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电子秤智能仪表课程设计 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。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。 20世纪90年代以来，随着科学技术的进步，工业生产自动化、智能化水平的提高，各行业对称重计量提出了许多新要求，归纳起来主要是：称重技术从静态称重向动态称重方向发展；测量方法从模拟测量向数字测量方向发展；测量特点从单参数测量向多参数测量方向发展；电子衡器产品的技术性能向高速率、高准确度、高稳定性、高可靠性方向发展。 关键词：电子秤；智能仪表 目录 引言 (3) 1.设计背景 (4) 1.1课题背景 (4) 1.2设计内容 (4) 2电子秤简介 (5) 2.1总体方案设计 (5) 2.2系统组成 (6) 3系统硬件设计 (7) 3.1传感器的设计 (7) 3.2电阻应变式传感器测量电路的设计 (8) 3.3 A/D转换系统的电路设计 (8) 3.4 CPU控制系统的电路设计 (11) 3.5液晶显示简介 (13) 3.6 报警电路的设计 (15) 3.7系统总体电路图 (16) 4.软件设计 (17) 4.1主程序的设计 (17) 5电路调试 (18) 5.1系统调试及结果处理 (18) 6.总结 (19) 参考文献 (20) 附录；源程序代码 (21) 引言 近几年，我国的电子称重系统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。电子称重技术逐渐从静态称重向动态称重发展，从模拟测量向数字测量发展，从单参数测量向多参数测量发展。电子称重系统制造技术及其应用得到了新发展。国内电子称重技术基本达到国际上20世纪90年代中期的水平，少数产品的技术已处于国际领先水平。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。 1.1课题背景 随着数字信息时代的到来，在工业过程检测和称重计量与控制系统中，数字化电子称和数字称重系统的应用越来越多。 本设计则是以智能电子测量为设计方向，将传感器的输出信号经放大系统放大，再经过A/D转换系统进行模数转换后将信号发送到CPU控制系统处理并传送给LCD显示系统显示。在此基础上还增加了键盘控制及阈值报警功能，随时可改变称重上限阈值，调节单价，显示总价格，去皮处理等功能，使本产品进一步智能化，更接近本次设计的设计理念。 1.2设计内容 本设计主要是介绍了单片机控制下的电子秤，详细介绍了其硬件和软件设计，并对其各功能模块做了详细介绍，其主要功能和指标如下： (1)利用电子秤测量物体重量； (2)测量范围为0Kg2Kg，精度20g； (3)在此基础上还增加了键盘控制及阈值报警功能，随时可改变称重上限阈值，调节单价，显示总价格，去皮处理等功能。 2.电子秤简介 2.1总体方案设计 显示器的选择方案 方案一：采用LED（数码管）显示。LED（数码管）是light-emitting diode 的缩写，它经过合理的设置可以完成显示被测物质量、单价、总价以及可测上限值的任务，并且经济耐用。同时LED具有高亮度，高刷新率的优点，能提供宽达160°的视角，可以在较远的距离上看清楚。但是它的显示存在信息量少，显示不直观，不易理解，连线复杂等缺点。 方案二：采用LCD（液晶屏）显示。LCD（液晶屏）是Liquid Crystal Display 的缩写，它具有字符显示的功能，不但可以同时显示被测物质量、单价、总价以及可测上限值，还可以同时显示相应的控制命令、指示符号及单位等，信息量丰富且直观易懂。另外，液晶显示有功耗低，体积小，质量轻，寿命长，不产生电磁辐射污染等优点。 综合比较二者的优缺点，本设计最终采用LCD1602作为显示器。 AD芯片的选择方案 方案一：采用AD7810作为A/D转换器件。 AD7810是美国模拟器件公司（Analog Devices）生产的一种低功耗10位高速串行A/D转换器。该产品有8脚DIP和SOIC 两种封装形式，并带有内部时钟。它的外围接线极其简单，AD7810的转换时间为2s，采用标准SPI同步串行接口输出和单一电源（2.7V5.5V）供电。在自动低功耗模式下，该器件在转换吞吐率为1kSPS时的功耗仅为27W，因此特点适合于便携式仪表及各种电池供电的应用场合使用。 方案二：采用ADC0809作为A/D转换器件。ADC0809是采样分辨率为8位的、微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。 综上所述，由于考虑到8位模数转换已经满足本次设计要求，而且ADC0809的价格相对较低，所以本设计采用ADC0809作为模数转换器件。 CPU的选择方案 方案一：采用传统的8位的51系列单片机作为系统控制器。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读 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，功能强大的AT89C52单片机可以提供许多较复杂系统控制应用场合。而且我们做的很多产品都是在51的基础上完成，对51系列的单片机相对来说较为熟悉。 方案二：采用32位的ARM2138作为系统控制器。ARM2138具有强大的存储空间，内嵌32K片内静态RAM和512K的flash存储器，可以实现在系统可编程（ISP）、在应用可编程(IAP)，2个8路10位A/D转换器，1个D/A转换器，转换迅速准确，引脚资源丰富，多达47个可承受5V电压的通用I/O口，多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C接口（400Kb/s）、SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP。但价格相对较高。 综上分析，由于考虑到器件的价格、现有资源和对器件的掌握程度，控制器模块选择方案一。 综合考虑本次设计要求、现有元器件资源、元器件价格和对元器件的熟悉掌握程度，本次设计选用AT89C52作为CPU控制器，ADC0809作为模数转换器件，LCD1602作为显示器件，再配以其他相关元器件来实现硬件电路的设计。 2.2系统组成 在智能化电子测量的设计理念要求下，本设计由以下几部分组成：电阻应变式传感器、放大系统、A/D转换系统、CPU控制系统、LCD显示系统、报警系统及键盘控制系统。其结构原理图如图2-1所示。 图2-1 基于单片机控制的电子秤的基本组成框图 3.1 传感器的设计 电阻应变式传感器的组成及原理 电阻应变式传感器由电阻应变计、弹性体和测量电路三部分组成。本次设计所采用的传感器如图3-1所示。弹性体在外载荷作用下产生应变时，通过粘接剂传递给电阻应变计，引起电阻值改变，其结果使电桥产生不平衡输出，此输出与外载荷成正比。常用的电阻应变计有两种：电阻丝应变计和半导体应变计，本设计中采用的是电阻丝应变计，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。 图3-1 应变式传感器安装示意图 在制作过程中，由于有些电阻应变计本身就存在误差，产生误差的因素很多，在测量时我们一定要特别注意，尤其以温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：应变计敏感丝栅电阻温度系数；应变计丝栅的线膨胀系数与弹性体的线膨胀系数不一致。因此当温度变化时，在被测体受力状态及大小不变时，输出电压会有一定的变化。 对于因温度变化对桥路零点输出及灵敏度的影响，即使采用同一批应变计，也会因应变计之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子 3.2 电阻应变式传感器测量电路的设计 全桥测量电路（全桥电路如图3-2所示）中，将受力状态相同的两片应变计接入电桥对边，不同的接入邻边。应变计初始化阻值是R1R2R3R4，当其变化值R1R2R3R4时，其桥路输出电压UoutKE。其中K为应变灵敏系数，为电阻丝长度相对变化，E为电桥供电电压。 图3-2 全桥电路原理图 常规的电阻应变计K值很小，约为2，机械应变度约为0.0000010.001，所以，电阻应变片的电阻变化范围为0.00050.1欧姆。所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，电阻应变传感器中常用的是桥式测量电路。 桥式测量电路有四个桥臂，其中任何一个都可以是电阻应变计，电桥的一个对角线接入工作电压Ui，另一个对角线为输出电压Uo，如图3-2所示。其特点是：当R1R3R2R4时，电桥输出Uo为零，电桥处于平衡状态，否则电桥不平衡，就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。为了保证测量的准确性，在实测之间应使电桥平衡，这样输出电压只与应变计感受应变所引起的电阻变化有关。 测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节，我们在制作的过程中应尽量选择好元件，调整好测量的范围的精确度，以减小测量数据的误差。 3.3 A/D转换系统的电路设计 本设计采用ADC0809作为A/D转换器件，它是采样分辨率为8位的、微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。 图3-3 ADC0809芯片的内部逻辑结构示意图 由图3-3可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 ADC0809芯片的外部结构 ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3-4所示。 图3-4 ADC0809芯片的引脚结构示意图 IN0IN7：8路模拟量输入端； D0D7：8位数字量输出端； A、B、C：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路； ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效； START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）； EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）； OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量； CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ； REF（+）、REF（-）：基准电压； Vcc：电源，5V； GND：地。 模数转换电路的设计 由于ADC0809芯片的时钟频率的要求，则需将单片机的ALE信号分频再传给ADC0809，本设计选用两个D触发器对ALE信号进行分频。ADC0809芯片的8位数字量输出端直接接单片机的P1口，选用通道0作为模拟量输入端，则需将A、B、C接低电平，电路原理图如图3-5所示。 图3-5 A/D转换电路原理图 AT89C52芯片简介 AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。 AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 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，功能强大的AT89C52单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合。 AT89C52有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，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。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。 图3-6 AT89C52芯片引脚图 AT89C52芯片的引脚说明 P0口：P0口是一组8 位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位以吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。