工学]基于单片机的电子称重仪终稿

工学]基于单片机的电子称重仪终稿内容摘要：

512 字节 RAM （ 6）通用 I/O（ 32 个），复位后为： P0、 P P P3 是准双向口、弱上拉， P0 口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻 （ 7） ISP（在线系统可编程）、 IAP（在线应用可编程），无需专用编程器、仿真器，可通过串口（ 、 ）直接下载程序， 8K 程序 3 秒即可完成一片 （ 8）具有 EEPROM 功能 （ 9）内有真正的看门狗，可放心省去外部看门狗 （ 10）外部晶振 20M 以下时，可省外部复位电路 （ 11）共 3 个 16 位定时器 /计数器，其中定时器 0 还可以当成 2 个 8 位定时器使用 （ 12）外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发中断， Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒 （ 13）通用异步串口（ UART） ， 还可用定时器软件实现多个 UART （ 14）工作温度范围：商业级 0 ~ +75176。 C 、工业级 ﹣ 40 ~ +85176。 C （ 15）内部 Flash 擦写次数为 100,000 次以上， STC89C52RC 系列单片机加密性强 单片机管脚分配 系统采用最小系统模式，如图 所示。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 11 页 图 单片机最小系统连接图 （ 1） P0 口作为 12864LCD 显示的数据口，主要向液晶内部写指令和需要显示的数据，由于 P0 口是开漏方式 输出，单片机内部没有上拉电阻，所以，需要外接上拉电阻，如图所示，接 10KΩ 的排阻。 （ 2） P1 口接 44 矩阵键盘， ~ 接横行， ~ 接竖列。 （ 3） P2 口主要接 A/D 转换芯片 TLC2543 的各个控制管脚，用于将模数转换后的数字量送到单片机内进行处理。 （ 4） P3 口主要接 12864LCD 的控制管脚，对显示部分进行控制。 电源部分 设计 独立电源供电 独立电源部分采用 L7805 对电源进行稳压，使其对系统的供电稳定、连续、可靠。 L7805 简介 L7805 是三端固定正稳压器，输出 5V 固定的电压，广泛应用于各种电子设备中，电路使用安全可靠。 有 TO2 TO220FP、 TO220FM、 TO3 和 DDPAK 等多种封装形式。 虽然稳压器按固定稳压器设计，但外部接少量元件，即可做成可调稳压器或可调稳流器使用。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 12 页 主要性能 最大输出电流 输出电压 5V 内部热过载保护 内部短路、过流保护 输出晶体管安全区保护 工作温度范围 ﹣ 65 ~ 150 176。 C 运行条件下结点温度 ﹣ 55 ~ 150 176。 C 各部分说明 独立电源部分 主要 包括外部电源接口部分、稳压部分和 系统供电开关显示部分。 如图。 图 电源接口图 （ 1）外部电源接口部分 外部电源接口包括独立电源接口 POWER 和非独立电源接口 POWER2 两部分。 采用多种形式供电，方便实用。 POWER 为独立电源接口，可接各种 5V以上电池，此设计采用 4 节 的 5 号干电池作为独立电源，为整个系统供电。 POWER2 为外部电源适配器接口，主要是通过电源适配器将交流电转换成额定电压值，再通过稳压电路对系统供电。 （ 2）稳压部分 根据 L7805 的 数据手册 提供的典型应用电路，输入输出两端接电解电容，主要是为 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 13 页 了稳压 ， D4 是为了防止电流倒流损坏器件。 （ 3）系统供电开关显示部分 S1 是系统的电源开关； F1 是熔断丝，当出现短路或是电流过大时，用来保护系统的各器件； PLED 是电源指示灯，用来指示系统是否工作。 运放所用正负压的产生 为了使运算放大器较好地工作，需要为其提供一对正负工作电压， 为 解决这一问题，本系统利用 MAX232 的串口发送接收管脚来产生正负电压。 MAX232 简介 MAX232 是一种双组驱动器 /接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单 5V电源供电时提供 EIA/TIA232E 电平。 每 个接收器将 EIA/TIA232E 电平输入转换为 5V TTL/CMOS 电平。 这些接收器具有 的典型门限值及 的典型迟滞，而且可以接收 177。 30V 的输入。 每个驱动器将 TTL/CMOS 输入电平转换为 EIA/TIA232E 电平。 主要应用在 EIA/TIA232E、电池供电系统、终端、调制解调器、计算机等方面。 特点 单 5V 电源工作 两个驱动器及两个接收器 177。 30V 输入电平 低电源电流：典型值是 8mA 符合甚至优于 ANSI 标准 EIA/TIA232E 及 ITU 推荐标准 ESD 保护大于 MILSTD883（方法 3015）标准的 2020V 工作温度（自然通风）范围内的极限参数 输入电源电压范围 Vcc： ﹣ 至 6V 正输出电源电压范围 VS+： Vcc﹣ 至 15V 负输出电源电压范围 VS： ﹣ 至 15V 输入电压范围 VI：驱动器 ﹣ 至 Vcc＋ 接收器 177。 30V 输出电压范围 VO： T1OUT， T2OUT VS－ 至 VS+＋ R1OUT， R2OUT ﹣ 至 Vcc＋ 短路持续时间： T1OUT， T2OUT 未限制 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 14 页 工作温度（自然通风）范围 TA： MAX232 0176。 C 至 70176。 C MAX232I ﹣ 40176。 C 至 85176。 C 存储温度范围 Tstg ﹣ 65176。 C 至 150176。 C 引线温度，离外壳 (1/16 英寸 )， 10 秒 260176。 C 强度超出所列的极限参数可能导致器件的永久性损坏。 这些仅仅是极限参数，并不意味着在极限参数件下或在任何其它超出推荐工作条件所示参数的情况下 器件能有效地工作。 延长在极限参数条件下的工作时间会影响器件的可靠性。 在称重系统中，在管脚 11 上加入 +5V 电压，经过反相器从管脚 14 输出负压，在管脚 10 上加入 0V 电压，经过反相器可从管脚 7 输出正压，经实际测量正负电压值可以达到 177。 8V，电流可达到 177。 8mA，基本满足运算放大器所需的工作条件。 MAX232 内部逻辑如图 所示。 图 MAX232 内部逻辑图 称重传感器部分 设计 传感器特性 称重传感器采用平衡双臂梁应变式传感器，主要由电桥电路产生差压信号。 传感器参数如表 ， 平衡双臂梁应变式传感器外观 如图 所示。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 15 页 表 传感器参数 表 额定载荷 10 Kg 额定输出 177。 mv/V 综合误差 177。 % 输出温度影响 177。 %/176。 C 零点温度影响 177。 %/176。 C 零点平衡 177。 mv/V 输入阻抗 400177。 5 Ω 输出阻抗 350177。 2 Ω 绝缘阻抗 ≥5000 MΩ 安全过载率 120 % 极限过载率 200 % 工作温度范围 30 ~ 70 176。 C 推荐工作电压 5 ~ 12 V(AC or DC) 最大工作电压 18 V(AC or DC) 重复性、线性、滞后 % 温补范围 10 ~ +50 176。 C 容许范围 20 ~ +60 176。 C 安全过载范围 150 % 蠕变 %/30min 防护等级 IP65 (a) (b) 图 平衡双臂梁应变式传感器外观图 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 16 页 传感器内部结构原理 传感器 内部结构 如图 所示。 图 传感器 内部结构原理图 电桥接入 电阻应变片时，即为应变桥，四个桥臂接入应变片连接成全臂桥。 设电桥各臂电阻均有增量，不平衡输出电压为 其中， U0为输出信号电压， U 为供电电压， ΔRi为电阻变化值， Ri为原电阻值。 等臂电桥 R1 = R2 = R3 = R4 = R，则有 当 时，略去高阶增量，得 其中， εi 为电阻应变。 差动全桥电路中，电桥输出为 图 称重传感器接口图 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 17 页 在实际应用中，当应变片承受应变很大时，电阻的相对变化较大，电桥的输出电压与应变不成正比例关系，就会产生非线性误差，采用差 动全桥电路可以消除非线性，提高输出灵敏度，同时起到了温度补偿的作用。 如图 所示为传感器接口， 接口 2 和 接口 3 为电桥差动电压输出端。 信号放大部分 设计 在测量系统中，通常被测物理量均通过传感器转换为电信号，然后进行放大。 因此，传感器的输出是放大器的信号源。 然而，多数传感器的等效电阻均不是常量，他们随所测物理量的变化而变化，这样，对于放大器而言信号源内阻是变量。 设 为放大输出电压， 为输入电压， Rs 为信号源内阻， Ri 为放大器的输入内阻，则有电压放大倍数 的表达式 根据表达式 ()可知，放大器的放大能力将随信号大小而变。 为了保证放大器对不同幅值信号具有稳定的放大倍数，就必须使得放大器的输入电阻 Ri 187。 Rs， Ri 愈大，因信号源内阻变化而引起的放大误差就愈小。 此外，从传感器所获得的信号常为差模小信号，并含有较大共模部分，其数值又是远大于差模信号。 因此，要求放大器具有较强的抑制共模信号的能力。 综上述说，仪表放大器出来具有足够大的放大倍数外，还应具有高输入电阻和高共模抑制比。 本系统信号放大部分采用 LM324 构成仪表差分放大电路对传感器产生的微弱信号进行放 大，达到 AD 转换芯片能够进行转换的电压范围。 LM324基本特性 LM324 简介 LM324 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。 与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。 该四运算放大器可以工作在低到 或者高到 32V 的电源下，静态电流大致为 MC1741 的静态电流的五分之一（对每一个放大器而言）。 共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。 输出电压范围也可包含负电压。 特点 宽增益带宽： 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 18 页 低供给电流： 375μA 低补偿电流： 20nA 低输入补偿电压： 5mV max 单电源工作范围： +3V ~ +30V 双电源工作范围： 177。 ~ 177。 15V 输入共模电压范围扩展到地 短路保护输出 真差动输入级 每一封装四个放大器 内部补偿 行业标准引脚输出 在输入端的静电放电钳位增加可靠性而不影响器件的工作 放大 工作 原理 图 高阻抗差动放大器原理图 图 为 高阻抗差动放大器原理图 ， 该放大器起到电压放大作用，它是一个由运算放大器 IC IC2 组成的高输入阻抗差动放大电路，传感器的输出电压加在 IC IC2 的同相输入端， IC IC2 的两个输出端之间的电压送至下一级。 前置放大器的电压放大倍数可通过电位器 R2调整。 设 R1 = R5 ， R3 = R6 ， R4 = R7则 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 19 页 即 所以输出电压 当 时， 中电流为零， ，输出电压。 可见，电路放大差模信号，抑制共模信号。 差模放大倍数数值愈大，共模抑制比愈高。 当输入信号中含有共模噪声时，也将被抑制。 AD 转换部分 设计 AD 部分采用 12 位高精度 的 AD 转换芯片 TLC2543，把称重传感器通过放大电路放大的模拟信号转换成单片机能识别的逻辑数字信号。 TLC2543基本特性 TLC2543 简介 TLC2543 是 TI 公司的 12 位串行模数转换器，采用 CMOS 技术，使用开关电容逐次逼近完成 A/D 转换过程。 由于是串行输入结构，能节省 51 系列单片机 I/O 管脚资源，且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。 TLC2543。