基于單片機(jī)稱重儀畢業(yè)設(shè)計

第1章緒論1.1本課題研究的背景及意義稱重技術(shù)自古以來就被人們所重視，作為一種計量手段，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、科研、交通、內(nèi)外貿(mào)易等各個領(lǐng)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(shè)、科學(xué)研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺少的計量設(shè)備，衡器產(chǎn)品技術(shù)水平的上下，將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會經(jīng)濟(jì)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)的一個組成局部，推進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量以及加強(qiáng)企業(yè)管理、改善經(jīng)營管理等多方面的作用。稱重裝置的應(yīng)用已普及到國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。因此，稱重技術(shù)的研究和衡器工業(yè)的開展各國都非常重視。50年代中期電子技術(shù)的滲入推動了衡器制造業(yè)的開展。60年代初期出現(xiàn)機(jī)電結(jié)合式電子衡器以來，經(jīng)過40多年的不斷改良與完善，我國電子衡器從最初的機(jī)電結(jié)合型開展到現(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(shù)及應(yīng)用得到了新開展。電子稱重技術(shù)從靜態(tài)稱重向動態(tài)稱重開展：計量方法從模擬測量向數(shù)字測量開展；測量特點(diǎn)從單參數(shù)測量向多參數(shù)測量開展，特別是對快速稱重和動態(tài)稱重的研究與應(yīng)用。通過分析近年來電子衡器產(chǎn)品的開展情況及國內(nèi)外市場的需求，電子衡器總的開展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術(shù)性能趨向是速率高、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向是稱重計量的控制信息和非控制信息并重的“智能化〞功能；其應(yīng)用性能趨向于綜合性和組合性。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(shè)、科學(xué)研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺少的計量設(shè)備，衡器產(chǎn)品技術(shù)水平的上下，將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會經(jīng)濟(jì)效益的提高。隨著自動化測試技術(shù)的開展，傳統(tǒng)的稱重系統(tǒng)在功能、精度、性價比等方面已難以滿足人們的需要，尤其在智能化、便捷式、對微小質(zhì)量的測量方面更顯得力不從心。筆者采用以AT89S51單片機(jī)為控制核心，結(jié)合高敏度的電阻式應(yīng)變式壓力傳感器和高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)計稱重系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及軟件、硬件。實(shí)現(xiàn)物體質(zhì)量、控制及顯示報告的電氣化與智能化。稱重器是電子衡器的一種，電子衡器是自動化稱重控制和貿(mào)易計量的重要手段,對加強(qiáng)企業(yè)管理、嚴(yán)格生產(chǎn)、貿(mào)易結(jié)算、交通運(yùn)輸、港口計量和科學(xué)研究都起到了重要作用。電子衡器具有反響速度快、測量范圍廣、應(yīng)用面廣、結(jié)構(gòu)簡單、使用操作方便、信號遠(yuǎn)傳便于計算機(jī)控制等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于煤炭、石油、化工、電力、輕工、冶金、礦山、交通運(yùn)輸、港口建筑機(jī)械制造和國防等各個領(lǐng)域。在工業(yè)現(xiàn)場和環(huán)境中干擾源是各種各樣的，如噪音干擾、工頻干擾等，抗工頻干擾能力成為衡量電子衡器性能的重要指標(biāo)。為了具備這一性能，市場上的電子衡器的電路普遍較復(fù)雜，相對地，本錢也較高。而本產(chǎn)品電路簡單，本錢低，抗工頻干擾強(qiáng)，具有很好的推廣價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀50年代中期電子技術(shù)的滲入推動了衡器制造業(yè)的開展。60年代初期出現(xiàn)機(jī)電結(jié)合式電子衡器以來，經(jīng)過40多年的不斷改良與完善，我國電子衡器從最初的機(jī)電結(jié)合型開展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型。我國電子衡器的技術(shù)裝備和檢測試驗(yàn)手段根本到達(dá)國際90年代中期的水平,少數(shù)產(chǎn)品的技術(shù)已處于國際領(lǐng)先水平。國內(nèi)的電子秤市場中,1009左右量程的電子秤精度一般為0.019即10mg。在研究方法上,電子稱重系統(tǒng)的工作原理一般是將作用在承載器上的質(zhì)量或力的大小,通過壓力傳感器轉(zhuǎn)換為電信號,并通過控制電路來處理該電信號。電子衡器制造技術(shù)及應(yīng)用得到了新開展。電子稱重技術(shù)從靜態(tài)稱重向動態(tài)稱重開展：計量方法從模擬測量向數(shù)字測量開展；測量特點(diǎn)從單參數(shù)測量向多參數(shù)測量開展，特別是對快速稱重和動態(tài)稱重的研究與應(yīng)用。在國際上,一些興旺國家在電子稱重力一面已經(jīng)到達(dá)了較高的水平。特別是在準(zhǔn)確度和可靠性等方面有了很大的提高。在稱重傳感器方面,國外電子秤產(chǎn)品的品種和結(jié)構(gòu)又有創(chuàng)新,技術(shù)功能和應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,成果舉例如下:(l)美國Revere公司研制出PUS型具有大氣壓力補(bǔ)償功能的拉壓兩用的稱重傳感器,用于高準(zhǔn)確度檢驗(yàn)平臺,稱重平臺,準(zhǔn)確度可達(dá)5000d。(2)德國HBM公司研制成功C2A、C16A兩種不同結(jié)構(gòu)的1-100t具有耐壓外殼保護(hù)的防爆稱重傳感器,其防爆性能符合歐洲EN50014和EN50018d級標(biāo)準(zhǔn)。(3)美國斯凱梅公司研制出新一代高準(zhǔn)確度不銹鋼F6Ox系列5-5000kg稱重傳感器,準(zhǔn)確度6000d。用于濕度大,腐蝕性強(qiáng)的環(huán)境中,而且防水。(4)德國塞特內(nèi)爾公司研制出以被青銅為彈性體材料,快速稱重用200型稱重傳感器。其特點(diǎn)是線性好,固有頻率高,動態(tài)響應(yīng)快。獨(dú)創(chuàng)油阻尼裝置與過載保護(hù)裝置一體化,保證稱量時速度快,工作壽命長。組裝3一30kg電子平臺秤,準(zhǔn)確度可達(dá)4000d。但就總體而言，我國電子衡器產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量與工業(yè)興旺國家相比還有較大差距，其主要差距是技術(shù)與工藝不夠先進(jìn)、工藝裝備與測試儀表老化、開發(fā)能力缺乏、產(chǎn)品的品種規(guī)格較少、功能不全、穩(wěn)定性和可靠性較差等。1.3本課題研究的內(nèi)容本設(shè)計是飼養(yǎng)場單體稱重器是基于單片機(jī)的稱重儀，它的硬件電路設(shè)計包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換器、稱重傳感器、LED顯示電路、±5V穩(wěn)壓電源電路等幾局部設(shè)計內(nèi)容。臺式電子計價秤具在商業(yè)貿(mào)易中的使相當(dāng)普遍,但應(yīng)用場所受到制約。電子秤產(chǎn)品的應(yīng)用性能趨向上更綜合性和組合性。在工業(yè)稱重計量過程或工藝流程中,不少稱重計量系統(tǒng)還要求具有可組合性,即測量范圍等可以任意設(shè)定;硬件功能向軟件方向開展;軟件能按一定的程序進(jìn)行修改和擴(kuò)展;輸入輸出數(shù)據(jù)與指令可以使用不同的語一言和條形碼,并能與外部的控制和數(shù)據(jù)處理設(shè)備進(jìn)行通信。我國衡器行業(yè)使用面最廣、產(chǎn)銷量最大的計量產(chǎn)品是非自動衡器。國際法制計量組織76號國際建議OIMLR76一非自動衡器(它是目前國際上唯一的非自動衡器通用國際標(biāo)準(zhǔn))中,明確規(guī)定非自動衡器按大類分為非自動天平與非自動秤。目前我國產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中列入的十大類衡器已實(shí)現(xiàn)了電子化第2章稱重器的總體方案設(shè)計2.1稱重器的根本工作原理電子秤的工作原理以電子元件:稱重傳感器，放大電路,AD轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)電路，顯示電路，通訊接口電路，穩(wěn)壓電源電路等電路組成。當(dāng)物體放在秤盤上時，壓力施給傳感器，該傳感器發(fā)生形變，從而使阻抗發(fā)生變化，同時使用鼓勵電壓發(fā)生變化，輸出一個變化的模擬信號。該信號經(jīng)放大電路放大輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換成便于處理的數(shù)字信號輸出到CPU運(yùn)算控制。CPU根據(jù)程序?qū)⑦@種結(jié)果輸出到顯示器，直至顯示這種結(jié)果，電路原理圖如圖2-1所示。圖2-1電路原理圖2.2稱重器的系統(tǒng)總體框圖按照本設(shè)計功能的要求，系統(tǒng)由4個局部組成：控制器局部、信號采集局部、數(shù)據(jù)顯示局部、和電路電源局部，系統(tǒng)設(shè)計總體方案框圖如圖2-2所示。信號放大調(diào)理電路中央處理單元壓力傳感器信號放大調(diào)理電路中央處理單元壓力傳感器LED顯示LED顯示模/數(shù)轉(zhuǎn)換模/數(shù)轉(zhuǎn)換電源電路電源電路圖2-2總系統(tǒng)體框圖信號采集局部是利用稱重傳感器檢測壓力信號，得到微弱的電信號〔本設(shè)計為電壓信號〕，而后經(jīng)處理電路〔如濾波電路，差動放大電路，〕處理后，送A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出?？刂破骶植拷邮軄碜訟/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號，經(jīng)過復(fù)雜的運(yùn)算，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為物體的實(shí)際重量信號，并將其存儲到存儲單元中?？刂破鬟€可以通過對擴(kuò)展I/O的控制，對鍵盤進(jìn)行掃描，而后通過鍵盤散轉(zhuǎn)程序，對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)顯示局部根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)顯示功能。電路電源局部主要是為電路提供穩(wěn)定方便的電源，將工頻電壓直接轉(zhuǎn)換成所需的±5伏電壓。2.3稱重器的主控制系統(tǒng)設(shè)計稱重器的主控制系統(tǒng)介紹該系統(tǒng)選用AT89S51單片機(jī)為主控制器，主要是先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集由前級放大器把壓力傳感器獲取的電壓信號放大的模擬信號，在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號。此信號在單片機(jī)內(nèi)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理及各種運(yùn)算把所感知的二進(jìn)制信號轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，并送進(jìn)顯示模塊顯示出來。稱重器的主控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1〕主控制系統(tǒng)具備的功能該系統(tǒng)采用單片機(jī)作為主控制系統(tǒng)，主要目的在于稱重之后的數(shù)字化顯示和實(shí)現(xiàn)精確的測量，故系統(tǒng)應(yīng)該具有單片機(jī)工作所需的穩(wěn)定的+5V直流電源，又考慮到數(shù)字化顯示所用到的數(shù)碼管中會出現(xiàn)某段被損壞而不被點(diǎn)亮的情況，系統(tǒng)應(yīng)該具有開機(jī)自檢功能，就是開機(jī)后自動逐個掃描每一個晶體管，用來檢查數(shù)碼管各段是否完好，可以依靠軟件編程實(shí)現(xiàn)。2〕單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示：測量放大信號A/D模塊控制模塊顯示模塊測量放大信號A/D模塊控制模塊顯示模塊圖2-3單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.4稱重器各模塊的方案選型整個硬件系統(tǒng)由四大模塊組成，下面以控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為依據(jù)就針對各模塊做具體的方案設(shè)計。電源模塊方案選型為了使稱重儀的供電方便，這里把電源設(shè)計成用220V的交流電經(jīng)過變壓器后輸出±9的電壓，經(jīng)整流濾波電路后，通過LM7805和LM7905進(jìn)行DC/DC變換得到±5V供壓力傳感器器和系統(tǒng)的其他芯片使用。數(shù)據(jù)采集模塊方案選型數(shù)據(jù)采集模塊分為3個局部：稱重傳感器、前級放大器和A/D轉(zhuǎn)換器。1〕稱重傳感器首先這里傳感器選用L-PSII-10型壓力傳感器，為雙孔懸臂梁形式，是電子計價秤的專用產(chǎn)品。這里說下傳感器的選型方法，可具體參考以下步驟：計算并確定轉(zhuǎn)換系數(shù)(f)，轉(zhuǎn)換系數(shù)(f)是說明每一個檢定分度值(V)中有多少個示值單位，是用于把全部示值單位轉(zhuǎn)換為“V〞的，它是由初始公稱試驗(yàn)溫度20℃時，進(jìn)程負(fù)荷試臉下試臉效據(jù)平均值確定的。計算參比示值，所謂“參比值〞即是“理論示值〞或“理想示值“。計算各試驗(yàn)點(diǎn)EL2〕前級放大器采用專用儀表放大器，如：INA126，INA121等。此類芯片內(nèi)部采用差動輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡單，且放大器的增益是可以改變的?；谝陨戏治觯覀儧Q定采用制作方便而且精度很好的專用儀表放大器INA1263〕A/D轉(zhuǎn)換器然后按設(shè)計要求：電子稱最大稱重為50公斤，重量誤差不能大于1%。我們的理解是滿刻度時，只能有±5g的誤差，精度要求較高。同樣也有以下幾種方案采用方案一：采用V/F變換芯片LM331該方案是使用壓頻變換器件，把電壓信號轉(zhuǎn)化為頻率信號，單片機(jī)通過計數(shù)獲得重物的重量，此方案，可不用A/D，但需要比擬復(fù)雜的小信號放大、調(diào)理電路，并且LM331外圍電路較繁瑣，參數(shù)配置相對嚴(yán)格，故未采用。方案二：選用12位逐次比擬式ADC，此方案經(jīng)小信號放大、調(diào)理電路，可直接連接單片機(jī)，也可以可滿足精度要求，故采用此方案。主控制器模塊方案選型根據(jù)本設(shè)計與主控制系統(tǒng)的功能要求，以及性價比的最大化這里選用51單片機(jī)。而且以單片機(jī)為主控制器的設(shè)計，可以容易地將計算機(jī)技術(shù)和測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新型的只需要改變軟件程序就可以更新?lián)Q代的“智能化測量控制系統(tǒng)〞。數(shù)據(jù)顯示模塊方案選型本設(shè)計只需要顯示出所稱實(shí)物的實(shí)際重量，由于LED耗電省、使用壽命長、本錢低、亮度高等優(yōu)點(diǎn)，再加上驅(qū)動簡單，容易利用單片機(jī)對其進(jìn)行控制和編程等特點(diǎn)選用LED顯示。第3章稱重器的各單元電路硬件設(shè)計3.1AT89S51單片機(jī)的簡介AT89S51是一種低功耗，高性能的片內(nèi)含有4KB快閃可編程/擦除只讀存儲器〔FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕的8位COMS微控制器，使用高密度，非易失存儲技術(shù)制造，并且與80C51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。芯片上的FPEROM允許在線編程或采用通用的非易失存儲編程器對存儲器重復(fù)編程。AT89S51〔以下簡稱89S51〕將具有多種功能的8位CPU與FPEROM結(jié)合在一個芯片上，為很多嵌入式控制應(yīng)用提供了非常靈活而又廉價的方案，其性能價格比遠(yuǎn)高于8751。由于片內(nèi)帶EPROM的87S51價格偏高，而片內(nèi)帶FPEROM的89S51價格低且與80C51兼容，這就顯示出了89S51的優(yōu)越性。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89S51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89S單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計中央處理單元選用我們熟悉的單片機(jī)，即最后電路的核心采用最常用、好用和廉價的ATEMAL公司的AT89S51。設(shè)計者必須仔細(xì)選擇晶振頻率，確保標(biāo)準(zhǔn)的通訊波特率〔1200、4800、9600、19.2K等〕。不妨先列出可供選擇的晶振所能產(chǎn)生的波特率，然后根據(jù)需要的波特率和系統(tǒng)要求選擇晶振。有時也不必過分考慮晶振問題，因?yàn)榭梢远ㄖ凭д瘛．?dāng)晶振頻率超過20M時，必須確保總線上的其它器件能夠在這種頻率下工作。盡可能少的外部電路的條件下，形成一個可以獨(dú)立工作的單片機(jī)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)以下功能：處理重量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)重量的顯示，控制數(shù)碼管的顯示。當(dāng)工作頻率增加時，功耗也會增加，這點(diǎn)在使用電池作為電源的系統(tǒng)中應(yīng)充分考慮。單片機(jī)采用AT89S51單片機(jī)，它有4K的程序存儲空間和256B的數(shù)據(jù)存儲空間，可以滿足編程的要求。P0口和P2口用于LED數(shù)碼管的顯示。用12Mhz的晶振，時鐘周期為1us。采用按鍵復(fù)位。是一個低功耗高性能單片機(jī)，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出〔I/O〕端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。結(jié)合我們的實(shí)際情況對經(jīng)濟(jì)和實(shí)用價值的對照我們選用ATEMAL公司的AT89S51作為我們此次稱重儀的主控制系統(tǒng)，其最小系統(tǒng)的外圍電路圖如圖3-1所示圖3-1單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2電源電路設(shè)計本時鐘電源采用整流濾波電路和三端穩(wěn)壓電路LM7805和LM7905。LM7805CT芯片輸入端電壓約為9V,輸出端電壓為5V，LM7905芯片輸入端電壓約為-9V,輸出端電壓為-5V，輸入端和輸出端的壓差絕對值都應(yīng)大于2.5V,否那么會失去穩(wěn)壓能力。同時考慮到功耗問題,此壓差又不易太大,太大那么增加7805與7905本身的功率消耗,增加芯片的升溫,不利于平安。放大模塊與A/D轉(zhuǎn)換模塊需要正負(fù)電源，采用自制電源，可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器是輸出電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓器，據(jù)此確定變壓器原副邊匝數(shù)比這樣即可得到系統(tǒng)所需要的±5V電源，電源設(shè)計圖如圖3-2所示。圖3-2電源設(shè)計圖3.3稱重傳感器的根本工作原理傳感器實(shí)際上是一種將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置。用傳感器首先要考慮傳感器所處的實(shí)際工作環(huán)境，這點(diǎn)對正確使用傳感器至關(guān)重要，它關(guān)系到傳感器能否正常工作以及它的平安和使用壽命，乃至整個衡器的可靠性和平安性。因此傳感器外圍電路的抗干擾能力是數(shù)據(jù)采集局部電路設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時，輸出信號電壓可由下面公式給出：電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個原理：彈性體〔彈性元件，敏感梁〕在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他外表的電阻應(yīng)變片〔轉(zhuǎn)換元件〕也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化〔增大或減小〕，再經(jīng)相0應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號〔電壓或電流〕，從而完成了將外力變換為電信號的過程。由此可見，電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測電路是電阻應(yīng)變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要局部。下面就這三方面簡要論述。1〕電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片。他的一個重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。我們來介紹一下它的意義。設(shè)有一個金屬電阻絲，其長度為L，橫截面是半徑為r的圓形，其面積記作S，其電阻率記作ρ，這種材料的泊松系數(shù)是μ。當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時，它的電阻值為R：R=ρL/S〔Ω〕2)彈性體彈性體是一個有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產(chǎn)生反作用力，到達(dá)相對靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個高品質(zhì)的應(yīng)變場〔區(qū)〕，使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比擬理想的完成應(yīng)變電信號的轉(zhuǎn)換任務(wù)。3〕檢測電路檢測電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。因?yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比擬方便的解決稱重傳感器的補(bǔ)償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵銷，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。3.4前級放大器電路設(shè)計稱重傳感器輸出的電壓信號為毫伏級，所以對運(yùn)算放大器要求很高。所采用的專用儀表放大器我們選用INA126，其接口如圖3-3所示：圖3-3INA126接口電路3.5A/D轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計考慮到本系統(tǒng)中對物體重量的測量和使用的場合，精度要挺苛刻，轉(zhuǎn)換速率要求不太，本設(shè)計采用MAXIM推出的MAX18。3.5.1在A/D轉(zhuǎn)換器中，因?yàn)檩斎氲哪M信號在時間上是連續(xù)量，而輸出的數(shù)字信號代碼是離散量，所以進(jìn)行轉(zhuǎn)換時必須在一系列選定的瞬間〔亦即時間坐標(biāo)軸上的一些規(guī)定點(diǎn)上〕對輸入的模擬信號取樣，然后再把這些取樣值轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量。因此，一般的A/D轉(zhuǎn)換過程是通過取樣、保持、量化和編碼這四個步驟完成的。1〕取樣定理可以證明，為了正確無誤地用取樣信號vS表示模擬信號vI，fS取樣頻率，fimax為輸入信號vI的最高頻率分量的頻率。其中對輸入模擬信號的采樣的所用濾波器的頻率特性。在滿足取樣定理的條件下，可以用一個低通濾波器將信號vS復(fù)原為vI，這個低通濾波器的電壓傳輸系數(shù)在低于fimax的范圍內(nèi)應(yīng)保持不變，而在fS－fimax以前應(yīng)迅速下降為零。因此，取樣定理規(guī)定了A/D轉(zhuǎn)換的頻率下限。因?yàn)槊看伟讶与妷恨D(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量都需要一定的時間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時間?？梢?，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時所用的輸入電壓，實(shí)際上是每次取樣結(jié)束時的vI值。2〕量化和編碼我們知道，數(shù)字信號不僅在時間上是離散的，而且在數(shù)值上的變化也不是連續(xù)的。這就是說，任何一個數(shù)字量的大小，都是以某個最小數(shù)量單位的整倍數(shù)來表示的。因此，在用數(shù)字量表示取樣電壓時，也必須把它化成這個最小數(shù)量單位的整倍數(shù)，這個轉(zhuǎn)化過程就叫做量化。所規(guī)定的最小數(shù)量單位叫做量化單位，用Δ表示。顯然，數(shù)字信號最低有效位中的1表示的數(shù)量大小，就等于Δ。把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示，稱為編碼。這個二進(jìn)制代碼就是A/D轉(zhuǎn)換的輸出信號。既然模擬電壓是連續(xù)的，那么它就不一定能被Δ整除，因而不可防止的會引入誤差，我們把這種誤差稱為量化誤差。在把模擬信號劃分為不同的量化等級時，用不同的劃分方法可以得到不同的量化誤差。假定需要把0～+1V的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成3位二進(jìn)制代碼，這時便可以取Δ=〔1/8〕V，并規(guī)定凡數(shù)值在0～〔1/8〕V之間的模擬電壓都當(dāng)作0×Δ看待，用二進(jìn)制的000表示；凡數(shù)值在〔1/8〕V～〔2/8〕V之間的模擬電壓都當(dāng)作1×Δ看待，用二進(jìn)制的001表示，……等等。不難看出，最大的量化誤差可達(dá)Δ，即〔1/8〕V。為了減少量化誤差，通常采用的劃分方法，取量化單位Δ=〔2/15〕V，并將000代碼所對應(yīng)的模擬電壓規(guī)定為0～〔1/15〕V，即0～Δ/2。這時，最大量化誤差將減少為為Δ/2=〔1/15〕V。這個道理不難理解，因?yàn)楝F(xiàn)在把每個二進(jìn)制代碼所代表的模擬電壓值規(guī)定為它所對應(yīng)的模擬電壓范圍的中點(diǎn)，所以最大的量化誤差自然就縮小為Δ/2了。3〕取樣—保持電路電路的組成N溝道MOS管T作為取樣開關(guān)用。所示上的取樣-保持電路中，當(dāng)控制信號vL為高電平時，T導(dǎo)通，輸入信號vI經(jīng)電阻Ri和T向電容Ch充電。假設(shè)取Ri=Rf，那么充電結(jié)束后vO=－vI=vC。當(dāng)控制信號返回低電平，T截止。由于Ch無放電回路，所以vO的數(shù)值被保存下來。3.5.2MAXIM推出的MAX187方便之處在于它包括了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所必須的所有部件——轉(zhuǎn)換速度8.5μs的A/D轉(zhuǎn)換器(逐次比擬式)、T/H(采樣保持)、內(nèi)置4.096V參考電壓源,以串行方式輸出；8腳DIP封裝或16腳SO封裝,節(jié)約印刷板空間，±1/2LSB的誤碼率(MAX187A)；內(nèi)置采樣保持電路,數(shù)據(jù)采樣速度為75kbps；單+5V電源供電，等待方式靜態(tài)工作電流2μA,正常工作電流1.5Ma；串行接口,兼容SPI、QSPI、Microwave。幾乎不需任何外圍器件就能構(gòu)成一個完整的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。MAX187使用采樣/保持器〔T/H〕和逐次逼近存放器〔SAR〕電路將一個模擬輸入信號轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字輸出。其輸入信號在0V~Vref之間，轉(zhuǎn)換時間包括T/H的采樣時間在內(nèi)為10us。串行接口只需3根數(shù)字線：SCLK,CS和DOUT，與微處理器接口非常簡單，它的外圍引腳接線圖如圖3-4所示。圖3-4MAX187外圍引腳接線圖MAX187有兩種工作方式：正常方式和暫停方式。將SHDN引腳拉成低電平，器件處于暫停狀態(tài)，電源電流減低至10uA屬于低功耗狀態(tài);引腳懸空時，禁止內(nèi)部參考電源，允許使用外部電源；接高電平時，允許使用內(nèi)部的參考電源。當(dāng)CS變?yōu)榈碗娖綍r,開始轉(zhuǎn)換,此時,DOUT輸出為低電平。包括T/H時間的轉(zhuǎn)換時間為10μs,轉(zhuǎn)換結(jié)束,DOUT變?yōu)楦唠娖?當(dāng)檢測到DOUT為高電平時,即可讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在SCLK輸入一個脈沖,最高位B11出現(xiàn)在DOUT上,經(jīng)過11個時鐘后,分別移位輸出B10～B0數(shù)據(jù),再進(jìn)入一個時鐘后,一個轉(zhuǎn)換周期結(jié)束。因此,每次數(shù)據(jù)讀取需經(jīng)過13個時鐘周期,12MHz時鐘下共13×0.1μs=1.3μs,因此完成一次轉(zhuǎn)換需10+1.3μs,約為11μs。3.6顯示電路設(shè)計顯示器是最常用的輸出設(shè)備。特別時發(fā)光二極管顯示器〔LED〕和液晶顯示器〔LCD〕，LED是一類可直接將電能轉(zhuǎn)化為可見光和輻射能的發(fā)光器件，具有工作電壓低，耗電量小，發(fā)光效率高，發(fā)光響應(yīng)時間極短，光色純，結(jié)構(gòu)牢固，抗沖擊，耐振動，性能穩(wěn)定可靠，重量輕，體積小，本錢低等一系列特性，開展突飛猛進(jìn)，現(xiàn)已能批量生產(chǎn)整個可見光譜段各種顏色的高亮度、高性能產(chǎn)品。由于結(jié)構(gòu)簡單、價格廉價和接口容易，而得到廣泛的應(yīng)用。尤其是在單片機(jī)系統(tǒng)中大量應(yīng)用。LED的核心發(fā)光局部是由p型和n型半導(dǎo)體構(gòu)成的pn結(jié)管芯，當(dāng)注入pn結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時，就會發(fā)出可見光，紫外光或近紅外光。但pn結(jié)區(qū)發(fā)出的光子是非定向的，即向各個方向發(fā)射有相同的幾率，因此，并不是管芯產(chǎn)生的所有光都可以釋放出來，這主要取決于半導(dǎo)體材料質(zhì)量、管芯結(jié)構(gòu)及幾何形狀、封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)與包封材料，應(yīng)用要求提高LED的內(nèi)、外部量子效率。LED發(fā)光顯示器可由數(shù)碼管或米字管、符號管、矩陳管組成各種多位產(chǎn)品，由實(shí)際需求設(shè)計成各種形狀與結(jié)構(gòu)。以數(shù)碼管為例，有反射罩式、單片集成式、單條七段式等三種封裝結(jié)構(gòu)，連接方式有共陽極和共陰極兩種，一位就是通常說的數(shù)碼管，兩位以上的一般稱作顯示器。反射罩式具有字型大，用料省，組裝靈活的混合封裝特點(diǎn)，一般用白色塑料制作成帶反射腔的七段形外殼，將單個LED管芯粘結(jié)在與反射罩的七個反射腔互相對位的PCB板上，每個反射腔底部的中心位置是管芯形成的發(fā)光區(qū)，用壓焊方法鍵合引線，在反射罩內(nèi)滴人環(huán)氧樹脂，與粘好管芯的PCB板對位粘合，然后固化即成。反射罩式又分為空封和實(shí)封兩種，前者采用散射劑與染料的環(huán)氧樹脂，多用于單位、雙位器件；后者上蓋濾色片與勻光膜，并在管芯與底板上涂透明絕緣膠，提高出光效率，一般用于四位以上的數(shù)字顯示。單片集成式是在發(fā)光材料晶片上制作大量七段數(shù)碼顯示器圖形管芯，然后劃片分割成單片圖形管芯，粘結(jié)、壓焊、封裝帶透鏡(俗稱魚眼透鏡)的外殼。單條七段式將已制作好的大面積LED芯片，劃割成內(nèi)含一只或多只管芯的發(fā)光條，如此同樣的七條粘結(jié)在數(shù)碼字形的可伐架上，經(jīng)壓焊、環(huán)氧樹脂封裝構(gòu)成。單片式、單條式的特點(diǎn)是微小型化，可采用雙列直插式封裝，大多是專用產(chǎn)品。LED光柱顯示器在106mm長度的線路板上，安置101只管芯(最多可達(dá)201只管芯)，屬于高密度封裝，利用光學(xué)的折射原理，使點(diǎn)光源通過透明罩殼的13-15條光柵成像，完成每只管芯由點(diǎn)到線的顯示，封裝技術(shù)較為復(fù)雜。在許多實(shí)際的系統(tǒng)中，經(jīng)常需要多個LED顯示系統(tǒng)的信息，比方，數(shù)字鐘實(shí)驗(yàn)要顯示時、分和秒信息，就必須要6個LED，對這些LED的控制也可以和上面一位LED顯示器一樣，采用6個七段譯碼器驅(qū)動每一個LED,并使所有LED的公共端始終接有效信號，即共陰極LED公共端接地，共陽極LED公共端接電源。這種LED顯示方式稱為靜態(tài)顯示方式。采用靜態(tài)方式,LED亮度高，但這是以復(fù)雜硬件驅(qū)動電路作為代價的，硬件本錢高。因此,在實(shí)際使用時,特別是有微處理器的系統(tǒng)中，如果用多位的LED顯示,一般采取動態(tài)掃描方式、分時循環(huán)顯示，即多個發(fā)光管輪流交替點(diǎn)亮。這種方式的依據(jù)是利用人眼的滯留現(xiàn)象，只要在1秒內(nèi)一個發(fā)光管亮24次以上，每次點(diǎn)亮?xí)r間維持1ms以上，那么人眼感覺不到閃爍，宏觀上仍可看到多位LED同時顯示的效果。動態(tài)顯示可以簡化硬件、降低本錢、減小功耗。LED結(jié)構(gòu)與原理發(fā)光二極管顯示器是單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品中常用的廉價輸出設(shè)備。它是由假設(shè)干個發(fā)光二極管組成顯示的字段。當(dāng)二極管導(dǎo)通時相應(yīng)的一個點(diǎn)或一個筆劃發(fā)光，就能顯示出各種字符，常用的八段LED顯示器的結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。圖3-5八段數(shù)碼顯示LED數(shù)碼顯示器有兩種結(jié)構(gòu)：將所有發(fā)光二極管的陽極連在一起，稱為共陽接法公共端comm接高電平，當(dāng)某個字段的陰極接低電平時，對應(yīng)的字段就點(diǎn)亮；而將有發(fā)光二極管的陰極連在一起稱為共陰接法，公共端comm接低電平，當(dāng)某個字段的陽極接高電平時，對應(yīng)的字段就點(diǎn)亮。每段所需電流一般為5~15mA，實(shí)際電流視具體的LED數(shù)碼顯示器而定。動態(tài)顯示LED顯示器接口所謂的動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器，對每一位顯示器而言，每隔一段時間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度跟導(dǎo)通的電流有關(guān)，也和點(diǎn)亮的時間與間隔的比例有關(guān)。顯示局部采用4個八段共陰數(shù)碼管，采用動態(tài)顯示，利用驅(qū)動器74LS244驅(qū)動數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，到達(dá)控制八段碼的目的?？梢杂脠D3-6來形象說明動態(tài)顯示原理。段驅(qū)動器和位驅(qū)動器同時發(fā)出有效信號才能點(diǎn)亮對應(yīng)段，否那么就呈現(xiàn)不亮狀態(tài)。由單片機(jī)來控制點(diǎn)亮的時間，第一位點(diǎn)亮后依次點(diǎn)亮后面各位。圖3-6多位LED動態(tài)顯示電路為設(shè)計選用的顯示局部電路圖驅(qū)動器74LS244控制4位數(shù)碼管的段選，反向驅(qū)動器74LS04控制位選，最后由單片機(jī)發(fā)出采集到的信號指令來決定各個數(shù)碼管的明滅狀態(tài)和時間長短。DS1-DS4四位LED分別顯示的是稱重結(jié)果的千位、百位、十位、個位，單位為克，顯示精度為1/5000，符合系統(tǒng)設(shè)計的要求，如圖3-7所示系統(tǒng)顯示局部接線圖。圖3-7系統(tǒng)顯示局部接線圖第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)4.1系統(tǒng)總流程圖系統(tǒng)的軟件設(shè)計核心是稱重傳感器的應(yīng)變信號處理，按鍵子程序以及中斷方式與程序查詢方式的良好配合等。其主要流程圖如圖4-1所示。圖4-1主程序流程4.2基于單片機(jī)AT89S51系統(tǒng)程序org0000hljmpmainorg0020hmain:lcallservezbcd:mova,20h;千位放入R1anla,#10hmov40h,#04hzhyi1:rradjnz40h,zhyi1movr1,amova,20h;百位放入R2anla,#0fhmovr2,amova,21h;十位放入R3anla,#0f0hmov40h,#04hzhyi2:rradjnz40h,zhyi2movr3,amova,21h;個位放入R4anla,#0fhmovr4,alcallzdgshlcallYANSHIlcallYANSHIsjmpmain;*******************************************;最高位為0時不顯示;*******************************************zdgsh:cjner1,#00h,dsplay;最高位為0,不顯示movr1,#0ah;數(shù)碼管暗cjner2,#00h,dsplaymovr2,#0ahcjner3,#00h,dsplaymovr3,#0ahcjner4,#00h,dsplaymovr4,#0ah;***********************************;顯示子程序;***********************************dsplay:MOVDPTR,#Tab;找表首MOVR0,#04HLED:MOVR6,#08HMOVA,@R0;讀數(shù)據(jù)MOVCA,@A+DPTRSETBP1.1;P1.1時鐘信號cjner0,#02h,TARTadda,#80hTART:RLCAMOVP1.0,C;P1.0數(shù)據(jù)信號CLRP1.1SETBP1.1DJNZR6,TARTDECR0CJNER0,#00H,LEDRET;******************************;延時子程序;******************************YANSHI:MOVR0,#00HLOOP15:MOVR1,#00HLOOP16:NOPDJNZR1,LOOP16DJNZR0,LOOP15RET;*********************************;查詢子程序;************************************serve:mova,p2JNBACC.4,serve;等待DS1=1.千位選通信號JBACC.2,PP1SETB07HAJMPPP2PP1:CLR07HPP2:JBACC.3