智能化測控應用系統(tǒng)設計報告

1、 日期： 2017年 7月 14日電氣與電子信息學院智能化測控應用系統(tǒng)設計報告設計名稱： 智能化測控應用系統(tǒng)設計 題 目： 電子批量稱重裝置設計 年 級： 2014級 學生XX： 學 號： 3120140803 專 業(yè)： 測控技術與儀器專業(yè) 指導教師： 電子批量稱重裝置設計摘要：針對目前市場上使用的傳統(tǒng)稱重工具在稱量小輕量的物品時存在精度不高，并且結構復雜，易老化，成本高等的缺點。為了改變傳統(tǒng)稱重工具在使用上存在的這些問題，提出了將智能化、人性化用在電子稱重的控制系統(tǒng)中。本系統(tǒng)主要由單片機來控制，測量物體重量部分由稱重傳感器與A/D轉換器組成，加上顯示單元以與串口發(fā)送單元。此電子秤具備了功能多

2、、可批量測重、性能價格比高、功耗低、系統(tǒng)設計簡單、使用方便直觀、測量準確等特點。通過以AT89C51單片機為主控芯片，外圍附以稱重電路、顯示電路、報警電路、鍵盤電路以與通過串口將所測數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端，在PC端上利用LabVIEW設計上位機軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示以與存儲功能，從而實現(xiàn)自動稱重系統(tǒng)的批量稱重功能、報警功能、數(shù)據(jù)計算功能以與人機交換功能?？梢哉f,此設計所完成的電子秤很大程度上滿足了應用需求。關鍵詞：單片機，應變式壓力傳感器，超重報警，上位機，批量稱重Abstract：The traditional weighing tools used in the present market ar

3、e not high in accuracy when weighing small quantities, and the structure is complex, aging and high cost. In order to change the existing problems of traditional weighing tools, the intelligent and humanized system is put forward. The system is mainly controlled by single chip microcomputer, and the

4、 weight part of the object is composed of weighing sensor and A/D converter, plus display unit and serial port. This electronic scale has the characteristics of many functions, high volume measurement, high performance price, low power consumption, simple system design, easy to use, and accurate mea

5、surement. By AT89C51 single chip microcomputer as main control chip, peripheral attached to integrated circuit, display circuit, alarm circuit, keyboard circuit and via a serial port to send the test data to PC, PC software on the PC using LabVIEW design, realizes the data display and storage capabi

6、lities, so as to realize the batch weighing functions of automatic weighing system, alarm, data calculation and man-machine exchange functions. It is fair to say that the electronic scale completed by this design meets the needs of the application.Keywords:Single chip microcomputer, strain pressure

7、sensor, overweight alarm, upper machine, weight weighing目錄1 前言02總體方案設計22.1方案一22.2方案二22.3方案三32.4 方案比較與選擇43單元模塊設計與仿真53.1控制模塊電路設計53.2數(shù)據(jù)采集模塊電路設計63.2.1壓力傳感器的選擇與設計63.2.2信號放大電路選擇與設計83.2.3 A/D轉換電路選擇與設計93.3人機交互模塊的選擇與設計113.3.1系統(tǒng)顯示電路設計113.3.2超重報警提示電路設計123.3.3按鍵輸入電路設計133.4原件仿真參數(shù)154系統(tǒng)程序設計164.1系統(tǒng)主程序流程圖164.2 A/D數(shù)據(jù)

8、采集與處理子函數(shù)174.2系統(tǒng)顯示部分流程圖184.3系統(tǒng)按鍵檢測部分流程圖194.4 LabVIEW程序框圖195系統(tǒng)調試225.1系統(tǒng)程序調試與下載225.1.1 程序的編譯與225.1.2程序下載運行235.1.3程序上電運行245.2硬件調試245.3 LabVIEW上位機的調試246系統(tǒng)功能、性能參數(shù)266.1 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能266.2 系統(tǒng)性能參數(shù)267總結288致299參考文獻30附錄一：Proteus仿真圖31附錄二：上位機程序圖32附錄三：實物圖33附錄四：部分程序3437 / 411 前言稱重技術自古以來就被人們所重視，作為一種計量手段，廣泛應用于工農業(yè)、科研、交通、外貿易

9、等各個領域，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、科學研究、外貿易不可缺少的計量設備，衡器產品技術水平的高低，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、提高產品質量以與加強企業(yè)管理、改善經營管理等多方面的作用。稱重裝置的應用已遍與到國民經濟各領域，取得了顯著的經濟效益。電子秤是稱重技術中的一種新型儀表，廣泛應用于各種場合。電子秤與機械秤比較有體積小

10、、重量輕、結構簡單、價格低、實用價值強、維護方便等特點，可在各種環(huán)境工作，重量信號可遠傳，易于實現(xiàn)重量顯示數(shù)字化，易于與計算機聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)生產過程自動化，提高勞動生產率。從世界水平看，衡器技術已經經歷了四個階段，從傳統(tǒng)的全部由機械元器件組成的機械稱到用電子線路代替部分機械元器件的機電結合秤，再從集成電路式到目前的單片機系統(tǒng)設計的電子計價秤。我國電子衡器從最初的機電結合型發(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與應用得到了新發(fā)展：電子稱重技術從靜態(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。常規(guī)的測試儀器儀表和控制裝置被更先進的智能儀器

11、所取代，使得傳統(tǒng)的電子測量儀器在遠離、功能、精度與自動化水平定方面發(fā)生了巨大變化，并相應的出現(xiàn)了各種各樣的智能儀器控制系統(tǒng)，使得科學實驗和應用工程的自動化程度得以顯著提高。電子稱重的實現(xiàn)首先是通過壓力傳感器采集到被測物體的重量并將其轉換成電壓信號。輸出電壓信號通常很小，需要通過前端信號處理電路進行準確的線性放大。放大后的模擬電壓信號經A/D轉換電路轉換成數(shù)字量被送入到主控電路的單片機中，再經過單片機控制譯碼顯示器，從而顯示出被測物體的重量。按照設計的基本要求，系統(tǒng)可分為四大模塊，數(shù)據(jù)采集模塊、控制器模塊、人機交互液晶顯示界面模塊以與上位機數(shù)據(jù)存儲模塊。如圖1.1所示，其中數(shù)據(jù)采集模塊由壓力傳感

12、器、信號的前級處理和A/D轉換部分組成。轉換后的數(shù)字信號送給控制器處理，由控制器完成對該數(shù)字量的處理，驅動顯示模塊完成人機間的信息交換，上位機部分實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲以此實現(xiàn)批量測重。此部分對軟件的設計要求比較高，系統(tǒng)的大部分功能都需要軟件來控制。在擴展功能上，本設計增加了一個過載報警提示功能和電子日歷功能使本電子稱的設計更人性化智能化。圖1.1 設計概述框圖2總體方案設計對同一種目的的實現(xiàn)，可以用不同的方案，下面就著重介紹以下三種方案對同一目的的實現(xiàn)方法。并比較三種方案的優(yōu)劣。2.1方案一系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。圖2.1 方案一的系統(tǒng)框圖工作原理簡述：壓力傳感器采用數(shù)字壓力傳感器，數(shù)字壓力傳感器

13、采集的數(shù)據(jù)直接送給單片機對數(shù)據(jù)進一步處理，人機交互界面采用鍵盤輸入以與數(shù)碼管顯示外加報警電路進行超重報警。2.2方案二系統(tǒng)框圖如圖2.2所示。圖2.2 方案二的系統(tǒng)框圖工作原理簡述：模擬量壓力傳感器采集壓力信號變化，所采集的模擬量需經HX711自帶的放大電路進行信號放大以與A/D轉換電路將模擬信號轉換為單片機能識別的數(shù)字量，單片機對數(shù)據(jù)進一步處理，人機交互界面采用鍵盤輸入以與LCD12864液晶顯示外加報警電路進行超重報警。2.3方案三系統(tǒng)框圖如圖2.3所示。圖2.3 方案三的系統(tǒng)框圖工作原理簡述：模擬量壓力傳感器采集壓力信號變化，所采集的模擬量需經放大電路進行信號放大，后經A/D轉換電路進行

14、數(shù)模轉換為單片機能識別的數(shù)字量，單片機對數(shù)據(jù)進一步處理，人機交互界面采用鍵盤輸入以與LCD12864液晶顯示外加報警電路進行超重報警，上位機部分對單片機同串口發(fā)送來的稱重數(shù)據(jù)進行保存。2.4 方案比較與選擇比較三個方案可以看出：1. 方案一中的數(shù)據(jù)采集器件采用數(shù)字壓力傳感器，而數(shù)字壓力傳感器動輒上百，采用方案一經費將大大超過本次課程設計的預算；2. 方案二采用HX711A/D轉換器以與LCD12864液晶顯示器，但由于本次設計是第一次將單片機與數(shù)字電子電和模擬電子運用于實際的電路設計中，我們尚未完全的掌握單片機的知識，對HX711以與LCD12864電路還不能達到最優(yōu)化的設計；3. 方案三所需

15、元器件多為我們所熟悉以與常用的，其中的上位機部分也為我們本學期所學知識，且方案三思路清晰，操作可行。所以綜合各個方面的因數(shù)，我選擇了方案三做為本次課程設計的主要研究對象，本文也將注重介紹方案三的設計方法。工作原理簡述：模擬量壓力傳感器采集信號變化，信號經過放大器進行信號放大然后通過A/D轉換為單片機能識別的數(shù)字量，單片機對數(shù)據(jù)進一步處理，人機交互界面采用鍵盤輸入以與LCD1602液晶顯示外加報警電路進行超重報警，串口將處理后的重量數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機存儲以實現(xiàn)批量稱重功能。最終方案框圖如下：圖2.4 設計方案框圖3單元模塊設計與仿真本節(jié)主要介紹系統(tǒng)各單元模塊的具體功能、電路結構、工作原理、以與各個

16、單元模塊之間的聯(lián)接關系，同時本節(jié)也會對相關電路中的參數(shù)計算、元器件選擇、以與核心器件進行必要說明。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR和MPLAB等多種編譯器。本次仿真采用P

17、roteus8.0版本。3.1控制模塊電路設計STC89C52是一種低功耗、高性能8位微控制器，具有8K的可編程flash存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51產品指令和引腳完全兼容。512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，置4KB EEPROM，MAX810復位電路，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個

18、中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35MHZ，6T/12T可選。片上flash允許程序存儲器在線可編程，也適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)上可編程閃爍存儲單元，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案，因此在設計時選擇了51單片機作為解決方案。晶振：全稱為晶體振蕩器，其作用在于產生原始的時鐘頻率，這個頻率經過頻率發(fā)生器的放大或縮小后就成了電腦中各種不同的總線頻率。晶振一般叫做晶體諧振器，是一種機電器件，是用電損耗很小的石英晶體經精密切割磨削并鍍上電極焊上引線做成。這種晶體有一個很重要的特性，如果給它通電，它就會產生機械振蕩，反之，如果給它機械力

19、，它又會產生電，這種特性叫機電效應。復位電路：是用來讓單片機返回到初始狀態(tài)的輔助電路，其作用是當單片機程序跑飛或系統(tǒng)出現(xiàn)死機狀態(tài)時可以讓系統(tǒng)從新恢復工作。本系統(tǒng)復位電路的設計具有上電復位和手動按鍵復位兩種復位方式。系統(tǒng)主控電路由STC89C52單片機與晶振電路和復位電路組成，該電路作為整個系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心單元，其連接方式如圖3.1所示。圖3.1單片機最小系統(tǒng)電路圖3.2數(shù)據(jù)采集模塊電路設計數(shù)據(jù)采集模塊電路主要包括壓力傳感器、信號放大電路、A/D轉換電路，其中壓力傳感器將物理信號轉換為可為系統(tǒng)所測量的電信號，信號放大電路將微弱的電信號轉換為可為后端采集的高電壓大電流信號，A/D轉換電路主要是將

20、前端采集到的模擬信號轉換為單片機易于進行數(shù)據(jù)處理的數(shù)字信號。各模塊的具體選擇與設計如下：3.2.1壓力傳感器的選擇與設計應變片式電阻傳感器.是以應變片為傳感器元件的傳感器。它具有以下優(yōu)點：1.精度高，測量圍廣；2.使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠；3.結構簡單、尺寸小、重量輕，因此在測量時，對工件工作狀態(tài)與應力分布影響??；4.頻率響應特性好。應變片響應時間約為100ns；5.可在低溫、高速、高溫、強烈振動、強磁場、核輻射和化學腐蝕等惡劣環(huán)境條件下工作；6.應變片種類繁多，價格便宜。電阻應變片的工作原理是基于電阻應變效應，即在導體產生機械形變時，它的電阻值相應發(fā)生變化。應變片式電阻傳感器應用很廣。本設計

21、采用的是HL-8梁式力傳感器，該傳感器結構簡單、靈敏度高。適用于小壓力測量。表3-1 HL-8壓力傳感器主要技術指標量程（kg）3,15綜合誤差(%F.S)0.05額定輸出溫度飄移(%F.S/10)0.15靈敏度(mv/v)1.0±0.1零點輸出(mV/V)±0.1非線性(%F.S)0.05輸入電阻()1000±50重復性(%F.S)0.05輸出電阻()1000±50滯后(%F.S)0.05絕緣電阻(M)2000(100VDC)蠕變(%F.S/3min)0.05推薦激勵電壓(V)510零點漂移(%F.S/1min)0.05工作溫度圍 ()-10

22、+50零點溫度漂移(%F.S/10)0.2過載能力(%F.S)150應變式傳感器常用的測量電路有單臂電橋、差動半橋和差動全橋，其中差動全橋可提高電橋的靈敏度，消除電橋的非線性誤差，并可消除溫度誤差等共模干擾。一般在測量中都使用4片應變片組成差動全橋，本設計所采用的傳感器就是全橋測量電路。其電路圖如圖3.2所示。橋式測量電路有四個電阻，其中任何一個都可以是電阻應變片電阻，電橋的一個對角線接入工作電壓U，另一個對角線位輸出電壓Uo。其特點是：當四個橋臂電阻達到相應關系時，電橋輸出為零，否則就有電壓輸出，可用靈敏檢流計來測量，所以電橋能夠精確地測量微小的電阻變化。應變電阻作為橋臂電阻接在電橋電路中。

23、無壓力時，電橋平衡，輸出電壓為零；有壓力時，電橋的橋臂電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡。 全橋測量電路中，將受力性質一樣的兩片應變片接入電橋對邊。其輸出靈敏度比半橋提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到了改善。圖3.2傳感器部連接圖3.2.2信號放大電路選擇與設計稱重傳感器輸出電壓振幅圍020mV。而A/D轉換的輸入電壓要求為02V，因此放大環(huán)節(jié)要有100倍左右的增益。對放大環(huán)節(jié)的要增益可調的（70150倍），根據(jù)本設計的實際情況增益設為100倍即可，零點和增益的溫度漂移和時間漂移極小。按照輸入電壓20mV，分辨率20000碼的情況，漂移要小于1µV。由于其具有極低的失調電壓的溫漂和時漂

24、（±1µV），從而保證了放大環(huán)節(jié)對零點漂移的要求。殘余的一點漂移依靠軟件的自動零點跟蹤來徹底解決。穩(wěn)定的增益量可以保證其負反饋回路的穩(wěn)定性，并且最好選用高阻值的電阻和多圈電位器。在前級處理電路部分，我們考慮可以采用以下幾種方案：方案一、利用普通低溫漂運算放大器構成前級處理電路，普通低溫漂運算放大器構成多級放大器會引入大量噪聲。由于A/D轉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，此種方案不宜采用。方案二、主要由高精度低漂移運算放大器構成差動放大器，而構成的前級處理電路；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

25、一個差動放大器。方案三、采用專用儀表放大器，如：INA128，INA121等構成前級處理電路。圖3.3 INA128原理圖本模塊首級采用專用儀表放大器INA128，對輸入電壓進行初級10倍放大，且它很好的抑制了共模信號對電路的影響。采用雙電源供電，將該運放功能充分利用，然后級采用低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路，由于 OP07具有非常低的輸入失調電壓（對于 OP07A 最大為25V），所以 OP07在很多應用場合不需要額外的調零措施。為了轉換精確，我們還是在1腳8和腳接滑動變阻器來調節(jié)偏置電壓，OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A

26、60;為±2nA）和開環(huán)增益高（對于 OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調、高開環(huán)增益的特性使得 OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。INA128原理圖如下。3.2.3A/D轉換電路選擇與設計A/D轉換部分是整個設計的關鍵，這一部分處理不好，會使得整個設計毫無意義。目前，世界上有多種類型的ADC，有傳統(tǒng)的并行、逐次逼近型、積分型ADC，也有近年來新發(fā)展起來的-型和流水線型ADC，多種類型的ADC各有其優(yōu)缺點并能滿足不同的具體應用要求。目前， ADC集成電路主要有以下幾種類型：（1）并行比較A/D轉換器：如ADC0808、 AD

27、C0809等。并行比較ADC是現(xiàn)今速度最快的模/數(shù)轉換器，采樣速率在1GSPS以上，通常稱為“閃爍式”ADC。它由電阻分壓器、比較器、緩沖器與編碼器四種分組成。這種結構的ADC所有位的轉換同時完成，其轉換時間主取決于比較器的開關速度、編碼器的傳輸時間延遲等。缺點是：并行比較式A/D轉換的抗干擾能力差，由于工藝限制，其分辨率一般不高于8位，因此并行比較式A/D只適合于數(shù)字示波器等轉換速度較快的儀器中，不適合本系統(tǒng)。(2）逐次逼近型A/D轉換器：如：ADS7805、ADS7804等。逐次逼近型ADC是應用非常廣泛的模/數(shù)轉換方法，這一類型ADC的優(yōu)點：高速，采樣速率可達 1MSPS；與其它ADC相

28、比，功耗相當?shù)?；在分辨率低?2位時，價格較低。缺點：在高于14位分辨率情況下，價格較高；傳感器產生的信號在進行模/數(shù)轉換之前需要進行調理，包括增益級和濾波，這樣會明顯增加成本。(3）積分型A/D轉換器：如：ICL7135、ICL7109、ICL1549、MC14433等。積分型ADC又稱為雙斜率或多斜率ADC，是應用比較廣泛的一類轉換器。它的基本原理是通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉換成與其平均值成正比的時間間隔。與此同時，在此時間間隔利用計數(shù)器對時鐘脈沖進行計數(shù)，從而實現(xiàn)A/D轉換。積分型ADC兩次積分的時間都是利用同一個時鐘發(fā)生器和計數(shù)器來確定，因此所得到的表達式與時鐘頻率無關，其轉換精度

29、只取決于參考電壓VR。此外，由于輸入端采用了積分器，所以對交流噪聲的干擾有很強的抑制能力。若把積分器定時積分的時間取為工頻信號的整數(shù)倍，可把由工頻噪聲引起的誤差減小到最小，從而有效地抑制電網(wǎng)的工頻干擾。這類ADC主要應用于低速、精密測量等領域，如數(shù)字電壓表。其優(yōu)點是：分辨率高，可達22位；功耗低、成本低。缺點是：轉換速率低，轉換速率在12位時為100300SPS。 (4 ）壓頻變換型ADC：其優(yōu)點是：精度高、價格較低、功耗較低。缺點是：類似于積分型ADC，其轉換速率受到限制，12位時為100300SPS?？紤]到本系統(tǒng)中對物體重量的測量和使用的場合，精度要求不是很苛刻，轉換速率要求也不高，而雙積

30、分型A/D574轉換器精度高，具有精確的差分輸入，重要的是輸入阻抗高（大于），可自動調零，有超量程信號輸出，全部輸出于TTL電平兼容。且雙積分型A/D574轉換器具有很強的抗干擾能力。對正負對稱的工頻干擾信號積分為零，所以對50Hz的工頻干擾抑制能力較強，對高于工頻干擾（例如噪聲電壓）已有良好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零，對輸出就不產生影響。尤其對本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號，很容易受到工頻信號的影響。因此本設計采用了12位積分型A/D轉換器AD574。AD574管腳圖如下。圖3.4 AD574管腳圖AD574A轉換時間為25s，線性誤差為±1/2LSB，部有時鐘脈沖源和基準電

31、壓源，單通道單極性或雙極性電壓輸入，采用28腳雙立直插式封裝。AD574A由12位A/D轉換器，控制邏輯，三態(tài)輸出鎖存緩沖器，10V基準電壓源四部分構成。12位A/D轉換器可以單極性也可以雙極性的。單極性應用時，BIPOFF接0V，雙極性時接10V。量程可以是10V也可以是20V。輸入信號在10V圍變化時，將輸入信號接至10V(IN);輸入信號在20V圍變化時，將輸入信號接至20V(IN);所以量化單位相應的就是10V/（212）和20V/（212）三態(tài)輸出鎖存緩沖器用于存放12位轉換結果D（D=0212-1）。D的輸出方式有兩種，引腳12/8=1時（8的上面有一橫杠），D的D(11)D(0)

32、并行輸出；引腳12/8=0時（8的上面有一橫杠），D的高8位與低4位分時輸出。邏輯控制任務包括：啟動轉換，控制轉換過程和控制轉換結果D的輸出。3.3人機交互模塊的選擇與設計人機交互模塊包括系統(tǒng)顯示電路、超重報警電路、矩陣鍵盤輸入電路。其中顯示電路用于將控制電路處理的結果顯示給用戶。超重報警電路避免了稱量物體超過電子秤設計量程，損壞電子秤。矩陣鍵盤輸入電路用于人機交互，用戶可通過對鍵盤按鍵輸入單價、計算單價等操作。3.3.1系統(tǒng)顯示電路設計1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以

33、顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形。1602LCD是指顯示的容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。其與單片機的連接電路如圖3.5所示。圖3.5系統(tǒng)狀態(tài)顯示電路圖1602采用標準的16腳接口，其中：第1引腳：GND為電源地第2引腳：VCC接5V電源正極第3引腳：V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會 產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度）。第4引腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇

34、指令寄存器。第5引腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作。第6引腳：E(或EN)端為使能(enable)端,高電平（1）時讀取信息，負跳變時執(zhí)行指令。第714引腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第1516腳：空腳或背燈電源。第15引腳背光正極，第16引腳背光負極。1腳和2腳為液晶1602地和電源引腳，3腳為背光調節(jié)引腳，通過10K電位器接地，背光可通過電位器來調節(jié)亮度；4腳、5腳、6腳為液晶片選控制引腳，分別連接到單片機的P2.0、P2.1、P2,2端口，714腳為數(shù)據(jù)接口，與單片機的P0口相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，15、16、腳為液晶的背光控制腳，分別接到電源和地。3

35、.3.2超重報警提示電路設計報警指示電路用來在稱重測量超出最高值時報警提示，以免重量太高的情況下?lián)p壞傳感器。如圖3.6所示，報警指示電路由PNP三極管9012驅動蜂鳴器來實現(xiàn)，單片機IO口控制三極管的基極，當單片機的IO口輸出為低電平時，三極管導通，蜂鳴器的正極與電源接通，蜂鳴器通電發(fā)出報警聲，當單片機IO口輸出高電平時，三極管截止，蜂鳴器停止報警。圖3.6報警指示電路3.3.3按鍵輸入電路設計矩陣式鍵盤的結構與工作原理：在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如P

36、1口）就可以構成4*4=16個按鍵，比直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。按鍵輸入電路用來在電子稱測量過程中輸入單價值，按鍵輸入電路采用4*4矩陣鍵盤實現(xiàn)，矩陣鍵盤電路如圖3.7所示。圖3.7按鍵輸入電路電子稱按鍵功能分配如下表3-2所示。表3-2 按鍵功能表789發(fā)送456去皮123清零0ß計算此電子秤是開機檢測托盤重量，并將托盤重量清零（即電子秤每次開機后檢測托盤重量，并程序中自動將托盤重量保存在一個變量中，稱量過程中每次

37、都將獲得的重量減去托盤重量，而得到所要稱量物體的真正的重量），計算功能：在正確輸入了單價之后，按下計算按鍵，將會計算出金額，并在液晶顯示器上顯示出重量、單價、總價。按下發(fā)送按鍵，將通過串口向上位機發(fā)送此時稱重數(shù)據(jù)，包括重量、單價以與總價。3.4原件仿真參數(shù)表3-3 原件型號與參數(shù)表元件型號元件名稱元件標號數(shù)量蜂鳴器BellB1110uF電容C1120pF電容C2, C32LCD1602液晶LCD11Header 2電源接口P119012三極管Q512.7K電阻R1110K電阻R21SW-PB按鍵S1, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, S11, S12, S13

38、, S14, S15, S16, S17, S1817sw-灰色電源開關SW11U1單片機U1112M晶振Y114系統(tǒng)程序設計系統(tǒng)軟件采用了模塊化設計，主要包括毫秒級延時子函數(shù)、A/D數(shù)據(jù)采集與處理子函數(shù)、鍵盤掃描子函數(shù)、LCD顯示子函數(shù)、以與串口發(fā)送子函數(shù)、主函數(shù)以與上位機LabVIEW程序設計。本電子稱設計采用C語言編程，編譯環(huán)境為Keil uVision4。Keil c51 是美國Keil Software 公司出品的51 系列兼容單片機C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，和匯編相比，C 在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。Keil C51 可以完成編輯、編譯、連接、調試、

39、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE 本身或其它編輯器編輯C 或匯編源文件，然后分別有C51 與A51 編輯器編譯連接生成單片機可執(zhí)行的二進制文件（.HEX），然后通過單片機的燒寫軟件將HEX 文件燒入單片機。軟件主要三個方面：一是初始化系統(tǒng)；二是按鍵檢測；三是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理并進行顯示。這三個方面的操作分別在主程序中來進行。程序采用模塊化的結構，這樣程序結構清楚，易編程和易讀性好，也便于調試和修改。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)

40、語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI與函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW 的程序模塊。4.1系統(tǒng)主程序流程圖在系統(tǒng)通電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，其中包括系統(tǒng)變量定義和給系統(tǒng)變量賦初值等，然后調用A/D采集函數(shù)，將A/D采集模塊輸出的24位二進制串行數(shù)據(jù)轉化為十進制，接著進行調零和定標，最后分離出6位十進制數(shù)據(jù)的千位、百位、十位和個位，調用LCD顯示函數(shù)以與鍵盤掃描函數(shù)，將對應的數(shù)值和處理結果送到對應的地址上進行顯示。當按鍵按下發(fā)送按鍵時，串口向上位機發(fā)送此時稱重數(shù)據(jù)以便上位機對數(shù)據(jù)進行存儲。系

41、統(tǒng)主函數(shù)流程圖如圖4.1所示。主程序函數(shù)見附錄四第37頁。圖4.1系統(tǒng)主程序流程圖4.2A/D數(shù)據(jù)采集與處理子函數(shù)A/D轉換子程序主要是指在系統(tǒng)開始運行時，把稱重傳感器傳遞過來的模擬信號轉換成數(shù)字信號并傳遞到單片機所涉與到的程序設計。設計流程圖如圖4-2所示。數(shù)據(jù)采集與處理部分程序見附錄四第34頁。圖4.2數(shù)據(jù)采集與流程圖4.2系統(tǒng)顯示部分流程圖顯示部分流程圖如圖4.3所示，當調用顯示函數(shù)時，先將lcd1602初始化，然后對控制器傳來的信息在顯示器上顯示，讓人們直觀的看到被測體的質量。該部分程序見附錄四第36頁。圖4.3系統(tǒng)顯示部分流程圖4.3系統(tǒng)按鍵檢測部分流程圖鍵盤電路設計成4X4矩陣式，

42、在程序中先判斷按鍵編碼，然后根據(jù)編碼將鍵盤代表的數(shù)值送到相應的存儲單元，再進行功能選擇或數(shù)據(jù)處理。設計流程圖如圖4.4所示。該部分程序見附錄四第35頁。圖4.4 按鍵檢測部分流程圖4.4LabVIEW程序框圖LabVIEW的串口接收數(shù)據(jù)前面板應該包括串口數(shù)據(jù)接收字符串顯示，VISA資源名稱，停止按鈕，數(shù)據(jù)保存路徑。字符串顯示控件的作用是將通過VISA接收到的數(shù)據(jù)實時顯示。字符串顯示控件的路徑為：新式字符串與路徑字符串顯示控件。VISA資源名稱控件則是連接上位機和下位機的接口資源，要使用該接口必須先安裝VISA的驅動程序。VISA資源名稱控件的路徑：新式I/OVISA資源名稱。停止按鈕的作用是用

43、戶用來終止運行的程序，其路徑是：新式布爾停止按鈕。文件路徑輸入控件的作用是將串口的數(shù)據(jù)保存至特定的路徑文件下，文件路徑輸入控件的路徑為：新式字符串與路徑文件路徑輸入控件至此前面板就設計完成了。如圖4.5所示：圖4.5 上位機前面板在LabVIEW 中，進行串口通信的基本步驟分為3步：第一：串口初始化，利用SA Configure Serial Port.vi節(jié)點設定串口的端口號、波特率、停止位、校驗位、數(shù)據(jù)位。第二：讀寫串口，利用VISA Read節(jié)點和VISA Write節(jié)點對串口進行讀寫。第三：關閉串口，停止所有讀寫操作。LabVIEW的串口接收數(shù)據(jù)程序框圖除了前面板的

44、控件還需要添加VISA配置串口，VISA讀取，VISA關閉，寫入帶分隔符的電子表格，寫入文本文件，VISA串口字節(jié)數(shù)，連接字符串，等待下一個整數(shù)倍毫秒等控件以與While循環(huán)、條件結構、事件結構等結構。將各個模塊按邏輯功能連接線路，如圖4.6所示。其中需要注意的是移位寄存器的添加和局部變量的使用，移位寄存器是在While循環(huán)邊框上右鍵>添加移位寄存器，移位寄存器的作用是將上次串口緩存的數(shù)據(jù)與本次緩存的數(shù)據(jù)做比較，若一樣則說明沒有新的數(shù)據(jù)從下位機傳上來，若不同則將新的數(shù)據(jù)保存；設計中字符串顯示控件的局部變量是為了方便添加移位寄存器和與之比較，創(chuàng)建方法是右鍵字符串顯示控件->創(chuàng)建-&g

45、t;局部變量，但創(chuàng)建出來的局部變量是顯示控件，我們可以右鍵選擇轉換為讀取將其轉化為輸出控件。圖4.6總程序框圖5系統(tǒng)調試調試部分主要通過程序與硬件的聯(lián)合調試，讓系統(tǒng)能正常工作，程序部分包括程序的編寫以與程序的下載。硬件部分包括數(shù)據(jù)采集部分能通過壓力傳感器采集壓力數(shù)據(jù)，并將模擬信號轉換為數(shù)字信號，鍵盤模塊能識別按鍵按下，lcd1602正常顯示，上位機部分能對串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)保存。5.1系統(tǒng)程序調試與下載軟件部分的調試包括程序是否正確編寫，編譯是否能通過，程序是否可以下載到單片機中，下面就這兩個問題進行調試說明。5.1.1程序的編譯與程序在uVision4環(huán)境下編譯，如果是其他版本uVis

46、ion，只需將所有.c和.h文件拷貝至新建項目，重新編譯即可。本課程設計的程序編寫完成后編譯與結果如圖5.1與5.2所示。圖5.1 程序編譯結果圖5.2 程序結果由圖中方框中“0 Error（s），0 Warning（s）”可以看出，該程序編譯與均無錯，因此該程序不存在語法與邏輯錯誤。5.1.2程序下載運行當編譯生成.hex文件后，就可以下載并進行調試了。打開STC單片機下載軟件文件夾，點擊運行STC_ISP_V481.exe程序，出現(xiàn)如下界面圖5.3。圖5.3下載軟件點擊圖中處正確選擇MCU 類型為STC89C52，點擊圖中處選擇COM口（與剛才安裝的COM號一致），點擊圖中處將最高波特率和

47、最低波特率選擇高速，如果不成功則嘗試降低撥特率，并打開正確的.hex數(shù)據(jù)文件。點擊圖中處“下載/下載”按紐， 按下電路板上的電源按紐，保證其有個失電至上電的過程，窗口顯示開始燒錄芯片。經測試，燒錄成功，窗口提示如下圖5.4所示。圖5.4窗口提示5.1.3程序上電運行下載完成后程序自動運行，或重上電后程序正常運行，運行效果圖詳見附錄三。5.2硬件調試 焊接好單片機最小系統(tǒng)模塊后，進行上電測試，首先用萬用表檢測電路是否通路，經檢測電路連接良好，但是連接好后，無法下載程序。經下載程序助手顯示，由于端口無常打開。經過調試電路改變下載端口，并且調整波特率，生成的hex文件可以正常下載到單片機中。5.3

48、LabVIEW上位機的調試通過線將電子秤硬件與電腦的USB口相連，實現(xiàn)下位機與上位機的串口通訊，在LabVIEW前面板上選擇好與電腦相連的端口號與文件保存路徑，然后點運行程序；之后打開開發(fā)板的電源，等待LCD初始化成功后，在秤面放下待測重的物體，然后通過矩陣按鍵設置改物品的價格，設置完畢后，確定要將其發(fā)送至上位機顯示并保存，就按下鍵盤上的發(fā)送鍵（S16），此時LabVIEW電子秤的前面板如圖5.3所示：圖5.3上位機前面板調試多次稱量重物并發(fā)送至上位機，然后點擊前面板的停止按鈕，停止整個程序并保存數(shù)據(jù)。找到數(shù)據(jù)文件保存的位置，打開后如圖5.4所示，數(shù)據(jù)保存成功。圖5.4批量稱重數(shù)據(jù)6系統(tǒng)功能、

49、性能參數(shù)本部分將對測試本設計的仿真以與實物工作情況，具體測試結果如下。6.1 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能通過壓力傳感器采集到被測物體的重量并將其轉換成電壓信號。輸出電壓信號通常很小，需要通過前端信號處理電路進行準確的線性放大。放大后的模擬電壓信號經V/F轉換電路轉換成數(shù)字量被送入到主控電路的單片機中，再經過單片機控制譯碼顯示器，從而顯示出被測物體的重量。按照設計的基本要求，系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)采集模塊、控制器模塊、人機交互液晶顯示界面，鍵盤輸入模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊由壓力傳感器、信號的前級處理和V/F轉換部分組成。轉換后的數(shù)字信號送給控制器處理，由控制器完成對該數(shù)字量的處理，驅動顯示模塊完成人機間的信息交換。此

50、部分對軟件的設計要求比較高，系統(tǒng)的大部分功能都需要軟件來控制。在擴展功能上，本設計增加了一個過載報警提示功能和電子日歷功能使本電子稱的設計更人性化智能化。6.2 系統(tǒng)性能參數(shù)對于本設計系統(tǒng)的參數(shù)測試，總共分兩步。第一步就是將自己設計的電路用軟件Proteus作出具體的線路圖，用Proteus自帶的檢測功能檢測線路是否連接有誤，直到修改線路至無誤為止。第二步就是將我們的電路的各部分分開進行仿真。對此部分仿真可用到仿真軟件Proteus。在對每個部分仿真達到正確結果后，然后將各個模塊連接起來進行整體測試。經過仿真證明我設計的電子秤大體工作正常。表6-1砝碼與測量值砝碼質量（g）0100200400

51、5006001000120015002000測量值（g）01002004005006001000120015002000砝碼質量（g）2200250030003500400045005000550060006500測量值（g）2200250030003500400045005000550160026502在實物中，經過反復測試，重量誤差控制在±0.01Kg，又考慮到秤臺自重、振動和沖擊分量，還要避免超重損壞傳感器，所以我們確定電子秤的額定載荷為5Kg，允許過載為150%F.S，最大量程時誤差 0.01kg。綜上，本設計的仿真以與實物均大體工作正常。7總結隨著集成電路和計算機技術的迅速

52、發(fā)展，使電子儀器的整體水平發(fā)生巨大變化，傳統(tǒng)的儀器逐步的被智能儀器所取代。智能儀器的核心部件是單片機，因其極高的性價比得到廣泛的應用與發(fā)展，從而加快了智能儀器的發(fā)展。而傳感器作為測控系統(tǒng)中對象信息的入口，越來越受到人們的關注。傳感器好比人體“五官”的工程模擬物，它是一種能將特定的被測量信息（物理量、化學量、生物量等）按一定規(guī)律轉換成某種可用信號輸出的器件或裝置本次設計中的半橋電子秤就是在以上儀器的基礎上設計而成的。因此，只有充分了解有關智能儀器、單片機、傳感器以與各部分之間的關系才能達到要求。首先是傳感器的精密度，它將直接影響電子秤的稱重準確度。課設時由于傳感器發(fā)出的信號不是很穩(wěn)定，所以稱重時

53、誤差很大。如果使用精密度較高的傳感器，效果會好的多。其次是數(shù)據(jù)采集處理階段，此階段是對傳感器發(fā)出的信號進行量化、采集，主要分為信號放大、采集，然后進行A/D轉換。該階段需注意的地方是對傳感器輸出的信號進行放大時，應選取合適的運算放大電路。最好是預先計算好應放大的倍數(shù)，以便選取。還有就是進行數(shù)據(jù)處理時，選取適當?shù)臄?shù)據(jù)轉換系數(shù)，使輸出滿足量程要求。在設計制作高精度電子秤的過程中，我深切體會到理論與實踐相結合的重要性。本系統(tǒng)的制作主要應用到了模擬電子技術、數(shù)字電子技術、單片機控制技術、電子工藝和C程序設計等多方面的知識，所設計的基于STC52單片機程序控制的高精度數(shù)字電子秤，達到了設計要求，同時也使

54、我的動手能力和電子設計能力得到了極大鍛煉。特別是在線性度的確定過程中，實驗測試數(shù)據(jù)用EXCEL繪圖，可以得出真值和砝碼值的關系接近為一條直線，所以就可以得出它們之間的線性關系。接著用最小二乘法對實驗測試數(shù)據(jù)進行擬合，最終完成定標。這一過程很好地將理論與實踐結合起來了。同時通過多次測量數(shù)據(jù)，得出的值更接近真實值。這樣利用實驗數(shù)據(jù)進行分析，使設計更有說服力，也增強了本設計電子秤的準確性和精確性。進一步肯定了設計的正確性。本次論文設計展示了自己的能力，更讓筆者體會到了電子技術與設計的趣味，以與其強大深遠的實用性。也使我們深切認識到自身知識能力尚存在許多不足。設計中還存在一些不盡完美的地方，硬件電路部

55、分的焊接沒有做到最簡單方便，布局還可以更合理，軟件設計部分還需要進一步的完善。今后，我將更加努力學習，不斷完善自己的專業(yè)知識，提高專業(yè)技能。8致該電子秤控制系統(tǒng)的設計與論文的撰寫是在老師與各位學長的精心指導和悉心關懷下完成的，從論文的選題、研究、撰寫到定稿，都得到了老師和學長的細心指導。他們寬厚待人，對同學關懷備至，在工作上精益求精，對同學們嚴格要求，鼓勵同學們學以致用，敢于實踐，勇于創(chuàng)新，在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。老師具有豐富的科研經驗與理論水平，其開明的學術思想、的科研作風和對科學研究與發(fā)展趨勢的深刻認識給我以極大的影響、啟迪和熏，令我受益匪淺。該設計與論文的圓滿完成是和老師的細心關懷分不開的。在系統(tǒng)的設計和論文的研究工作中無不傾注著各位老師的心血和辛勤的汗水，各位老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的知識、生動而滿富激情的授課方式，讓我大學里學到了扎實的理論知識。從各位尊敬的老師身上，我不僅學到了扎實的專業(yè)知識和豐富的實踐技能，也學到了很多做人