基于单片机的乳粉包装称重控制设计毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的乳粉包装称重控制设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

第 2章 主要元器件选型 转换电路芯片选择 采用 8位 A/D转换器 ADC0809。 ADC0809是逐次逼近式 A/D转换 器 ，双列直插式，最快的转换速度为 100us，其引脚图如图 21所示： I N 026m s b2 1212 220I N 1272 3192 418I N 2282 582 615I N 312 714lsb2 817I N 42E O C7I N 53A D D A25I N 64A D D B24A D D C23I N 75A L E22r e f ( )16E N A B L E9S T A R T6r e f ( + )12C L O C K10 图 21 ADC0809引脚图 它由 8路模拟开关， 8位 A/D转换器，三态输出锁存器以及地址锁存器译码器等组成。 但由于其抗工频干扰能力较弱，因此综合考虑下来，我们决定采用双积分 A/D转换器。 双积分型 A/D 转换器具有很强的抗工频干扰能力。 对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对 50HZ 的工频干扰抑制能力较强，对高于工频干扰（例如噪声电压）已有良好的滤波作用 [5]。 只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。 尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。 故而采用双积分型 A/D 转换器可大大降低对滤波电路 的要求。 作为称重仪，系统对 AD 的转换速度要求并不高，精度上 11 位的 AD 足以满足要求。 另外双积分型 A/D 转换器较强的抗干扰能力，和精确的差分输入，低廉的价格。 综合的分析其优点和缺点，我最终选择了 MC14433。 MC14433 是美国 Motorola 公司推出的单片 3 1/2 位 A/D 转换器，其中集成了双积分式 A/D 转换器所有的 CMOS 模拟电路和数字电路 [3]。 具有外接元件少，输入阻苏州科技学院天平学院本科生毕业设计（论文） 6 抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的 A/D 转换器 ，其主要功能特性如下： ：读数的 177。 %177。 1 字 ； ： 和 两档 ；： 2—25 次 /s； ：大于 1000MΩ ； ： 177。 —177。 8V；： 8mW（ 177。 5V 电源电压时，典型值）； BCD 码输出方式，即千、百、十、个位 BCD 码分时在 Q0—Q3 轮流输出，同时在 DS1—DS4 端输出同步字位选通脉冲，很方便实现 LED 的动态显示。 MC1443内部结构如图 22所示： 图 22 MC1443 内部结构图 主 控芯片选择 本设计开始时，我原本想采用 CPLD（复杂可编程逻辑电路）或 FPGA（现场可编程门列阵）作为系统的控制器。 因为 CPLD具有丰富的可编程 I/O引脚，使用方便灵活，不但可实现常规的逻辑器件功能，还可实现复杂的时序逻辑功能，适合完成各种算法和组合逻辑 [9]。 但是功耗要比较大 ,且集成度越高越明显。 FPGA可作为实现各种复杂的逻辑功能，特别用于大电流、大电压场合的控制，规模大，密度高，它将所有的器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可用 EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。 FPGA采用并行 的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。 苏州科技学院天平学院本科生毕业设计（论文） 7 但考虑到由于设计的是摆锤运动控制， FPGA的高速处理功能不能得到充分的体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时芯片的引脚多使实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计的实际焊接的工作，降低了 PCB板的灵活性。 因此我们决定改变思路，采用普通单片机控制，第一个想到的便是 8位的 51单片机 AT89C51。 AT89C51是一个低电压，高性能 CMOS 8位单片机，片内含 4k bytes的可反复擦写的 Flash只读程序存储器和 128 bytes的 随机存取数据存储器（ RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS51指令系统，片内置通用 8位中央处理器和 Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的 AT89C51提供了高性价比的解决方案 [7]。 单片机 AT89C51是一个低功耗高性能单片机， 40个引脚， 32个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时内含 2个外中断口， 2个 16位可编程定时计数器 ,2个全双工串行通信口， AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。 其将通用的微处理器和 Flash存储器结合 在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本。 如图为 AT89C51引脚图 ： E A /V P31X119X218R E SE T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E /P30T X D11R X D10A T 89C 51 图 23 AT89C51引脚图 仪表放大器选择 由于压力传感器输出的电压信号为毫伏级，所以对运算放大器精度的要求很高。 因此我们原本想采用高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。 因为差动放大苏州科技学院天平学院本科生毕业设计（论文） 8 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，如图 24 所示： 图 24 OP07 构成的差动放大器 电阻 R R2 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， C C4 为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。 但考虑到其电路复杂，需要的元器件多，成本较高。 因此综合讨论下来我们还是 选用仪表放大器 INA121 芯片。 其内部结构图如图 25 所示： 图 25 INA121 内部结构图 INA121 是 Texes Instruments BB 公司生产的 FET 输入、低功耗仪器放大电路，性能优越。 前置放大电路的放大倍数设置为 50。 较小的前置放大倍数可以避免极化苏州科技学院天平学院本科生毕业设计（论文） 9 电压的影响。 电压放大电路的放大倍数设置的较高（取为 100~200 倍），则可以保证总的放大倍数。 同时采用仪表放大器 INA121 构成的电路还有结构简单，元器件少，成本较低等优势。 电源选择 放大模块与 A/D 转换模块需要正负电源，且要求电源具有稳定性。 故刚开始首先考虑采用 MC7812(正压 )MC7912MC（负压）构成的的 177。 12V 稳压电源。 但其不可调，不能满足所需要的正负 5V 电源的要求，所以我 采用自制电源，可调式三端集成稳压器是输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的 CW317系列（ LM317）三端稳压器；有输出负电压的 CW337 系列（ LM337）三端稳压器。 其中， CW317系列稳压器输出连续可调的正电压， CW337 系列稳压器输出连续可调的负电压。 稳压器内部含有过流、过热保护电路。 自制电源输出电压的可调范围为Uo=12~12V，满足要求。 如图 26 所示为 CW317 应用电路图： 图 26 稳压器 CW317 应用电路图 显示模块选择 显示模块主要用于重量的显示，原本采用字符型液晶模块 JM1602C， JM1602C能显示基本的 ASCⅡ 码字符，采用 CMOS 工艺低功耗，内置 KS0066 驱动器，数据苏州科技学院天平学院本科生毕业设计（论文） 10 可直接传送，用并行输入输出形式，数据传送快，低延迟显示体现多样性，但是JM1602C 的引脚电平为 +5V， RAM 的引脚电平为 +，这样就要解决电压不匹配问题，灵活性降低 [10]。 因此经过反复比较决定选用七段 LED 数码管显示， LED 能显示数字和一些基本的字母，简单易用，把它和 74LS164（串入并出移位寄存器）相使用，大大减少了控制器的 I/O 口。 本章小结 经过仔细的分析和比较、实际模拟和理论论证，决定了系统各模块的最终方案如下：（ 1）电源模块：采用 自制可调式三端集成稳压电源 ；（ 2）放大模块：采用仪表放大器 INA121；（ 3） A/D转换模块：采用双积分 A/D转换器 MC14433；（ 4）控制模块：采用单片机 AT89C51；（ 5）显示模块：采用七段 LED数码管。 苏州科技学院天平学院本科生毕业设计（论文） 11 第 3 章 硬件系统的设计 本系统单片机选用 ATMEL 公司的闪速存储器 (flash ROM)型单片机芯片AT89C51。 AT89C51 是 ATMEL 公司的新一代 8 位的一片机产品，带有 4KROM、128BRAM，最大工作频率 24MHZ[13]；同时，具有 32 条输入输出线， 16 位定时 /计数器， 5 个中断源，一个串行口；它具有集成度高、系统结构简单，体积小可靠性高，处理功能强，速度快等特点。 乳粉称重控制的总 体结构如图 31 所示。 输入信号送入前级放大器放大，再经过 A/D 转换器转换成 BCD 码，然后把 BCD 码送入单片机 AT89C51 中进行处理，最后把数据送出数码管显示。 图 31 系统总体原理框图 主芯片引脚应用 1．电源引脚。 2．外接晶体引脚 XTAL1。 XTAL1 是片内振荡器的反相放大器输入端， XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到 XTAL1，而 XTAL2 悬空。 内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为 12MHz，时钟频 率就为6MHz。 晶振的频率可以在 1MHz24MHz 内选择。 电容取 30PF 左右，具体实现如图 32 所示： 输入信号 前级放大 A/D 转换 AT89C51 数码管显示 键盘处理 苏州科技学院天平学院本科生毕业设计（论文） 12 C2C3X1X2 图 32 晶振电路图 3． 复位 RST。 在振荡器运行时，有两个机器周期（ 24 个振荡周期）以上的高电平出现在此引腿时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平， 51 芯片便循环复位。 复位后 P0－ P3 口均置 1 引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器 SFR全部清零。 当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为 ROM 的 00H 处开始运行程序，如图 33 所示： S1R E SE TE A /V ppV C C 图 33 复位 RST 电路图 4． 输入输出引脚 (1) P0 端口 [] P0 是一个 8 位漏极开路型双向 I/O 端口，端口置 1（对端口写 1）时作高阻抗输入端。 作为输出口时能驱动 8 个 TTL。 对内部 Flash 程序存储器编程时，接收指令字节。 校验程序时输出指令字节，要求外接上拉电阻。 在访问外部程序和外部数据存储器时， P0 口是分时转换的地址 (低 8 位 )/数据总线，访问期间内部的上拉电阻起作用。 (2) P1 端口 [－ ] P1 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/0 端口。 输出时可驱动 4 个 TTL。 端口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用，对内部 Flash 程序存储器编程时，接收低 8 位地址信息。 (3) P2 端口 [－ ] P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/0 端口。 输出苏州科技学院天平学院本科生毕业设计（论文） 13 时可驱动 4 个 TTL。 端口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。 对内部 Flash 程序存储器编程时，接收高 8 位地址和控制信息。 在访问外部程序和 16位外部数据存储器时， P2 口送出高 8 位地址。 而在访问 8 位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。 (4) P3 端口 [－ ] P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/0 端口。 输出时可驱动 4 个 TTL。 端口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。 P1－ 3 端口在做输入使用时，因内部有上接电阻，被外部拉低的引脚会输出一定的电流。 对内部 Flash 程序存储器编程时，接控制信息。 除此之外 P3 端口还用于一些专门功能，具体如表 34 所示： 表 34 P3 端口的功能 P3 引脚 兼用功能 串行通讯输入（。