基于单片机的电子称设计毕业设计.doc

目 录第一部分 设计任务与调研1 1.毕业设计的主要任务1 1.1设计目标1 1.2主要内容1 1.2.设计的思路、方法等1 1.2.1设计思路1 1.2.2设计方法1 1.3.与本课题相关的资料1 1.4.调研的目的和总结1 1.4.1调研的目的2 1.4.2调研的总结2第二部分 设计说明32.1 理论分析32.2 设计方案32.2.1构思32.2.2.分析42.3.作品特点7第三部分 设计成果83.1.设计成果83.2作品的特点10第四部分 结束语11第五部分 致谢12第六部分 参考文献13第一部分 设计任务与调研1.毕业设计的主要任务1.1设计目标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，过载报警，低电压自动关机等。此电子秤俱备了功能多、速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高、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。1.2主要内容电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，设计要求如下：全称量在30Kg以下的电子秤;精确度：普通秤 1/100精密度1/1000 粗衡器1.2.设计的思路、方法等1.2.1设计思路利用压力传感器采集因压力变化产生的电压信号，然后再经过模数转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机。单片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的重量及总额，然后再显示出来。1.2.2设计方法对称重的基本原理以及各软件、仿真模块做了认真的分析、研究。根据性能成本考虑，在以下几方面做了仔细的分析研究，主要有：系统模块的划分、A/D精度的考虑、单片机与外围模块的接口电路以及电子秤应用程序的实现等1.3.与本课题相关的资料数字电子技术基础模拟电子技术基础C程序设计传感器与检测技术单片机原理与接口技术微机原理及接口技术微型计算机控制技术等；1.4.调研的目的和总结 1.4.1调研的目的 传统的机械秤有很多缺点，比如精度不高，结构复杂，易老化，成本高等。随着 社会的发展，市场对秤的要求的越来越高，尤其是人体秤、厨房秤等各类便携式小型秤。电子秤与传统的机械秤相比有许多优越性，它用压力传感器取代机械秤的弹簧大大减小了秤的体积和制造难度，以LCD或LED显示屏取代传统的刻度盘使外形更加美观，由于内部集成了单片机以及软件系统，电子秤还拥有传统机械秤无法比拟的智能性。他可以完成过载报警，总价计算等众多功能。 1.4.2调研的总结 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设计中的半桥电子称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。经过几个月的努力，终于按照毕业设计进度要求如期完成了实用电子秤控制系统的硬件设计任务。在做毕业设计的过程中，虽然碰到了不少的困难，但是在老师的指导以及自己的努力下，终于取得了一定成果。第二部分 设计说明2.1 理论分析称量重量通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力，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。此信号再由模/数器进行转换，数字信号再送到微处器的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各种功能开关，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。一般信号的A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。 称重传感器即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电信号或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。在数字式的测量电路中通常包括运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。2.2 设计方案2.2.1构思前端信号处理时，选用放大、信号转换等措施，尤其在显示方面采用具有字符图文显示功能的LCD显示器。这种方案不仅加强了人机交换的能力，而且满足设计要求，可以显示购物清单、所称量的物体信息等相关内容。具体设计框图如图所示：目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出被测物体重量。单片机控制适合功能比较简单的控制系统,而且其成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点。 采用现场可编程门阵列(FPGA)为控制核心，利用EDA软件编程，下载烧制实现。系统集成于一片Xilinx公司的Spartan系列XC2S100E芯片上，体积大大减小、逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点，可实现大规模和超大规模的集成电路。采用FPGA测频测量精度高，测量频率范围大，而且编程灵活、调试方便，设计要求的精度较高，所以要求系统的稳定性要好，抗干扰能力要强。从下图中可以看到系统的基本工作流程和各单元电路所用到的核心器件。其中控制器采用Xilinx公司可编程器件FPGA为核心，基于ISE软件平台，采用VHDL编程实现数据处理、LED和LCD驱动、时钟芯片的I2C通讯、键盘控制等模块。结构简图如下图所示：2.2.2.分析方案一 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声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。方案二 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，其电容量为 （2.1）式（2.1）中两极板间的距离； A两平行极板相互覆盖的有效面积；介质的相对介电常数；真空中介电常数。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，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，并采取抗干扰措施。（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。 前级放大器部分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。我们考虑了以下几种方案：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。由于信号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，此种方案不宜采用。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，如下图所示： 图2.6 利用普通运放构成的放大器电阻R1、R2和电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声，C1、C2为普通小电容，可以滤除高频干扰，C3、C4为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。优点：输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，滑动变阻器R6可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用要求。缺点：此电路要求R3、R4相等，误差将会影响输出精度，难度较大。实际测量，每一级运放都会引入较大噪声，对精度影响较大12。方案三 采用专用仪表放大器，如：AD620，INA126等。此类芯片内部采用差动输入，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。AT89C51简介芯片功能介绍及设计：AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。2.3.作品特点 1.实现远距离操作； 2.实现自动化控制； 3.数字显示直观、减小人为误差； 4.准确度高、分辨率强； 5.称量范围广； 6.特有功能：扣重、预扣重、归零、累计、警示等； 7.维护简单，体积小； 8.安装、校正简单； 9.特种行业，可接打印机或电脑驱动； 10.智能化电子秤，反应快，效率高；第三部分 设计成果3.1.设计成果： 3.2.作品的特点： 1.实现远距离操作； 2.实现自动化控制； 3.数字显示直观、减小人为误差； 4.准确度高、分辨率强； 5.称量范围广； 6.特有功能：扣重、预扣重、归零、累计、警示等； 7.维护简单； 8.体积小； 9.安装、校正简单； 10.特种行业，可接打印机或电脑驱动； 11.智能化电子秤，反应快，效率高； 第四部分 结束语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设计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。第五部分 致谢 在本次设计过程中，感谢我的学校，给了我学习的机会，在学习中，老师从选题指导、设计说明到细节修改，都给予了细致的指导，提出了很多宝贵的意见与建议，老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。这次设计是在老师的精心指导和大力支持下才完成的感谢所有授我以业的老师，没有这些年知识的积淀，我没有这么大的动力和信心完成这次设计。感恩之余，诚恳地请各位老师对我的设计多加批评指正，使我及时完善设计的不足之处。谨以此致谢最后，我要向百忙之中抽时间对本设计进行审阅的各位老师表示衷心的感谢。第六部分 参考文献1.阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，2008.12 P56-P63 2.华成英,童诗白.模拟电子技术基础 北京：高等教育出版社2009.5 P75-823.谭浩强.C程序设计.北京：清华大学出版社，2009.7 P93-P984.周杏鹏.传感器与检测技术.北京：清华大学出版社，2010.9 P114-P1185.李晓林. 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