为1011～1101时，用于对TLC2543的自检，分别测试（REF+REF-）/2、REF+、REF-的值；当为1110时，TLC2543进入休眠状态。

低4位决定输出数据长度及格式，其中D3、D2决定输出数据长度，01表示输出数据长度为8位，11表示输出数据长度为16位，00及10表示输出数据长度为12位。

D1决定输出数据是高位先送出还是低位先送出，为0表示高位先送出，为1表示低位先送出。

D0决定输出数据是单极性（二进制）还是双极性（2的补码）。

若为单极性，该位为0，反之为1。

通电后，片选CS必须从高到低变化，才能开始一个周期的工作，此时EOC为高，输入数据寄存器被置为0，输出数据寄存器的内容是随机的。

开始时，片选CS为高，I/OCLOCK、DATAINPUT被禁止，DATAOUT呈高阻状态，EOC为高。

使CS变低，I/OCLOCK、DATAINPUT使能，DATAOUT脱离高阻状态。

12个时钟信号从I/OCLOCK端依次加入，控制字从DATAINPUT一位一位的在时钟信号的上升沿被送入TLC2543（高位先送入），同时上一周期转换的A/D数据，即输出数据寄存器中的数据从DATAOUT一位一位地移出。

TLC2543收到第四个时钟信号后，通道号也已收到，此时TLC2543开始对选定通道的的模拟量进行采样，并保持到第12个时钟的下降沿。

在第12个时钟的下降沿，EOC变低，开始对本次采样的模拟量进行A/D转换，转换时间约需10μs。

转换完成后EOC变高，转换的数据在输出数据寄存器中，待下一个工作周期输出。

此后，可以进行新的工作周期。

对TLC2543的操作，关键是清理接口时序图和寄存器的使用方式。

下图是TLC2543的接口时序图。

从图中可看出，在片选信号CS有效地情况下，首先要根据A/D转换的功能需要配置要输入的数据。

需要注意的是，在读数据的同时，TLC2543将上一次转换的数据从数据输出口伴随输入时钟输出。

为了提高A/D采样的速率，可以采用在本次采样的同时，将上次A/D采样的值读出的办法。

图3.7.2TLC2543的工作时序图

3.8RS-232通信接口的设计

考虑到成本和通用性，本设计采用RS-232接口实现单片机与PC的通信。

图3.8为本设计中MAX232的接口电路图。

图3.8MAX232的接口电路图

3.9数码显示电路的设计

本设计采用数码管显示测量信息，使用四片74HC164芯片驱动四位数码管显示器，显示测重的四位结果（百位到小数点后一位）。

74HC164为串入并出译码器，其中A、B为串行数据输入端，2个引脚按逻辑与运算规律输入信号，共一个输入信号时可并接。

CLK为时钟输入端，每一个时钟信号的上升沿加到CLK端时，移位寄存器移一位，8个时钟脉冲过后，8位二进制数全部移入74HC164中。

MR为复位端，当MR=0时，移位寄存器各位为0，只有当MR=1时，时钟脉冲才起作用。

Q0-Q7为并行输出端，分别接到LED显示器各段对应的引脚上。

AT89C2051通过引脚输出的BCD串行码经过74HC164译码输出为七段BCD码，直接与LED的a-g相连，LED数码管选用共阳极型。

图3.9给出了本次设计中的数码显示电路的一部分

图3.974HC164与数码管的接口连接

第四章软件电路设计

4.1电子称的工作过程

1）将称放在平整的地面上，按下电源开关启动电子称工作

2）等待2s，当看到显示屏上显示0.0kg时，即可进行称重

3）上称约3s，显示屏显示的体重会稳定，此时可以获得当前的重量

4）下称，数据不会马上消失，保留约2s，方便下称后读取重量

在电子称的软件设计中，把整个程序按照功能分为几个模块：

主程序、测重模块、数码显示模块、串口通信模块。

4.2主程序设计

图4.2.1系统主程序流程图

主程序的流程图如图4.2.1所示，主程序中，主要是进行系统的初始化工作及按需要调用各模块（子程序），初始化程序将RAM的30H～68H内存单元清零，设置了通信方式，同时设置了M1M0=01定时器T0的工作方式为方式1，构成了16位定时器/计数器。

而定时器T1用于波特率发生器。

串行口工作于方式1，为8位异步通信接口方式。

程序清单如下：

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG000BH

LJMPTIME0

ORG0030H

MAIN:

CLREA

CLRTR0

CLRTR1

MOVSP,#6AH

LCALLERST;显示初始化

CLRSECHS

MOVP1,#0FFH

MOVP3,#0FFH

MOVTMOD,#00100001B;定时器T0:

方式1；

定时器T1：

方式2

MOVTH0,#4CH;定时器T0定时50ms

MOVTL0,#1DH

MOVTH1,#0FDH;定时器T1用于波特率发生器

MOVTL1,#0FDH;波特率为9600bit/s,初值为FDH

MOVSCON,#01010000B;串行口工作方式1，允许接收

LCALLWATCHDOG;喂狗

MOVA,#00H

MOVR0,#30H

qing:

MOV@R0,A

INCR0

CJNER0,#68H,qing;给内存单元30H~68H清零

MOVCOUNT1,#3CH;定时器0定时3s需计数60次

MOVCOUNT2,#28H;定时器0定时2s需计数40次

MOVCOUNT2,#05H;定时器0定时0.25s需计数5次

LCALLCONFIG;测量空载重量

CLRG2

SETBINZWEIS;置位有人上称标志

CLRBESTEAD;清稳定显示标志

CLRSTCHANGE;清下称标志

CLRsave

CLRFF;清发送标志

LCALLWATCHDOG;喂狗

LOOP:

LCALLSAMPLE;采样

LCALLWATCHDOG;喂狗

LCALLCHULI;数据处理

JBINZWEIS,lyue

JBBESTEAD,SSRR

lyue:

JBBELOW2,FFGG

LJMPGGHH

4.3子程序设计

子程序主要包括测重子程序、A/D转换启动及数据读取程序设计、数码管显示功能子程序、串口通信子程序。

4.3.1测重子程序

图4.3.1测重模块程序流程图

测重模块是实现整个系统功能的最重要的模块，它主要是实现重量测量及显示功能。

上称时间超过3s即能稳定显示重量。

当采样值小于2.0kg时，如果人称重时间在3s以内，则应该显示0.0kg；如果人称重时间大于3s（BESTEAD=1）,则显示值应该保持。

采样值大于2.0kg时，如果人称重时间在3s以内，则应该实时显示，如果人称重时间大于3s，则本次采样值与上次相比，差值在-0.5kg～+0.5kg范围内，则显示值不变，否则显示新值。

程序清单如下：

FFGG:

JBSECHS,dpy1

LJMPdpy2

dyp1:

LCALLERST

CLRSECHS

LCALLWATCHDOG

dyp2:

LJMPaaaa

GGHH:

JNBINZWEIS,VVUU

LJMPUUTT

VVUU:

MOVR2,22H

MOVR3,23H

MOVR6,#00H

MOVR7,#32H

LCALLDADD

MOVA,R4

MOVR2,A

MOVA,R5

MOVR3,A

MOVR6,DISPH

MOVR7,DISPL

LCALLDSUB

JCUUTT;本次采样值比上次大0.5kg以上，转UUTT

MOVR2,22H

MOVR3,23H

MOVR6,#00H

MOVR7,#32H

LCALLDSUB

MOVA,R4

MOVR6,A

MOVA,R5

MOVR7,A

MOVR2,DISPH

MOVR3,DISPL

LCALLDSUB

JCUUTT;本次采样值比上次小0.5kg以上，转UUTT

SSRR:

MOVDISPH,22H

MOVDISPL,23H

UUTT:

CLRC

LCALLBCD

JBSECHS,dpy3

LJMPdpy4

dpy3:

LCALLTRANSRAM

CLRSECHS

LCALLWATCHDOG

dpy4:

JNBBESTEAD,HHII

aaaa:

MOVR6,#00H;19H为1kg将零点与其比较判断是否更新零点

MOVR7,#19H

LCALLSAMPLE

MOV58H,R4

MOV59H,R5

MOVR2,58H

MOVR3,59H

LCALLDSUB

MOVA,R4

MOVR2,A

MOVA,R5

MOVR3,A

MOVR6,CFIGH

MOVR7,CFIGL