基于单片机称重仪的设计

1湖南理工学院数字信号处理课程设计设计题目：称重仪的设计院部：机械学院专业：机械电子工程班级：机电二班学生姓名:贾学号:12摘要本设计是基于单片机的称重仪，它的硬件电路设计包括单片机最小系统、A/D转换器、称重传感器、语音电路、LED显示电路、±5V稳压电源电路等几部分设计内容。其中压力传感器输出响应的模拟电压信号，经过模/数转换（A/D变换）后就得到数字量D。但是，数字量D并不是重物的实际重量值W，W需要由数字量D在控制器内部经过一系列的运算——即数据处理才能得到。整个设计系统由Atmel公司生产51系列89S51单片机进行控制；软件实现功能开机检测，主要是开机后自动逐个扫描LED数码管，以防止某段数码管损坏造成视觉误差；出于人性化考虑我们还可以增加语音电路，实现自动语音播报重量。3目录一、课题设计要求二、总体设计方案三、硬件电路模块分析四、硬件电路设计五、软件设计六、总结4一、题设计要求1、设计出硬件电路。2、设计出软件程序2、采用A/D的转换器3、LED显示要显示的内容。二、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。5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。控制器部分接受来自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。三、硬件电路模块分析3.1称重仪的主控制系统结构（一）主控制系统具备的功能压力传感器中央处理单元A/D转换LED显示电源电路信号放大调理电路超重报警6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：单片机控制系统结构框图3.2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。3.3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）称重传感器传感器选用型压力传感器，为双孔悬臂梁形式，（二）前级放大器测量放大信号A/D模块显示模块控制模块声光报警7采用专用仪表放大器，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，且放大器的增益是可以改变的。（三）A/D转换器。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。3.4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。3.5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。四、硬件电路设计4.1机的最小系统设计中央处理单元选用我们熟悉的单片机，即最后电路的核心采用最常用、好用和廉价的ATEMAL公司的AT89S51。设计者必须仔细选择晶振频率，确保标准的通讯波特率（1200、4800、9600、19.2K等）。不妨先列出可供选择的晶振所能产生的波特率，然后根据需要的波特率和系统要求选择晶振。有时也不必过分考虑晶振问题，因为8可以定制晶振。当晶振频率超过20M时，必须确保总线上的其它器件能够在这种频率下工作。当工作频率增加时，功耗也会增加，这点在使用电池作为电源的系统中应充分考虑。单片机采用89S51单片机，它有4K的程序存储空间和256B的数据存储空间，可以满足编程的要求。P0口和P2口用于LED数码管的显示。用12Mhz的晶振，时钟周期为1us。采用按键复位。其最小系统的外围电路图如图单片机最小系统4.2电源电路设计本时钟电源采用整流滤波电路和三端稳压电路LM7805和LM7905。LM7805CT芯片输入端电压约为9V,输出端电压为5V，LM7905芯片输入端电压约为-9V,输出端电压为-5V，输入端和输出端的压差绝对值都应大于2.5V,否则会失去稳压能力。同时考虑到功耗问题,此压差又不易太大,太大则增加97805与7905本身的功率消耗,增加芯片的升温,不利于安全。根据变压器副边电压与经过滤波后输出电压关系可知,副边电压约为±9V,据此确定变压器原副边匝数比这样即可得到系统所需要的±5V电源，电源设计图如图3-2所示。图3-2电源设计图4．3前级放大器电路设计所采用的专用仪表放大器我们选用INA126，其接口如图3-3所示：4.4A/D转换器电路设计10考虑到本系统中对物体重量的测量和使用的场合，精度要挺苛刻，转换速率要求不太，本设计采用MAXIM推出的MAX18。4.4.1A/D转换器原理A/D转换器的原理图如图3-4所示：图3-4A/D转换原理图在A/D转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续量，而输出的数字信号代码是离散量，所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间（亦即时间坐标轴上的一些规定点上）对输入的模拟信号取样，然后再把这些取样值转换为输出的数字量。A/D转换器外围电路CPSSADC取样保持电路ADC的量化编码电路...DDDn-110Iv（t）vI（t）输入模拟电压取样展宽信号数字量输出（n位）11MAX187外围引脚接线图MAX187有两种工作方式：正常方式和暂停方式。将SHDN引脚拉成低电平，器件处于暂停状态，电源电流减低至10uA属于低功耗状态;引脚悬空时，禁止内部参考电源，允许使用外部电源；接高电平时，允许使用内部的参考电源。当CS变为低电平时,开始转换,此时,DOUT输出为低电平。包括T/H时间的转换时间为10μs,转换结束,DOUT变为高电平,当检测到DOUT为高电平时,即可读出转换数据。在SCLK输入一个脉冲,最高位B11出现在DOUT上,经过11个时钟后,分别移位输出B10～B0数据,再进入一个时钟后,一个转换周期结束。因此,每次数据读取需经过13个时钟周期,12MHz时钟下共13×0.1μs=1.3μs,因此完成一次转换需10+1.3μs,约为11μs。4.5显示电路设计显示器是最常用的输出设备。特别时发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD），LED是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件，具有工作电压低，耗电量小，发光效率高，发光响应时间极短，光色纯，结构牢固，抗冲击，耐振动，性能稳定可靠，重量轻，体积小，所以选用二极管。4.5.1动态显示LED显示器接口所谓的动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器，对每一位显示器而言，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度跟导通的电流有关，也和点亮的时间与间隔的比例有关。12显示部分采用4个八段共阴数码管，采用动态显示，利用驱动器74LS244驱动数码管显示数据，达到控制八段码的目的。可以用图3-14来形象说明动态显示原理。段驱动器和位驱动器同时发出有效信号才能点亮对应段，否则就呈现不亮状态。由单片机来控制点亮的时间，第一位点亮后依次点亮后面各位。图3-15为设计选用的显示部分电路图驱动器74LS244控制4位数码管的段选，反向驱动器74LS04控制位选，最后由单片机发出采集到的信号指令来决定各个数码管的明灭状态和时间长短。DS1-DS4四位LED分别显示的是称重结果的千位、百位、十位、个位，单位为克，显示精度为1/5000，符合系统设计的要求。图3-14多位LED动态显示电路13图3-15系统显示部分接线图硬件总图123456ABCD654321DCBA标题图号修订尺寸B日期:10-Dec-2010第张共张文件:D:\ProgramFiles\DesignExplorer99SE\Examples\曾克煌毕设.ddb制图人:EA/VPP31XTAL119XTAL218RST/VPD9P3.7/RD17P3.6/WR16P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P1.0/T1P1.1/T2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG30P3.1/TXD11P3.0/RXD10Vcc40Gnd20AT89S5XL1AT89S5X变压器1234D1BRIDGE1ADJ1Vout2Vin3U2LM7805发光二极管R31K+C4470uf1A121A241A361A482A1112A2132A3152A4171Y1181Y2161Y3141Y4122Y192Y272Y352Y431G12G19U174LS2441234567abcdefg8dp9GNDabfcgdedpDS1AMBERCC1234567abcdefg8dp9GNDabfcgdedpDS2AMBERCC1234567abcdefg8dp9GNDabfcgdedpDS3AMBERCC1234567abcdefg8dp9GNDabfcgdedpDS4AMBERCCQ1NPNQ2NPNQ3NPNQ4NPN12U1A74LS0412U3A74LS0412U2A74LS0412U4A74LS04U4BELLQ52N324412.000MHZS1微动开关C133pfC233pfVCC+C310UFR110KR21KVCCVCC+C51000ufC60.1ufC70.1ufVCC1K300300300300wei1wei2wei3wei4wei1wei2wei3wei41k1kVCC发光二极管VCCT0T1T0T112~220V电源C80.01ufVDDAIN/SHDNVrefGNDDOUT/CSSCLKU3MAX187C94.7UFC110.1UFVCCAD1AD2AD3AD1AD2AD3基于单片机的称重仪1234678U5INA126RL20kC?0.1UFVCCC?0.1UF+C?10UFAINAIN+C?220UF+C?220UFC?100NFC?100NFR?750R?750传感器L-PSII-10-5V+5VC?0.1UF-5V+C104.7uf+C4470uf+C51000ufC60.1ufC70.1uf-5V132VVGNDINOUTC11LM7905±9V+9V-9V14五、软件设计4.1主程序设计根据系统方案，特设计出本系统