基于单片机的称重仪设计毕业设计

基于单片机的称重仪设计毕业设计内容摘要：

比都具有重要的地位。 其主要优点是结构简单，使用方便，灵敏度高，性能稳定，可靠，测量速度快，适合静态、动态测 量。 因此此次设计采用 电阻应变式传感器 作为称重传感器。 电阻应变式传感器是利用电阻应变效应，其原理为：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。 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。 下图 为一直流供电的平衡电阻电桥， inE 接直流电源 E： 图 传感器结构原理图 因此，应变式称重传感器主要由弹性体、电阻应变片与电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由式（ ）给出 [28]：  inERRRRRRRRRR RRU   4 43 32 21 142 420 （ ） 若其中第一臂为电阻应变片，由应变引起的电阻变化为△ R1，当 R1=R R3=R4时，R3ΔR3 R4+ΔR4 R2+ΔR2 R1ΔR1 U0 Ein 2020 届毕业设计说明书 第 7 页 共 38 页 此时有电桥的 输出 电压： 11110211 141RRRREU in  （ ） 当应变很小时： 110 41 RREU in  （ ） 由式（ ）可知，电桥的输出电压  RfU 0 是非线性的 ； 式（ )是在假定应变片承受的应变很小时得到的结论，此时  RfU 0 是线性的，实际的非线性特性曲线与理想的线性特性曲线的偏差称之为非线性误差。 采用差动电桥可以消除非线性误差。 故电阻应变式称重传感器都选用直流供电 的 全桥 连接 ，该电桥的电压灵敏度比单一工作应变片的电 压灵敏度提高了 4倍，且具有温度补偿作用， 各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销。 此时，电桥输出电压为： 110 RREU  （ ） 而对于 传感器的 弹性体 而言 ， 其 结构是多种多样的，但从电阻应变片所测量的对象来区分，常见的有两类：正应力类，如立柱式（ GD系列传感器）和梁式（ MT系列传感器），以及剪应力类（ SB系列传感器）。 根据设计要求与经验，通常选择梁式传感器作为智能称重仪的 称重传感器。 如图 此次设计采用的悬臂梁结构的弹性敏感单元。 图 悬臂梁 结构图 当对其自由端施加垂直载荷后，悬臂梁结构会因受力而发生弯曲变形，且其内部应力（应变）越接近固定端变化越大，其上表面为拉伸状态，下表面为压缩状态，依据此原理可进行传感器的贴片工作，设计所需的称重传感器。 2020 届毕业设计说明书 第 8 页 共 38 页 . 前级放大部分 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： 输入阻抗应远大于信号源内阻。 否则，其负载效应会使所测电压造成偏差。 抗共模电压干扰能力强。 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。 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。 基于以上分析，采用制 作方便而且精度很好的专用仪表放大器 INA126 是一个较好的选择。 但是考虑到实际状况、精度要求等因素，选择高精度低漂移运算放大器 0P07同样可以满足要求，并且其价格便宜，应用电路简单，因此选择运放 0P07 组成前级放大部分。 0P07 芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。 由于 OP07 具有非常低的输入失调电压（对于 OP07A 最大为 25μ V），所以 OP07 在很多应用场合不需要额外的调零措施。 OP07 同时具有输入偏置电流低（ OP07A 为177。 2nA）和开环增益高（对于 OP07A 为 300V/mV）的特点 ，这种低失调、高开环增益的特性使得 OP07 特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。 其引脚图如下图 所示。 图 OP07 芯片引脚图 2020 届毕业设计说明书 第 9 页 共 38 页 管脚功能说明： 1 和 8 为偏置平衡 (调零端 )， 2 为反向输入端， 3 为正向输入端， 4 接电源 负 端， 5空脚 6为输出， 7接电源 正 端。 运算放大器 0P07 芯片及其特点如下图 所示。 图 0P07 芯片及其特点 . 信号转换（ A/D 转换）部分 根据设计要求，信号转换模块是将测得的模拟量转换为数字量，因此有几种方案可采用： 方案一：采用 V/F 变换，例 如芯片 LM331。 V/F 控制的原理是产生一个震荡频率的电路叫做压控震荡器，是一个压敏电容，当受到一个变化的电压时候它的容量会变化，变化的电容引起震荡频率的变化，产生变频。 该方案是使用压频变换器件，把电压信号转化为频率信号，单片机通过计数获得重物的重量，此方案需要比较复杂的小信号放大、调理电路，并且 LM331 外围电路较繁琐，参数配置相对严格，故未采用。 方案二：采用 A/D 转换，例如 逐次逼近式 A/D 转换器 ADC0809。 逐次逼近式 A/D 是比较常见的一种 A/D 转换电路，转换的时间为微秒级。 采用逐次逼近法的 A/D 转换器是由一个比较器、 D/A 转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。 基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。 该类 A/D 转换器转换精度高，速度快，价格适中，是目前种类最多，应用最广的 A/D 转换器。 并且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。 ADC0809是带有 8位 A/D转换器、 8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS2020 届毕业设计说明书 第 10 页 共 38 页 组件。 它是逐次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机直接接口。 ADC0809 由一个 8 路模拟开关、一个 地址锁存与译码器、一个 A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。 多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8路模拟量分时输入，共用 A/D 转换器进行转换。 三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当 OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 DC0808/0809 的内部结构如图 所示。 图 ADC0808/0809 内部结构框图 ADC0809 分辨率 为 8 位 ， 具有转换启停控制端，转换时间为 100μs 采用单 +5V 电源供电，模拟输入电压范围为 0～ +5V，且不需零点和满刻度校准，工作温度范围为 40～+85℃ 功耗可抵达约 15mW。 ADC0809 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，图 所示是其引脚排列图。 图 ADC0809的引脚排列图 管脚功能说明： IN0－ IN7：模拟量输入通道。 2020 届毕业设计说明书 第 11 页 共 38 页 ADDA－ C：地址线。 ALE：地址锁存允许信号。 START：启动转换信号。 当它为上升沿后，将内部寄存器清 0。 当它为下降沿后，开始 A/D 转换。 D0－ D7：数据输出口。 OE：输出允许信号，是 D0－ D7 的输出控制端。 OE＝ 0，输出端呈高阻态， OE＝ 1，输出转换得到的数据。 CLOCK：时种信号。 ADC0809 内部没有时钟电路，需由外部提供时钟脉冲信号。 EOC：转换结束状态信号。 EOC＝ 0，正在进行转换。 EOC＝ 1，转换结束。 REF(+)、 REF()：参考电压。 一般 REF(=)＝ 5v REF()接地。 ADC0809 的 工作过程： 首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。 此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。 START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。 下降沿启动 A/D 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。 直到 A/D转换完成， EOC 变为高电平，指示 A/D 转换结束，结果数据已存入 锁存器，这个信号可用作中断申请。 当 OE 输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 A/D 转换器的位数决定着信号采集的精度和分辨率。 对于 8通道的输入信号，其分辨率为 ％。 8位 A/D 转换器的精度为： 177。 %，因此符合此次设计的数据转换要求要求。 . 主控制器（单片机）的选型 在众多的 51 系列单片机中，要算 ATMEL 公司的 AT89C5 AT89S51 更实用，它不但和 8051 指令、管脚完全兼容，而且其片内的 4K 程序存储器是 FLASH 工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除 、改写，一般专为 ATMEL AT89xx 做的编程器均带有这些功能。 显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。 写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。 AT89C51 是一种带 4K 字节闪存可编程可擦除只读存储器（ FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。 单片机的可擦除只读存储 器可以反复擦除 100 次。 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储2020 届毕业设计说明书 第 12 页 共 38 页 器制造技术制造，与工业标准的 MCS51 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， AT89C2051 是它的一种精简版本。 AT89C 单片机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。 AT89C51 单片机特点能 与 MCS51 兼容，有 4K 字节可编程闪烁存储器，寿命能够达到 1000 写 /擦循环，数据可以保留时间长达 10 年，全静态工作： 0Hz24MHz，三级程序存储 器锁定， 1288 位内部 RAM， 32 可编程 I/O 线，两个 16 位定时器 /计数器，5 个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。 所以 AT89C51 符合本次设计的主控芯片。 AT89C51 芯片图如下： 图 AT89C51 的引脚图 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。 在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 在 FLASH 编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。 2020 届毕业设计说明书 第 13 页 共 38 页 P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4个 TTL 门电流，当 P2 口被写 “1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为 输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。 在给出地址 “1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。