浙江师范大学电子秤的设计.doc

1 数理与信息工程学院 单片机原理及应用期末课程设计 题 目： 电子秤的设计 专 业： 电子信息工程 班 级： 电信 041 班 姓 名： 黄伟东 学 号： 04610115 指导老师： 余 水 宝 成 绩： 10 格式不规范 ,自己的东西少 ( 2007.1 ) 2 目录 第一节 绪论 .3 1.1 本设计的任务和主要内容 3 第二节 硬件电路设计 4 2.1 传感器的选择 .4 2.1.1 应变式电阻传感器的测量原理 .4 2.1.2 传感器的分类和选择 .4 2.2 放大电路的设计 .5 2.3 采集电路的设计 .5 2.3.1 数据采集系统的组成 .5 2.3.2 数据采样保持器 .6 2.3.3 A/D 转换器 6 2.4 显示电路的设计 7 2.5 键盘电路的设计 8 2.6 报警电路的设计 9 第三 节 软件的设计 .9 3.1 监控程序的设计 .9 3.2 数据处理子程序的设计 .9 3. 2.1 数制转换 .9 3.3 数据采集子程序的设计 .10 3.4 数据显示子程序的设计 .11 3.5 键盘扫描子程序的设计 .12 3.6 报警子程序的设计 .13 第 四 节 设计总结 15 参考书籍 .16 程序附图 17 3 电子 秤的设计 数理与信息工程学院 电信 041 班 黄伟东 指导老师 余水宝 第一节 绪论 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。 做为重量测量仪器，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。 本文设计的电子秤以单片机为主要部件，用汇编语言进行软件设计，硬件则以半桥传感器为主 ,测量 0 500g 电子秤，随时可改变上限阈值，并达到阈值报警的功能。称重传感 器输出的电量是模拟量，数值比较小达不到 A/D 转换接收的电压范围。所以送 A/D 转换之前要对其进行前端放大、整形滤波等处理。然后， A/D 转换的结果才能送单片机进行数据处理并显示。其数据显示部分采用LCD 显示，成本低且能很好地实现所要求的功能。 1.1 本设计的任务和主要内容 设计的 主要内容如下 （ 1） 设计一款电子秤，用 LED 液晶显示器显示被称物体的质量 （ 2） 可以设定该秤所称的上限 （ 3） 当物体超重时，能自动报警 （ 4） 写出详细的实验报告 4 第 二节 电子秤的硬件设计 2.1 传感器的选择 2.1.1 应变 式电阻传感器的测量原理 。 应变式电阻传感器的工作原理：当导体或半导体受到外力作用时，会产生机械变形，从而导致阻值变化。导体与半导体的电阻与电阻率及其几何尺寸有关。当导体受外力作用时，电阻率及几何尺寸的变化会引起电阻的变化。因此，通过测量电阻值的大小，就可以反映外界力的大小。 电阻型应变片传感器的测量电路可采用桥式测量电路。桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个电阻均可以是应变片。 R11KR21KR31KR41K+ 6 V- 6 VDBA Cbd图 2.1.1 桥式测量电路图 如能恰当的选择个桥臂的电阻，可以消除电桥的恒定输出，使输 出电压只与应变片的电阻有关。 2.1.2 传感器的分类和选择 应变片式电阻传感器按其测量电路（桥式）可分为单臂式、半桥式、全桥式三种。 所谓半桥，即将电桥的四臂接入四应变片。其中：一片受拉，一片受压，另外两应变片不受力。全桥是两片受拉，两片受压，故灵敏度比半桥式的大一倍。 本方案采用半桥式传感器。 5 2.2 放大电路的设计 传感器输出电压为毫伏级，而 A/D 转换器所能处理的电压是 0 5V，所以必须在 A/D 转换器前加入 一个前置差动放大电路以实现电压的放大，放大倍数为 100 200 倍，使输出电压为 0 5V。 由于单运放在应用中要求外围电路匹配精度高、增益调整不便、差动输入阻抗低，故采用三运放结构。 三运放结构具有差动输入阻抗高、共膜抑制比高、偏置电流低等优点，且有良好的温度稳定性，低噪单端输出和和增益调整方便，适于在传感器电路中应用。 如图 3-2 所示，图中 为增益调节电阻，整个芯片仅 为外接电阻，而运放 为增益为 1 的差动输入放大器。 图 2.2.1 放大电路硬件原理图 2.3 采集电路的设计 2.3.1 数据采集系统的组成 数据采集系统的核心是计算机，他对整个系统进行控制和数据处理，他由采样 /保持器，放大器， A/D 转换器，计算机组成。 R1 R1 R2 R2 1 2 3 4 8 7 6 5 A3 AD626 1 2 3 4 8 7 6 5 A1 AD626 1 2 3 4 8 7 6 5 A2 AD626 RG R5 0R22 R2 0R22 Ui1 Ui2 U01 U02 Uout 6 2.3.1 数据采样系统框图 2.3.2 数据采样保持器 进行模数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即 A/D 转换的孔径时间。当输入信号频率较高，由于孔径时间的存在，会造成较大的转换误差；为了防止误差需在中间加一个功能器件采样 /保持器，进行有效、正确的数据采集 。 采样 /保持器通常由保持电容器、模拟开关和运算放大器组成。其中对于低速场合可以采用继电器作为开关以减小开关漏电流的影响；在高速场合也可以用晶体管、场效应管来作为开关。 采样保持器的原理：如图，当开关闭合时， V1 通过限电流电阻向电容 C 充电，在电容值合理的情况下， V0 随 Vi 的变化而变化；当 K 断开时，由于电容 C有一定的容量，此时输出 V0 保持输入信号再开断开瞬间的电平值。 图 2.3.2 采样保持原理图 在模拟信号输入通道中，是否需要 加采样 /保持器，取决于模拟信号的变化频率和 A/D 转换器的孔径时间；对快速过程信号，当最大孔径误差超过允许值时，必须在 A/D 转换器前加采样 /保持器。但如果输入模拟量是直流量或者被测信号模拟量随时间变化非常缓慢，采样 /保持（ S/H）电路可以省去 。 2.3.3 A/D 转换器 设计中 A/D 转换器用的是 ADC0809 A/D 转换器，它是 8 路 8 位逐次逼近式3 2 6 4 7 8 5 1 U2 AD620 3 2 6 4 7 8 5 1 U3 AD620 输入 高阻输入 模拟开关 输出 C4 1u 7 转换器，结果为 8 位二进制数据，转换时间短（一般在级），满足题目要求的“实时采样”，并且它的转换精度在 0.1%上下，比较适中，适用于一般场合。 由图 2.3.3 可见，单片 机通过读控制线 WR 和 0809 片选线控制启动 A/D 转换及输入通道地址锁存，写控制线 WR 与 ADC0809 片选线控制输出允许。由于ADC0809 具有通道地址锁存功能，通道选择 ADD.A、 ADD.B、 ADD.C 直接接单片机的数据口。模拟电压由 IN0 通道输入， A/D 采样电压在 0 5v 之间变化。所模拟通道 IN0 地址口为 0AOOOH，但是 ADC0809 无内置时钟，所以 CLOCK由外部时钟信号控制。 E O CD0- - D7D7D6D5D4D3D2D1D0D0D1D2CL KP L D2. 1 3WR （ P L D2 . 2 ）A DC 0 8 0 9 C SRD （ P L D2 . 3 ）V-V+I N0I N1I N2I N3I N4I N5I N6I N7CL K2 - 1 M S B21A DD B24A DD A25A DD C23V RE F ( + )12V RE F ( - )16I N31I N42I N53I N64I N75S T A RT62 - 58E O C7O UT P UT E NA B L E9CLO C K10V C C112 - 220G ND132 - 7142 - 6152 - 8 L S B172 - 4182 - 319I N228I N127I N026A L E22U1A DC 0 8 0 9VCC123U 2 : A4 0 0 1564U 2 : B4 0 0 150%R V 11 0 kR12 4 kR21 0 k12U 3 : A4 0 6 934U 3 : B4 0 6 9C11 0 P图 2.3.3 A/D 转换器和单片机的接口电路 2.4 显示电路的设计 显示部分 可以将处理得出的信号在显示器上显示，让人们直观的看到被测体的质量，也可以进行报警提示。 LCD 液晶显示器是一种极低功耗显示器，从电子表到计算器，从袖珍时仪表到便携式微型计算机以及一些文字处理机都广泛利用了液晶显示器。 本设计采用的显示模块是 128 64 点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置 8192 个中文汉字（ 16X16 点阵）、 128 个字符（ 8X16 点阵）及 64X256 点阵显示 RAM（ GDRAM）。可与 CPU 直接接口，提供两种界面来连接微处理 机： 8-位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显 示、画面移位、睡眠模式等。 8 2.5 键盘电路的设计 利用键盘可选择电子秤工作模式、设定测量上限等。键盘部分采用矩阵式的键盘，采用这种结构的特点是把检测线分为两组，一组为行线，一组为列线，按键放在行线和列线的交叉点上。矩阵式的键盘的优点是需要的测试线的数量少，对于一个 M N 的矩阵键盘与主机连接只需要 M+N 条测试线，这样键盘的规模越大，矩阵时键盘的有点越显著，当需要的按键数目大于 8 时，一般都采用矩阵式键盘。 RL3RL2RL1RL0X2X3X1X07 86 B3214CDEF095A扫描信号输出端扫描信号输出端图 2.5.1 矩阵式键盘结构图 2.6 报警电路的设计 报警电路是超过设定的范围，单片机输出信号 驱动蜂鸣器发声警报，如图 所示，当 BDLL 端为低电平时，有电流通过蜂鸣器，蜂鸣器报警，反之不报警，这里 设定当超过质量的上限时通过软件使 8031 的 P1.0 口清零，再过 P1.0 口出来的低电平信号连接到 BELL 端蜂鸣器发声报警。 9 图 2.6.1 报警电路 P 1 . 0 BUZ1 BUZZER Q1 2N5401 R1 2k + 5 V 10 第 三节 电子秤的软件设计 3.1 监控程序的设计 智能仪器的设计既要满足设定的功能的完成如计算等功能的任务功能程序，也要有可以监控仪器仪表正工作，保证其可靠性方面的监控程序。整个智能 仪器的测量都是智能仪器自动完成的，所以设计一套功能完备的监控程序是必须的也是必要的。 监控程序的主要作用是实时的响应来自系统的各种信息，按信息的类别进行处理；当系统出现故障时，能自动的采取有效的措施，消除故障，保证系统能够继续进行正常工作。 3.2 数据处理子程序的设计 数据处理子程序是整个程序的核心。主要用来调整输入值系数，使输出满足量程要求。另外完成 A/D 的采样结果从十六进制数向十进制数形式转化。 3 2 1 系数调整 在 IN0 输入的数最大为 5V，要求的质量 500g 对应的是 4.8V，为十六进制向十进制转换 方便，将系数放大 100 倍。并用小数点位置的变化体现这一过程。 因而系数为： 3 2 2 数制转换 数制之间的转换：在二进制数制中，每向左移一位表示数乘二倍。以每四位作为一组对数分组，当第四位向第五位进位时，数由 8 变到 16，若按十进制数制规则读数，则丢失 6，所以应进行加六调整。 DA 指令可完成这一调整。可见数制之间的转换可以通过移位的方法实现。 其中，移出数据的保存可以通过自乘再加进位的方法实现，因为乘二表示左移一位，左移后，低位进一，则需加一。否则，加零。而通过移位已将要移入的尾数保存在了进位位中，所以能实现。 11 图 3.2.2 数据处理原理框图 3.3 数据采集子程序的设计 数据采集用 A/D0809 芯片来完成，主要分为启动、读取数据、延时等待转换结束、读出转换结果、存入指定内存单元、继续转换（退出）几个步骤。 ADC0809初始化后，就具有了将某一通道输入的 0 5 模拟信号转换成对应的数字量 00H FFH，然后再存入 8031 内部 RAM 的指定单元中。在控制方面有所区别。可以采用程序查询方式，延时等待方式和中断方式。 12 图 3.3.1 数据采样原理框图 3.4 显示子程序的设计 显示子程序是字符 显示，首先调用事先编好的 8279 的键盘显示子程序。 调用 8279 初始化命令，然后输出写显示命令。在显示过程中一定要调用延时子程序。当输入通道采集了一个新的过程参数，或仪表操作人员键入一个参数，或仪表与系统出现异常情况时显示管理软件应及时调用显示驱动程序模块，以更新当前的显示数据显示符号。 13 图 3.4.1 显示原理框图 3.5 键盘扫描子程序的设计 如图 3.4.1 所示：键盘电路设计成 4X4 矩阵式，由键盘编码方式可以得出0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F 各 键 对 应 的 键 值 ：0D8H,0D0H,0D1H,0D2H,0C8H,0C9H,0CAH,0C0H,0C1H,0C2H ，0C3H,0CBH,0D3H,0DBH,0DAH,0D9H 。在程序中可以先判断按键编码，然后根据编码将键盘代表的数值送到相应的存储单元，再进行功能选择或数据处理。 14 图 3.5.1 键盘扫描原理框图 3.6 报警子程序的设计 由于要求要键盘设定阈值，所以要求有报警电路，报警电路可以有声报警也可有光报警，将设定的阈值与实时显示的值进行比较，如果设定值小于实时显示的值，则将 P1.0 置为 1，将发光二极管点亮，或使蜂鸣器发出声音。这就需要一段比较程序以及一小段置 1 清 0 程序。 15 图 3.6.1 报警原理框图 16 第四节 设计总结 随着集成电路和计算机技术的迅速发展，使电子仪器的整体水平发生巨大变化，传统的仪器逐步的被智能仪器所取代。智能仪器的核心 部件是单片机，因其极高的性价比得到广泛的应用与发展，从而加快了智能仪器的发展。而传感器作为测控系统中对象信息的入口，越来越受到人们的关注。传感器好比人体“五官”的工程模拟物，它是一种能将特定的被测量信息（物理量、 化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置 本次课设中的半桥电子秤就是在以上仪器的基础上设计而成的。因此，只有充分了解有关智能仪器、单片机、传感器以及各部分之间的关系才能达到要求。 首先是传感器的精密度，它将直接影响电子秤的称重准确度。课设时由于传感器发出的信号不是很稳定，所以称重 时误差很大。如果使用精密度较高的传感器，效果会好的多。 其次是数据采集处理阶段，此阶段是对传感器发出的信号进行量化、采集，主要分为信号放大、采集，然后进行 A/D 转换。该阶段需注意的地方是对传感器输出的信号进行放大时，应选取合适的运算放大电路。最好是预先计算好应放大的倍数，以便选取。还有就是进行数据处理时，选取适当的数据转换系数，使输出满足量程要求。 17 参考文献 1赵茂泰 .智能仪器原理及应用 .电子工业出版社， 2004： 2张毅刚 .MCS-51 单片机应用设计 .哈尔滨工业大学出版社， 2003： 3贾伯年，俞朴 .传感器技术 .东南大学出版社， 2000： 4单成祥 .传感器理论设计基础及其应用 .国防工业出版社， 1999： 5李道华，李玲，朱艳 .传感器电路分析与设计 .武汉大学出版社， 2000： 18 程序附图 定义 中文 LCD 液晶 128X64 的地址 W_C_GLCD XDATA 0E000H W_D_GLCD XDATA 0E001H R_B_GLCD XDATA 0E002H R_D_GLCD XDATA 0E003H ;- TIMER0 DATA 30H ;延时时间的初值 TIMER1 DATA 31H ;调用延时子程序的次数 DATA1 DATA 32H ;点阵显示的变量 1 DATA2 DATA 33H ;点阵显示的变量 2 X DATA 34H ;X 方向的位置 Y DATA 35H ;Y 方向的位置 COUNTER DATA 36H ;计数器 N DATA 37H ;行数变量 D1 DATA 38H ;点变量 1 D2 DATA 39H ;点变量 1 ADDR DATA 3AH ;起始的显示位置 ADDR1 DATA 3BH ;起始的显示位置临时变量 N1 DATA 3CH ;行数的临时变量 ;* ;* 主程序开始 ;* ORG 0000H AJMP START ORG 0030H START: CLR P1.0 SETB P1.1 MOV SP,#60H LCALL INITIAL_GLCD ; 调用 LCD 初始化 LCALL KAIJI ; 显示开机画面 LCALL DELAY500 LCALL DELAY500 19 LCALL DELAY500 LCALL TISHI ; 显示主界面 LCALL INI_8279 - ；判断是否继续 - KEY-A： MOV DPTR， #8101H MOVX A， DPTR ANL A,#07H CJNE A,#00H,LP1 SJMP KEY-A MOV DPTR,8100H MOVX A,DPTR CJNE A,0DBH,KEY-A AJMP K1 LCALL YUZHI LCAL celianjieguo LCALL CELINGJIEGUO AJMP $ 各界面显示内容 DHTABLE1: DB 欢迎使用 DHTABLE2: DB 半桥电子秤 DHTABLE3: DB * DHTABLE4: DB * DHTABLE5: DB * DHTABLE6: DB 设置警报上限 DHTABLE7: DB 确定 DHTABLE8: DB 请按 D 键 DHTABLE9: DB DHTABLE10: DB 报警上限重量 : DHTABLE11: DB . g DHTABLE12: DB 确定 (E) CELIANG1: DB 电子秤 CELIANG2: DB 重量是 : 20 CELIANG3: DB CELIANG4:DB 返回 (F) ;= ;开机界面子程序 ;= KAIJI: MOV ADDR1,#00H ; 第一行显示 MOV N1,#08H ; 数量 8 个 MOV DPTR,#DHTABLE1 ; 需要显示的汉字位置 CALL DHZ ; 调用汉字子序 MOV ADDR1,#10H ; 第二行显示 MOV N1,#08H MOV DPTR,#DHTABLE2 CALL DHZ MOV ADDR1,#08H ; 第三行显示 MOV N1,#08H MOV DPTR,#DHTABLE3 CALL DHZ MOV