罐装流水线中的自动称重系统设计报告1111.docx
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罐装流水线中的自动称重系统设计报告1111
SHANGHAIUNIVERSITY
课程设计（论文）
UNDERGRADUATEPROJECT（THESIS）
题目:
罐装流水线中的自动称重系统设计
学院
专业
学号
学生姓名
指导教师
起讫日期2015年9月1日-11月14日
摘要
随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。
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秤，成为测量领域的主流产品。
在设计中主要问题和技术难度在于如何实现高精度的测量，且所测结果的重复性好。
本文设计的电子秤以单片机为主要部件，用汇编语言进行软件设计，硬件则以应变式压力传感器为主。
秤重传感器输出的电量是模拟量，数值比较小，采用HX711高精度24位，自带放大电路，设计精度高。
A/D转换的结果送单片机进行数据处理包括软件滤波并显示。
其数据显示部分采用LCD显示，成本低且能很好地实现所要求的功能。
关键词单片机；高精度；软件设计；硬件设计
Abstract
Withtherapiddevelopmentoftechnologyofthetimes,theachievementsofmicroelectronicsandcomputersandothermodernelectronictechnologyplayhugeandrevolutionaryimpactonthetraditionalelectronicmeasuringinstrument.Asaweightmeasuringinstruments,intelligentelectronicscalehasshownitshighaccuracyandspeed.Ithasadvantagesinreal-timemeasurementandmonitoring,andbegantograduallyreplacetraditionalmechanicalscales.Intelligentelectronicscalehasbecomethemainstreamproductsinthefieldofmeasurement.
Inthispaper,themicrocontrollerisusedasthemainthecomponentoftheelectronicscale,Clanguageisutilizedasthesoftwareandthestraingaugepressuresensorisusedasthemainhardware.Becausetheoutputisanalogandthevalueofitisrelativesmall,HX711withprecisionis24bitsisusedasthemainADconverterandamplifier,theaccuracyofthescaleishigh.TheresultsofADconverteraresampledbythemicrocontroller,andtheinformationisfilteredanddisplayed.TheresultsareshowninLCD,thesystemhaslowcostandcanberealizedeasily.
Keywords:
Single-chipmicrocomputer;Highprecision;Thesoftwaredesign;Thehardwaredesign
目录
第一章绪论5
1.1自动称重系统概述5
1.2自动称重系统的发展现状与前景5
1.2.1国内发展现状5
1.2.2国外发展现状6
1.3课题研究的目的及意义6
1.4课题研究的内容7
第二章自动称重系统的总体设计8
2.1自动称重系统的工作原理8
2.2自动称重系统硬件选取8
2.2.1总控芯片的选取8
2.2.2显示器选取9
2.2.3键盘的选取10
2.2.4A/D芯片选取11
2.2.5压力传感器的选择13
第3章硬件系统设计14
3.1主芯片引脚连接14
3.1.2晶震电路设计14
3.2显示模块引脚连接14
3.3键盘的电路连接15
3.4A/D模块以及传感器16
第4章软件系统的设计16
第一章绪论
1.1自动称重系统概述
随着社会的发展行业分工越来越细、工农业和市场的发展,对称量仪器的需求也日益增多,过去那种简单的机械杠杆称已经无法满足现代化发展的要求。
在生产和生活中应用非常的广泛,比如在产品生产加工方面在医药生产过程中,对不同的药品成分含量的控制要求十分高,精确到毫克和微克级在饲料加工中,对不同原料各种营养成份的要求在数十克到几百克之间在车辆运输或者是产品批量运输中,数以吨计的称量。
另外,除了用于工业生产,人们日常生活中的应用也越来越多,比如市场上对蔬菜、粮油、畜牧饲养、渔业等等行业都需要用到大量的称重装置。
正是由于如此广泛的应用,称料器有了很大的发展空间,成为在生产生活中十分重要的一个行业。
在称料器或者称料装置中,称重器件是决定称重功能的基础,过去依靠的单纯的机械原理,只能称量数百千克到克的范围,而且称重的过程需要耗费一定的体力劳动,在许多场合根本满足不了人们对现代化生产生活的需要,伴随着电子技术和传感器技术的发展,数百吨至微克的称重传感器已经日益成熟,为实现各种场合称重在基础上解决了问题,只需要选择合适的称重传感器就能满足在不同场合对称量精度的需求。
自动称重系统具有信息采集速度快，避免人为操作漏洞，安全性高，实用性强等特点，在现代工业中起到举足轻重的作用。
1.2自动称重系统的发展现状与前景
1.2.1国内发展现状
自动称重系统也就是电子衡器，即是配有电子称量装置的衡器，主要由称重传感器、承载器、称重仪表3部分组成。
国内电子衡器数量所占比例仅为衡器的6.6%；品种少，功能不齐全；关键元器件的稳定性和可靠性与进口产品比较还有差距。
而发达国家在电子称重方面，无论从技术水平、品种和规模等方面都达到了较高水平，特别是在准确度、长期稳定性和可靠性等方面都有了很大的提高。
因此国内在这方面还有很大的提升空间。
通常产品的重量受人为因素影响较大，其所包装的产品重量与产品的标准重量误差较大。
此外，以往所设计的自动称重系统，成本较高、结构较为复杂，远远超过中小企业的承受能力。
针对产品包装重量与标准重量误差较大，受人为因素影响较大的特点，提出了基于单片机的自动控制产品重量的控制系统。
实践证明，采用该系统后，产品的重量与标准重量误差较小，可靠性较高，具有广泛的应用前景。
1.2.2国外发展现状
工业与商业电子秤用称重传感器技术与制造工艺，美、德等工业发达国家的著名制造公司处于国际市场引导者的领先地位，当今国际市场称重系统技术的竞争，集中表现在产品的正确度、稳定性和可靠性的竞争；制造技术与制造工艺的竞争；应用高新技术研发新产品和自主知识产权产品的竞争。
各称重传感器制造企业都在努力培植自己的核心竞争技术和打造核心竞争产品。
从近几年国际衡器产业展览会上展出的产品和对多家处于市场引导者地位的企业产品的分析可以得出这些企业的共同追求是：
弹性体材质更精良；电阻应变计、补偿元器件的技术要求和环境应力筛选更严格；制造工艺更精细；电路补偿工艺更完善；外观质量更完美。
1.3课题研究的目的及意义
随着工业自动化和管理现代化的进展，自动在线称重、快速在线称重和称重系统有了很大发展。
进一步采用新技术，开发各种自动称重系统，提高动态称重的准确度，加强网络功能是当今各国发展的重点[3]。
本课题正是从这一方面出发进行设计的，使得本课题设计的自动称重系统既能获取称重信息，又能实现对称重信息的管理，而且其稳定性好，称量速度快、精度高，可连续自动称重，显示称量结果，实现了称重数据的存储，并且该自动称重系统还实现了可视化，从而杜绝不真实计量现象，维护企业和客户的利益。
另外，其界面直观，便于使用。
而且本设计电路简单，成本低，抗工频干扰强，具有很好的推广价值。
1.4课题研究的内容
本课题是设计一种基于单片机的灌装流水线自动称重称重控制的电路，主旨是设计一称重仪，对压力传感器模拟器输出的模拟信号进行A/D转换，并利用单片机对数字信号进行处理，用键盘输入重量标准，数码管显示称重结果，对其和键入的标准进行比较，然后报警电路的设计。
内容和要求：
运用单片机与称重传感器组件一个自动称重控制系统
1、硬件设计
信号处理电路、显示模块电路设计、键盘电路设计
2、软件设计
主程序设计、显示模块程序设计、信号处理程序设计
技术指标：
最大称重值2000g，称重值误差为±10g，称重控制系统具有日期、时钟显示功能。
第二章自动称重系统的总体设计
2.1自动称重系统的工作原理
图2.1自动称重系统工作原理图
称重系统的基本原理如上图所示，其工作流程是：
重物经过称重传感器，其将模拟信号传输出来，经过A/D转化模块，将模拟信号转化为数字信号传送到单片机，键盘输入给定的重量，称重重量和给定重量比较，不符合要求的物体，报警机构就会启动，进行报警。
2.2自动称重系统硬件选取
2.2.1总控芯片的选取
通常，自动称重系统的主控单元是通过单片机系统，也有采用数字型号处理器（DSP）作为微处理器。
一般来说，选用单片机控制从产品的成本，占用空间等方面来说这是最好的选择。
现在的主控芯片集成了多项功能，如自动产生PWM波、A/D转换器，足够的内部ROM和RAM空间。
通过对市场上的单片机品种的调查有多种单片机都可以完成所需功能。
我所选用的单片机是宏晶科技推出的新一代单片机STC90C516RD+。
这款单片机成本低，性能优良，同上拥有超强的抗静电，超强的抗干扰能力，功耗较低，运作高速可靠。
STC90C516RD+单片机是一种低功耗、高性能8位微控制器，具有64K的可编程flash存储器。
使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
内512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
另外STC90C516RD+可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHZ，6T/12T可选。
片上flash允许程序存储器在线可编程，也适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统上可编程闪烁存储单元，使得STC90C516RD+为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。
下图是单片机的封装引脚图：
2.2.2显示器选取
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等点阵型液晶模块它有若干个5*7或者5*11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。
每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用。
1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。
1602外围电路简单微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。
因此，笔者在本设计中选用了该显示模块，其引脚说明结构如图示：
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DataI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
DataI/O
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
DataI/O
4
RS
数据/命令选择端
12
D5
DataI/O
5
R/W
读/写选择端
13
D6
DataI/O
6
E
使能信号
14
D7
DataI/O
7
D0
DataI/0
15
BLA
背光源正极
8
D1
DataI/0
16
BLK
背光源负极
2.2.3键盘的选取
在一个的单片机应用系统中，键盘是必不可少的输入设备。
单片机应用系统中，操作人员一般通过外部键盘向系统输入各种命令以指挥、调节系统的运行，掌握系统的工作状态。
一般来说，从编码的功能上键盘分为可分为两类：
全编码键盘和非编码键盘。
非编码键盘又分为独立键盘和矩阵键盘两种。
独立键盘就是各个按键相互独立，每个按键各接一根I/O接口线，每根I/O接口线上的按键都不会影响其他的I/O接口线。
因此，通过检测各I/O接口线的电平状态就很容易地判断出哪个按键被按下了。
独立键盘的电路配置灵活，软件简单。
但每个按键要占用一根I/O接口线，在按键数量较多时，I/O接口线浪费很大。
故在按键数量不多时，经常采用这种形式。
矩阵键盘是用两组I/O接口线排列成行、列结构，一组设定为输入，一组设定为输出，键位设定在行列线的交点上，按键的一端接行线，一端接列线。
矩阵键盘占用的I/O接口线数目少，因此在按键数目较多时，往往采用矩阵键盘。
在本设计中，由于需要的功能较多，而且都需要键盘输入，采用独立键盘将会浪费很多I/O接口，故采用矩阵键盘来作为单片机的输入，同时我们需要显示0-9的数字，所以我们选取4
4的矩阵键盘。
2.2.4A/D芯片选取
HX711是一款专为高精度秤重传感器而设计的24位A/D转换器芯片。
与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点、降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。
该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。
输入选择开关可任意选取通道A或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。
通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。
通道B则为固定的64增益，用于系统参数检测。
芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。
芯片内的时钟振荡器不需要任何外接部件。
上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。
封装引脚
表1HX711引脚功能
管脚号
名秤
性能
描述
1
VSUP
电源
稳压电路供电电源：
2.6-5.5V（不用稳压电路时接AVDD）
2
BASE
模拟输出
稳压电路控制输出（不用稳压电路时为无连接）
3
AVDD
电源
模拟电源：
2.6-5.5V
4
VFB
模拟输入
稳压电路控制输入（不用稳压电路时应接地）
5
AGND
地
模拟地
6
VBG
模拟输出
参考电源输入
7
INA
模拟输入
通道A负输入端
8
INA+
模拟输入
通道A正输入端
9
INB
模拟输入
通道B负输入端
10
INB+
模拟输入
通道B正输入端
11
PD-SCK
数字输入
断电控制（高电平有效）和串口时钟输入
12
DOUT
数字输出
串口数据输出
13
X0
数字输入输出
晶振输入（不用晶振时为无连接）
14
X1
数字输入
外部时钟或晶振输入，0：
使用片内振荡器
15
RATE
数字输入
输出数据速率控制，0：
10Hz；1：
80Hz
16
DVDD
电源
数字电源：
2.6-5.5V
2.2.5压力传感器的选择
应变片式电阻传感器.是以应变片为传感器元件的传感器。
它具有以下优点：
1.精度高，测量范围广；2.使用寿命长，性能稳定可靠。
3.结构简单、尺寸小、重量轻，因此在测量时，对工件工作状态及应力分布影响小；4.频率响应特性好。
应变片响应时间约为100ns；5.可在低温、高速、高温、强烈振动、强磁场、核辐射和化学腐蚀等恶劣环境条件下工作；6.应变片种类繁多，价格便宜。
电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械形变时，它的电阻值相应发生变化。
应变片式电阻传感器应用很广。
对于称重系统，我们选择最常用的电阻应变式压力传感器，该传感器结构简单、灵敏度高，适用于小压力测量，因为我们称重的最大压力为2Kg,综合成本等考虑，我们选择性价比高的电阻应变式传感器。
下图是传感器的参数：
量程（kg）
2
综合误差（%F.S）
0.05
额定输出温度漂移（%F.S/10°）
0.15
灵敏度（mV/V）
1.0±0.1
零点输出（mV/V）
±0.1
非线性（%F.S）
0.5
输入电阻（）
1000±50
重复性（%F.S）
0.5
输出电阻（）
1000±50
滞后（%F.S）
0.5
绝缘电阻（）
2000（100VDC）
蠕变（%F.S/3min）
0.5
推荐激励电压（V）
3～12
零点漂移（%F.S/1min）
0.5
工作温度范围（）
-10～+50
零点温度漂移（%F.S/10°）
0.2
过载能力（%F.S）
150
第3章硬件系统设计
3.1主芯片引脚连接
3.1.1复位电路设计
单片机上电时，当振荡器正在运行时，只要持续给出RST引脚两个机器周期的高电平，便可完成系统复位。
外部复位电路是为提供两个机器周期以上的高电平而设计的。
系统采用上电自动复位，上电瞬间电容器上的电压不能突变，RST上的电压是VCC上的电压与电容器上的电压之差，因而RST上的电压与VCC上的电压相同。
随着充电的进行，电容器上的电压不断上升，RST上的电压就随着下降，RST脚上只要保持10ms以上高电平，系统就会有效复位。
本设计方法是复位电路中设计按键开关，通过按键开关触发复位电平，控制单片机的复位。
3.1.2晶震电路设计
3.2显示模块引脚连接
显示模块主要有16个引脚，将LCD1602芯片的DB0-DB7引脚分别连到单片机的P0.0-P0.7口上，其他的引脚连接如下图所示：
3.3键盘的电路连接
由前文所述，本文选用4
4的键盘，1-8号引脚分别连单片机的P1.0-P1.7,其接线图如下所示：
3.4A/D模块以及传感器
第4章软件系统的设计
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