基于基于单片机技术的超声波测距毕业论文.doc

基于基于单片机技术的超声波测距毕业论文目 录摘 要···························································IAbstract··························································II绪论···························································1I.1 课题设计的目的与其意义·································1I.2 超声波测距仪的设计思路·································11 课题的方案设计与论证···········································3 1.1 系统整体方案的设计·····································3 1.2 系统整体方案的论证·····································32 系统的硬件结构设计·············································4 2.1 单片机的功能特点与测距原理·····························4 2.2 超声波发射电路·········································6 2.3 超声波检测接收电路·····································7 2.4 超声波测距系统的硬件电路设计···························73 系统软件的设计·················································9 3.1 超声波测距仪的算法设计·································9 3.2 主程序流程图···········································10 3.3 超声波发生子程序与超声波承受中断程序···················113.4 系统的软硬件的调试·····································12总 结····························································13致 谢····························································15参考文献··························································16附 录 一 超声波测距电路原理图··································18附 录 二 超声波测距电路版图····································19附 录 三 程序清单··············································2044 / 62 绪 论.1课题设计目的与意义.1.1设计的目的随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术与产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。.1.2设计的意义随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。这就是我设计超声波测距仪的意义。.2超声波测距仪的设计思路.2.1超声波测距原理1，2发射器发出的超声波以速度在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。表1-1 超声波波速与温度的关系表温度（）-30-20-100102030100声速（ms）313319325323338344349386.2.2 超声波测距仪原理框图如以下图单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。图1-1 超声波测距仪原理框图1 课程的方案设计与论证1.1系统整体方案的设计由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求。      超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率、和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素，本文采用AT89C51单片机作为控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。 1.2系统整体方案的论证超声波测距的原理是利用超声波的发射和承受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。2 系统的硬件结构设计由单片机AT89C51编程产生40kHz的方波，由P3.6口输出，再经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形与一系列处理,送至单片机。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离,并由单片机控制显示出来。该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和LED显示器组成。传感器输入端与发射接收电路相连,接收电路输出端与单片机相连接,单片机的输出端与显示电路输入端相连接。其时序图如图1-2所示。图1-2 时序图单片机在T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间t，由此便可计算出距离。2.1 51系列单片机的功能特点与测距原理362.1.1 51系列单片机的功能特点5l系列单片机中典型芯片(AT89C51)采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2个16b的定时计数器TO和T1，4个8 b的工O端I：IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。特别是该系列单片机片的Flash可编程、可擦除只读存储器(EPROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电与特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。该系列单片机引脚与封装如图2-1所示。 5l系列单片机提供以下功能：4 kB存储器；256 BRAM；32条工O线；2个16b定时计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以与时钟电路。空闲方式：CPU停止工作，而让RAM、定时计数器、串行口和中断系统继续工作。掉电方式：保存RAM的容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决方法。充分利用他的片资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。2.1.2 单片机实现测距原理 单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差tr，然后求出距离SCt2，式中的C为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以与接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射接收的设计方法。由于超声波属于声波围，其波速C与温度有关。2.4 超声波测距系统的硬件电路设计本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片机选用AT89C51，经济易用，且片有4K的ROM，便于编程。电路原理图如图2-4所示。图2-4 超声波测距电路原理图3 系统软件的设计超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序与显示子程序组成。我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。 3.1 超声波测距仪的算法设计 10    超声波测距的原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。距离的计算公式为：  d=s/2=(c×t)/2（1）  其中，d为被测物与测距仪的距离，s为声波的来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。 在启动发射电路的同时启动单片机部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。其部分源程序如下： TMOD=0X01; /T0计数，方式1TH0=0; /计数初值TL0=0; /计数初值IT0=1; /INT0负脉冲触发EA=1; /开总中断EX0=1; /开外部INT0中断AGAIN=1;WHILE(1)UCHAR X;IF(ON=0) /启动键处理DELAY1MS(5); /按键消抖IF(ON=0)ONOFF=1; /启动WHILE(ON);/等待按键释放IF(OFF=0) /停止键处理DELAY1MS(5); /按键消抖IF(OFF=0)ONOFF=0; /停止WHILE(OFF); /等待按键释放IF(ONOFF)OUT=0;/产生方波,输出低电平<模拟发射>DELAYS();/延时 产生几个微秒的低电平,让模拟反射的单片机能正确接收信号OUT=1;/恢复高电平,停止模拟发射TH0=0;TL0=0;AGAIN=0;/TR0=1; /T0开始计数FOR(X=0;X<20;X+)DISPLAY(); /数码管显示IF(AGAIN=0)BWEI=SHWEI=GWEI=0;ELSEBWEI=SHWEI=GWEI=10; VOID INT0(VOID) INTERRUPT 0 USING 1 /INTO中断服务程序 FLOAT COUNT; ULONG NUM; TR0=0 ; /停止计数 COUNT=(TH0*256+TL0)/2; NUM= (COUNT/10000)*344;/计算超声波来回距离 / NUM= NUM/2; /总距离除2等于实际距离3.2 主程序流程图 软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图3-1 所示。主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。 定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式。置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P1清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约0.1 ms（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因）后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是12 MHz的晶 振，计数器每计一个数就是1s，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按式（2）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取20时的声速为344 m/s则有：  d=(c×t)/2=172T0/10000cm(2) 其中，T0为计数器T0的计算值。      测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。为了有利于程序结构化和容易计算出距离，主程序采用C语言编写。                              3.3超声波发生子程序和超声波接收中断程序       超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送2个左右超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12s左右，同时把计数器T0打开进行计时。超声波发生子程序较简单，但要求程序运行准确，所以采用汇编语言编程。      超声波测距仪主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。 前方测距电路的输出端接单片机INT0端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门IC3A的输出接单片机INT1端口，同时单片机P1.3和P1.4接到IC3A的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。部分源程序如下： receive1：push psw push acc clr ex1 ；关外部中断1 jnb p1.1, right ；P1.1引脚为0,转至右测距电路中断服务程序jnb p1.2, left ；P1.2引脚为0,转至左测距电路中断服务程序 return：SETB EX1；开外部中断1 pop? acc pop? psw reti right： .? ；右测距电路中断服务程序入口 ? ajmp? return left：. ；左测距电路中断服务程序入口 ? ajmp? return 3.4 系统的软硬件的调试11超声波测距仪的制作和调试都比较简单，其中超声波发射和接收采用15的超声波换能器TCT40-10F1（T发射）和TCT40-10S1（R接收），中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距48cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C0的大小，以获得适宜的接收灵敏度和抗干扰能力。      硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的围为0.075.5m，测距仪最大误差不超过1cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。软件的调试程序见附录一目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第1章 绪论11.1 课题背景11.2课题目的与意义11.3课题设计要求21.4称重仪的国外现状2本章小结2第2章 称重仪的总系统设计与各模块方案选型32.1 称重仪的总系统框图32.2称重仪的主控制系统设计42.2.1 称重仪的主控制系统结构42.2.2 称重仪的主控制系统工作原理42.3 称重仪各模块的方案选型52.3.1 电源模块方案选型52.3.2 数据采集模块方案选型52.3.3 主控制器模块方案选型62.3.4 数据显示模块方案选型62.3.5 报警模块方案选型6本章小结6第3章 称重仪的各单元电路设计73.1所用单片机的简介73.1.1单片机的最小系统设计73.2电源电路设计83.3 称重传感器电路设计93.3.1传感器的工作原理93.4前级放大器电路设计113.5 A/D转换器电路设计123.5.1A/D转换器原理123.5.2 A/D转换器外围电路153.6 显示电路设计163.6.1 LED 结构与原理183.6.2 动态显示 LED 显示器接口19本章小结21第4章称重仪的系统程序设计224.1 主程序设计224.2MAX187转换程序设计234.3显示程序设计24本章小结25第五章 称重仪的安装与调试26本章小结26结 论27致 谢28参考文献29附录1 译文30附录2 英文参考资料34附录3 系统总图39附录4 程序清单40第1章 绪论1.1 课题背景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、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、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、提高产品质量以与加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。称重装置的应用已遍与到国民经济各领域，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。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。现今电子衡器制造技术与应用得到了新发展。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。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况与国外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、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。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、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。1.2课题研究目的与意义随着自动化测试技术的发展，传统的称重系统在功能、精度、性价比等方面已难以满足人们的需要，尤其在智能化、便捷式、对微小质量的测量方面更显得力不从心。笔者采用以AT89S51单片机为控制核心，结合高敏度的电阻式应变式压力传感器和高精度的A/D转换器，设计称重系统的总体结构与软件、硬件。实现物体质量、控制与显示报告的电气化与智能化。称重仪是电子衡器的一种，电子衡器是自动化称重控制和贸易计量的重要手段,对加强企业管理、严格生产、贸易结算、交通运输、港口计量和科学研究都起到了重要作用。电子衡器具有反应速度快、测量围广、应用面广、结构简单、使用操作方便、信号远传便于计算机控制等特点，被广泛应用于煤炭、石油、化工、电力、轻工、冶金、矿山、交通运输、港口建筑机械制造和国防等各个领域。在工业现场和环境中干扰源是各种各样的，如噪音干扰、工频干扰等，抗工频干扰能力成为衡量电子衡器性能的重要指标。为了具备这一性能，市场上的电子衡器的电路普遍较复杂，相对地，成本也较高。而本产品电路简单，成本低，抗工频干扰强，具有很好的推广价值。1.3称重仪的国外发展现状1.3.1 国外称重仪现状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,少数产品的技术已处于国际领先水平。国的电子秤市场中,1009左右量程的电子秤精度一般为0.019即10mg。在研究方法上,电子称重系统的工作原理一般是将作用在承载器上的质量或力的大小,通过压力传感器转换为电信号,并通过控制电路来处理该电信号。电子衡器制造技术与应用得到了新发展。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。在国际上,一些发达国家在电子称重力一面已经达到了较高的水平。特别是在准确度和可靠性等方面有了很大的提高。在称重传感器方面,国外电子秤产品的品种和结构又有创新,技术功能和应用围不断扩大,成果举例如下:(l)美国Revere公司研制出PUS型具有大气压力补偿功能的拉压两用的称重传感器,用于高准确度检验平台,称重平台,准确度可达5000d。(2)德国HBM公司研制成功C2A、 C16A两种不同结构的1-100t具有耐压外壳保护的防爆称重传感器,其防爆性能符合欧洲EN50014和EN50018d级标准。(3)美国斯凯梅公司研制出新一代高准确度不锈钢F6Ox系列5-5000kg称重传感器,准确度6000d。用于湿度大,腐蚀性强的环境中,而且防水。(4)德国塞特尔公司研制出以被青铜为弹性体材料,快速称重用200型称重传感器。其特点是线性好,固有频率高,动态响应快。独创油阻尼装置与过载保护装置一体化,保证称量时速度快,工作寿命长。组装3一30kg电子平台秤,准确度可达4000d。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。1.3.1 称重仪的发展趋势 台式电子计价秤具在商业贸易中的使相当普遍,但应用场所受到制约。电子秤产品的应用性能趋向上更综合性和组合性。(1)小型化新研制的电子平台秤结构充分表达了体积小、高度低、重量轻(即小、薄、轻)的发展方向。对于低容量的电子平台秤和电子轮轴秤,可采用薄型或超薄型的圆形称重传感器,这样不但降低了成本,而且提高了稳定性和可靠性4。对中等或较大容量的电子平台秤、电子地上衡,已经出现了采用方形或长方形闭合截面的薄壁型钢焊接成秤体,这是一种很有发展一前途的秤体结构。对于大型电子平台秤,可利用有限单元法进行等强度和刚度计算,采用抗弯刚度大的型材和轻型波纹夹心钢板等。(2)模块化对于大型或超大型的承载器结构,如大型静动态电子汽车衡等,己开始采用几种长度的标准结构的模块,经过分体组合,而产生新的品种和规格。这种结构,不仅提高了产品的通用性、互换性和可靠性,而且也大大地提高了生产效率和产品质量。同时还降低了成本,增强了企业的市场竞争力。(3)集成化小型电子平台秤、专用秤、便携式静动态电子轮轴秤、静动态电子轨道衡等,都可以实现秤体与称重传感器,钢轨与称重传感器,轨道衡秤体与铁路线路一体化。(4)智能化电子秤的称重显示控制器与电子计算机组合,利用电子计算机的智能来增加称重显示控制器的功能。使电子秤在原有功能的基础上,增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织等功能,这就是当今市场上采用微机化称重显示控制器的电子秤与采用智能化称重显示控制器的电子秤的根本区别5。(5)综合性电子称重技术的发展规律是不断的加强基础研究并扩大应用,扩展新技术领域,向相邻学科和行业渗透,综合各种技术去解决称重计量、自动控制、信息处理等问题。例如在流量计量专业,如果采用称重法即质量流量法,只要将重量和时间测量准确,大流量的测量问题就迎刃而解了。现代商业系统还要求商用电子计价秤能提供各种销售信息,把称重与管理自动化紧密结合,实现管理自动化。这就要求电子计价秤能与电子计一算机联网,把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统。(6)组合性在工业称重计量过程或工艺流程中,不少称重计量系统还要求具有可组合性,即测量围等可以任意设定;硬件功能向软件方向发展;软件能按一定的程序进行修改和扩展;输入输出数据与指令可以使用不同的语一言和条形码,并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。我国衡器行业使用面最广、产销量最大的计量产品是非自动衡器。国际法制计量组织76号国际建议OIMLR76一非自动衡器 (它是目前国际上唯一的非自动衡器通用国际标准)中,明确规定非自动衡器按大类分为非自动天平与非自动秤。目前我国产品标准中列入的十大类衡器已实现了电子化1.4题设计要求1、设计出硬件电路。2、称量围05kg,精度为±1%。3、LED显示要显示的容。本章小结本章主要是介绍现在生活中的称重仪的历史和国际现状，以与本设计的称重仪与过去的先进之处与它的应用领域，并提出了设计的技术要求。第2章 称重仪的总体方案设计2.1 称重仪的基本工作原理电子秤的工作原理以电子元件:称重传感器，放大电路,AD转换电路，单片机电路，显示电路，通讯接口电路，稳压电源电路等电路组成。当物体放在秤盘上时，压力施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，同时使用激励电压发生变化，输出一个变化的模拟信号。该信号经放大电路放大输出到模数转换器。转换成便于处理的数字信号输出到CPU运算控制。CPU根据程序将这种结果输出到显示器，直至显示这种结果。2.2称重仪的系统总体框图按照本设计功能的要求，系统由5个部分组成：控制器部分、信号采集部分、报警部分、数据显示部分、和电路电源部分，系统设计总体方案框图如图2.1所示。 信号放大调理电路中央处理单元压力传感器LED显示模/数转换电源电路超重报警图2.1 总系统体框图 信号采集部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设计为电压信号），而后经处理电路（如滤波电路，差动放大电路，）处理后，送A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出。控制器部分承受来自A/D转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号，并将其存储到存储单元中。控制器还可以通过对扩展I/O的控制，对键盘进行扫描，而后通过键盘散转程序，对整个系统进行控制。数据显示部分根据需要实现显示功能。电路电源部分主要是为电路提供稳定方便的电源，将工频电压直接转换成所需的±5伏电压。报警部分只要是在超重时对使用者发出警告声。2.3称重仪的主控制系统设计2.3.1称重仪的主控制系统工作原理该系统选用AT89S51单片机为主控制器，主要是先进行数据采集，采集由前级放大器把压力传感器获取的电压信号放大的模拟信号，在经过A/D转换器转换成的数字信号。此信号在单片机经过数据处理与各种运算把所感知的二进制信号转换成十进制，并送进显示模块显示出来。此外，当单片机感知测量对象超出系统测量围时，单片机会向报警模块发出指令，启动声光报警装置，设计中为了安全起见，留有较大的过负载能力，因此系统报警时的负载并不会对测量器件造成损坏。2.3.2称重仪的主控制系统结构（一）主控制系统具备的功能该系统采用单片机作为主控制系统，主要目的在于称重之后的数字化显示和实现精确的测量，故系统应该具有单片机工作所需的稳定的+5V直流电源，又考虑到数字化显示所用到的数码管中会出现某段被损坏而不被点亮的情况，系统应该具有开机自检功能，就是开机后自动逐个扫描每一个晶体管，用来检查数码管各段是否完好，可以依靠软件编程实现。除此之外还有超重报警功能，防止超重物对传感器件造成损坏。（二）单片机控制系统结构框图如图2-2所示：声光报警测量放大信号A/D模块控制模块显示模块图2-2 单片机控制系统结构框图2.4称重仪各模块的方案选型整个硬件系统由五大模块组成，下面以控制系统结构为依据就针对各模块做具体的方案设计。2.4.1 电源模块方案选型为了使称重仪的供电方便，这里把电源设计成用220V的交流电经过变压器后输出±9的电压，经整流滤波电路后， 通过LM7805和LM7905进行DC/DC变换得到±5V供压力传感器器和系统的其他芯片使用。2.4.2 数据采集模块方案选型数据采集模块分为3个部分：称重传感器、前级放大器和A/D转换器。（一）称重传感器首先这里传感器选用金钟电子衡器股份生产的L-PSII-10型压力传感器，为双孔悬臂梁形式，是电子计价秤的专用产品。这里说下传感器的选型方法，可具体参考以下步骤：1.计算并确定转换系数(f)，转换系数(f)是说明每一个检定分度值(V)中有多少个示值单位，是用于把全部示值单位转换为“V”的，它是由初始公称试验温度20时，进程负荷试脸下试脸效据平均值确定的。2.计算参比示值，所谓“参比值”即是 “理论示值”或“理想示值“。3.计算各试验点EL。4.各试验点误差与最后一列最大允许误差相比较。5.将计算结果与系统对传感器的要求做出比较，以确定选型是否成功。（二）前级放大器其次前级放大器的设计有以下几种方案可以采用：方案一、利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于 A/D 转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以，此中方案不宜采用。方案二、由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放 ( 如 OP07) 做成一个差动放大器。 实际测量，每一级运放都会引入较大噪声。对精度会有较大影响。方案三、采用专用仪表放大器，如： INA126，INA121等。此类芯片部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单，且放大器的增益是可以改变的。基于以上分析，我们决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器 INA126（三）A/D转换器然后按设计要求：电子称最大称重为5公斤，重量误差不能大于1%0。我们的理解是满刻度时，只能有±5g的误差，精度要求较高。同样也有以下几种方案采用方案一：采用V/F变换芯片LM331该方案是使用压频变换器件，把电压信号转化为频率信号，单片机通过计数获得重物的重量，此方案，可不用A/D，但需要比较复杂的小信号放大、调理电路，并且LM331外围电路较繁琐，参数配置相对严格，故未采用。方案二：选用12位逐次比较式ADC，此方案经小信号放大、调理电路，可直接连接单片机，也可以可满足精度要求，故采用此方案。2.4.3 主控制器模块方案选型根据本设计与主控制系统的功能要求，以与性价比的最大化这里选用51单片机。而且以单片机为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。 2.4.4 数据显示模块方案选型本设计只需要显示出所称实物的实际重量，由于LED耗电省、使用寿命长、成本低、亮度高等优点，再加上驱动简单，容易利用单片机对其进行控制和编程等特点选用LED显示。2.4.5 报警模块方案选型报警电路只在实物超出人为设定的值时，才被单片机驱动。在这就是对使用者有个提醒作用，人为使用普通的声光报警就可以。我们选用蜂鸣器与发光二极管来设计报警电路。本章小结本章主要是阐述系统的总框图与其各大模块的方案设计，并且为各方案的选型做了一一的讲解。第3章 称重仪的各单元电路硬件设计3.1 AT89S51单片机的简介AT89S51是一种低功耗，高性能的片含有4KB快闪可编程