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1、DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF;DS 毕业设计毕业设计(论文论文)题目题目 商业用智能电子秤设计商业用智能电子秤设计 DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF;DS 摘 要 随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。为了改 变传统称重工具在使用上存在的问题，在本设计中将智能化、自动化、人性化用在了电子秤 重的控制系统中。本系统主要由单片
2、机来控制，测量物体重量部分由称重传感器及 A/D 转换 器组成，加上显示单元，此电子秤俱备了功能多、性能价格比高、功耗低、系统设计简单、 使用方便直观、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。 本系统以 AT89C51 单片机为主控芯片，外围附以称重电路、显示电路、键盘电路等构成 智能称重系统电路板，从而实现自动称重系统的各种控制功能。可以说,此设计所完成的电 子秤很大程度上满足了应用需求。 关键词关键词 AT89C51 称重传感器 A/D 转换器 LCD 显示器 DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJ
3、DSKJF DSJF;DS Abstract With the application of micro-electronics technology, tradition ponderation instrument used in market has been not satisfaction with hunman requirements already. In order to make up for the traditional apparatus shortcoming, we improve the apparatuss control system with intell
4、igence and automation. This system is mainly controlled by microcontroller, the section of height measurement accomplish by supersonic sensor, the section of weight measurement accomplish by weight sensor and A/D transformer, this apparatus have many characteristic such as having more function, cons
5、ume less energy, small and move easily, low price, measure precisely, the speed is quick, automatic work without people and so on. The system is mainly controlled by the microcontroller AT89S52, the periphery is consist of the circuit of clock and calendar, the circuit of measure height and weight,
6、the circuit of display and print, all of these comprise the circuit board of the intelligent apparatus of height and weight. It can achieve all function of the apparatus. Key Words:AT89C51; weighing sensor; A / D converter; LCD Monitor DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JK
7、FJDSKJF DSJF;DS 目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 第一章 绪论.1 1.1 电子秤的概述.1 1.2 设计目的.2 第二章 系统方案的设计.1 2.1 设计要求.1 2.2 进度安排.1 2.3 电子秤的工作原理.1 2.4 系统的整体设计思路.2 第三章 系统硬件电路设计.5 3.1 压力传感器.5 3.2 前级放大器.8 3.2.1 反相比例运算电路.8 3.2.2 前级放大电路.10 3.3 A/D 转换器.11 3.3.1 方案比较.11 3.3.2 ADC0832 芯片介绍.12 3.3.3 采样电路图.12 3.4 控制器.13 3.4.1 AT89C51
8、 芯片介绍.14 3.4.2 单片机最小系统.16 3.5 输入键盘.17 3.5.1 矩阵键盘仿真及接线图.18 3.5.2 矩阵键盘工作原理.18 3.6 输出显示.18 DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF;DS 3.6.1 LCD12864 介绍.19 3.6.2 LCD 显示电路图.21 3.6.3 LCD 的驱动.21 第四章 系统软件的设计.22 4.1 主程序设计.22 4.2 A/D 转换启动及数据读取程序设计.23 4.3 键盘子程序.24 4.4 显示子程序
9、.25 第五章 仿真调试.26 5.1 PROTEUS软件介绍.26 5.2 仿真步骤.27 5.3 调试故障及原因分析.28 结 论.29 参考文献.30 致谢.31 附录一 硬件电路仿真图.32 附录二 程序清单.33 DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF;DS 第一章 绪论 1.11.1 电子秤的概述电子秤的概述 电子秤的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂，由粗糙到精密、由机械到 机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。特别是近 30 年以来，工艺流程中的
10、 现场称重、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出电信号的电子衡器。 这是由于电子衡器不仅能给出质量或重量信号，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控 制和检验功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。 近年来，电子秤已愈来愈多地参与到数据处理和过程控制中。现代称重技术和数据系统 已经成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可缺少的组成部 分。随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子秤的发展奠定了其础，国外如美国、西欧 等一些国家在 2 0 世纪 6 0 年代就出现了 0 .1%称量准确度的电子秤，并在 7 0 年代中期约 对 75%的机械秤进行了
11、机电结合式的电子化改造。 称重装置不仪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、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的 作用。称重装置的应用已遍及到围民经济各领域，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了衡器以来，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
12、造技术及应用得到了新发展。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及国内外市场的需 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。电子秤是电了衡器中的一种，衡器是 国家法定计量器具，是围计民生、国防建设、科学研究、内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
13、业的现代化水平和社会经济效益的提高。 DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF;DS 1.21.2 设计目的设计目的 单片机以其功能强，体积小，功耗低，易开发等很多优势被广泛应用。但单片机不是万 能的，也存在不适合的场合，我们要充分利用单片机的内部资源和选择合适的单片机来完成 我们的设计。本数字电子秤的设计过程中需要用到 A/D 转换、键盘、液晶显示、复位电路和 蜂鸣器报警驱动电路的知识，同时在软件的设计过程中需要用到键盘扫描、液晶显示驱动、 模数转换程序及汉字库的的设计，可以很好的
14、将数电、模电、单片机知识进行综合应用。在 综合应用中进一步熟悉单片机设计的开发各个流程，最终达到巩固基础、注重设计、培养 技能、追求创新、走向实用的目的。 DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF;DS 第二章 系统方案的设计 2.12.1 设计要求设计要求 1）参数要求 量程：4.999kg 感量（分辨率）：1g 数字显示：重量 3 1/2位 2）设计要求 (1) 采用单片机控制，要求设计出硬件系统和软件系统。 (2) 合理选择传感器、转换电路和显示输出电路等。 3）其它要求 能实
15、现转换、显示和调校等多，种功能，具有准确度高、实时性好等特点。 2.22.2 进度安排进度安排 4.4-4.24 查找设计资料，画出原理电路框图； 4.25-5.15 完成硬件电路的具体设计； 5.16-5.29 完成软件程序的设计和编写； 5.30-6.5 仿真调试； 6.6-6.24 撰写设计报告（论文） ，答辩。 2.32.3 电子秤的工作原理电子秤的工作原理 当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之 产生力一电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系（一般成正比关系） 的电信号（电压或电流等） 。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模数
16、( A/D)器进 行转换，数字信号再送到微处器的 CPU 处理，CPU 不断扫描键盘和各功能开关，根据键盘输 入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。运算 结果送到内存贮器，需要显示时，CPU 发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示，或送 打印机打印。 DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF;DS 2.42.4 系统的整体设计思路系统的整体设计思路 根据电子秤的工作原理可以将电子秤大致能划分为三大部分，数据采集模块、控制器 模块和人机交互界面模
17、块。图 2.1 为系统的整体框图。 数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和 A/D 转换部分组成。测量过程中把被测 物体的重量通过传感器将重量信号转化为电压信号输出。信号的前级处理将来自传感器的微 弱信号进行滤波和放大，放大后的电压信号经过模数转换把模拟量转换成数字量。 控制器模块将数据采集模块传来的数字信号进行处理，完成被测物体重量的判断、显示 等功能。此部分对软件的设计要求比较高，系统的大部分功能都需要软件来控制。 人机交互界面模块主要由键盘和显示器组成。键盘输入是系统接受用户指令的直接途径。 显示器采用 LCD 液晶显示器，可以直观的显示物品的重量，单价和总金额。 LCD 显示 数据
18、采集控制模块 图 2.1 系统整体框图 键盘控制 键盘控制键盘控制键盘控制 DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF;DS DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF;DS 第三章 系统硬件电路设计 3.13.1 压力传感器压力传感器 传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装 置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器中能
19、直接感受被测量的 部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。现代 科技的快速发展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息 资源的开发和获取、传输和处理，而传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知获取与检 测信息的窗口；传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获 取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号。因此，传感器的地位与作用特别重要。 称重传感器在电子秤中占有十分重要的位置，被喻为电子秤的心脏部件，它的性能好坏 很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。通常称重传感器产生的误差约占电子秤整机误 差的 50
20、%70%。若在环境恶劣的条件下（如高低温、湿热），传感器所占的误差比例就更大， 因此，在人们设计电子秤时，正确地选用称重传感器非常重要。 称重传感器的种类很多，根据工作原理来分常用的有以下几种： 电阻应变式、电容式、 压电式等。 一 压电传感器 压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于某些材 料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。 压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合 测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力或压力的测量。压电器 件的弱点：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪
21、声干扰影响输 出特性，这对外接电路要求很高。 二 电容式传感器 电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它有结构简单、灵 敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容传感器可用来检测压 力、力、位移以及振动学非电参量。 电容传感器的基本工作原理可用最普通的平行极板电容器来说明。两块相互平行的金属 极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时， DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF;DS d A C or 其电
22、容量为 （3.1） 式（3.1）中 两极板间的距离；d A两平行极板相互覆盖的有效面积； 介质的相对介电常数； r 真空中介电常数。 o 若被测量的变化使式中、A、三个参量中任一个发生变化，都会引起电容量的变化，d r 通过测量电路就可转换为电量输出4。 虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素： （1）小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法 至几十皮法。因 C 太小，故容抗=1/C 很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因其视在 C X 功率 P=C ，C 很小，则 P 也很小。故易受外界干扰，信号需经放大，并采取抗干扰措 2 o u 施
23、。 （2）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。 三 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感 器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应， 电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。 导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变 信号转换为R/R 后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不 便处理。因此，要采用转换电路把应变片的R/R 变化转换成电压或电流变化。其转换电路 常用测量电桥。
24、直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强， 但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。 下图为一直流供电的平衡电阻电桥，接直流电源 E： in E DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF;DS )( 43 4 21 1 RR R RR R E )( 4321 4231 RRRR RRRR E )()()()( )()( 22 RRRRRRRR ERRRR uo E R R 图 3.1 传感器结构原理图 当电桥输出端接无穷大负载电
25、阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即 只有电压输出。 当忽略电源的内阻时，由分压原理有： ADABBDo uuuu = （3.2） 当满足条件 R1R3=R2R4 时，即 （3.3） 3 4 2 1 R R R R =0，即电桥平衡。式（3.3）称平衡条件。 o u 应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应 变所引起的电阻变化有关。 若差动工作，即 R1=R-R,R2=R+R,R3=R-R，R4=R+R,按式（3.2） ，则电桥输出为 DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK
26、 HFKSD JKFJDSKJF DSJF;DS (3.4)Ek 应变片式传感器有如下特点： （1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。 （2）分辨力和灵敏度高，精度较高。 （3）结构轻小，对试件影响小， 对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特 殊环境中使用，频率响应好。 （4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。 通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第三种方案。题目要求称重范围 04.999Kg,分辨率为 1g，考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器， 所以传感器量程必须大于额定称重 4.999Kg。我们选择的是电阻应变片压力传感器，量程为 5
27、Kg，精度为 0.01% ，满足本系统的精度要求。 3.23.2 前级放大器前级放大器 经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低；经由电桥等电路变换后的信号 亦难以直接用来显示、记录、控制或进行信号转换。为此，测量电路中常设有模拟放大环节。 这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。 放大器的输入信号一般是由传感器输出的。传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还 常伴有较高的共模电压。因此，一般对放大器有如下一些要求： 1、输入阻抗应远大于信号源内阻。否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。 2、抗共模电压干扰能力强。 3、在预定的频带宽度内有稳定
28、准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以 保证要求的信噪比。从而保证放大器输出性能稳定。 4、能附加一些适应特定要求的电路。如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程 切换、极性自动变换等。 综合以上要求，我们采用了最为简单的反相比例运算电路来实现放大的功能。 3.2.1 反相比例运算电路 （1）电路的组成 DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF;DS 图 3.2 反相比例电路 反向比例运算电路的组成如图 3.2 所示。由图可见，输入电压 ui通过电阻 R1加在运放 的反向输入端。Rf是沟通输出和输入的通道，是电路的反馈网络。 同向输入端所接的电阻 RP为电路的平衡电阻，该电阻等于从运放的同向输入端往外看 除源以后的等效电阻，为了保证运放电路工作在平衡的状态下，同相输入端的电阻应该取 RP =R1/Rf （2）电压放大倍数 图 3.3 反相比例运算电路 理想运算放大器组成的反相比例运算电路见图 3.3，显然是一个电压并联负反馈电路。 在输入信号作用下，输入端有电流iI、iI 、if 。 根据虚断的特性有 iI 0 （3.5） 于是 iI if （3.6） 根据虚短的特性，有u+ u- （3.7）