单片机原理及接口技术课程设计论文智能台式电子秤设计.doc

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1、单片机原理及接口技术 课程设计（论文）题目： 智能台式电子秤设计 本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目智能台式电子秤设计课程设计（论文）任务该电子秤适用于各种行业的大重量物品的移动称重，车间，库房，物流等环境测，并可以设置单价，及计算出总费用加以显示，重量测量范围30 kg 500.000kg。主要设计内容：硬件电路设计：1. CPU最小系统设计（包括CPU选择，晶振电路，复位电路）2. 传感器选择及接口电路设计3. 显示、按键电路及电源电路设计软件设计：1.编程程序流程图2.程序清单编写进度计划第1天 查

2、阅收集资料第2天 总体设计方案的确定第4天 CPU最小系统设计第5天 传感器选择及其接口电路设计第6天显示、按键电路及电源电路设计第7天 程序流程图设计第8天 软件编写与调试第9天 设计说明书完成第10天 答辩指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要电子秤是将检测与转换技术、计算机技术、信息处理、数字技术等技术综合一体的现代新型称重仪器。它与我们日常生活紧密结合成为一种方便、快捷、称量精确的工具，广泛应用于商业、工厂生厂、集贸市场、超市、大型商场、及零售业等公共场所的信息显示和重量计

3、算。本系统针对电子称的自动称重、数据处理等进行了设计和制作。为了阐明用单片机是如何对采样数据进行处理，对数据的采集和转换、计算问题进行了研究，讨论了单片机控制系统中关键的计算问题。本文在给出智能电子称硬件设计的基础上，详细分析了电子称的软件控制方法。单片机控制的电子称结构简单，成本低廉，深受人们的喜爱，本文将对此进行详细讨论。关键词：电子称；单片机；称重传感器目 录第1章 绪论11.1 电子秤的概况11.2 本文研究内容2第2章 CPU最小系统设计32.1 系统总体设计方案32.2 CPU的选择32.3 数据存储器扩展42.4 复位电路设计52.5 时钟电路设计62.6 CPU最小系统图6第3

4、章 输入输出接口电路设计73.1 传感器的选择与放大电路73.1.1 传感器的选择73.1.2 放大电路的选择83.2 检测接口电路设计93.2.1 A/D转换器选择93.2.2 模拟量检测接口电路图103.3 人机对话接口电路设计103.3.1 键盘电路与AT89C51的接口电路设计103.3.2 显示电路与AT89C51的接口设计11第4章 软件设计124.1 流程图设计124.1.1 主程序流程图设计124.1.2 模拟量检测流程图设计134.1.3 人机对话流程图设计134.2 程序清单15第5章 总结18参考文献19第1章 绪论1.1 电子秤的概况在我们生活中经常都需要测量物体的重量

5、，于是就用到秤，但是随着社会的进步、科学的发展，我们对其要求操作方便、易于识别。随着计量技术和电子技术的发展，传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性

6、。称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。称重装置不仅是提供重量数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，推进了工业生产的自动化和管理的现代化，它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。称重装置的应用已遍及到国民经济各领域，取得了显著

7、的经济效益。电子秤是称重技术中的一种新型仪表，广泛应用于各种场合。电子秤与机械秤比较有体积小、重量轻、结构简单、价格低、实用价值强、维护方便等特点，可在各种环境工作，重量信号可远传，易于实现重量显示数字化，易于与计算机联网，实现生产过程自动化，提高劳动生产率。例如标签秤在超市中的应用已经是耳闻目睹的了。一张小小的标签包含着：品名、价格、重量等，一一列表在这小小的电子标签上。标签机的使用大大加快了销售速度，也方便了顾客。顶尖条码标签称有着许多卓越的特点，以太网功能使管理更加方便。因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。60年代初期出现

8、机电结合式电子衡器以来，随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。经过40多年的不断改进与完善，衡器技术也在不断进步和提高。从世界水平看，衡器技术已经经历了四个阶段，从传统的全部由机械元器件组成的机械称到用电子线路代替部分机械元器件的机电结合秤，再从集成电路式到目前的单片机系统设计的电子计价秤。我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。现今电子衡器制造技术及应用得到了新发展：电子称重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展。常规的测试仪器仪表

9、和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。1.2 本文研究内容首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。按照设计的基本要求，系统可分为三大模块，数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。其中数据采集模块由压力传感器、信号的前

10、级处理和A/D转换部分组成。转换后的数字信号送给控制器处理，由控制器完成对该数字量的处理，驱动显示模块完成人机间的信息交换。此部分对软件的设计要求比较高，系统的大部分功能都需要软件来控制。第2章 CPU最小系统设计2.1 系统总体设计方案压力传感器放大电路A/D转换器AT89C51单片机按键输入LED显示器利用压力传感器采集因压力变化产生的电压信号，经过电压放大电路放大，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。此外，还可通过键盘设定所称物品的价格。图2.1 系统设计框图目前单片机技术比较成熟，功能也比较

11、强大。单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点。但其缺点是外围电路比较复杂,编程复杂。2.2 CPU的选择本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器,而且以单片机为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。再则由于系统没有其它高标准的要求，又考虑到本设计中程序部分比较大，根据总体方案设计的分析，设计这样一个系统，可以选用带EPROM的单片机，由于

12、应用程序不大，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展存储器，这样电路也可简化。INTEL公司的8051和8751都可使用，在这里选用ATMENL生产的AT89C51系列单片机。AT89C51系列与MCS-51相比有两大优势：第一，片内存储器采用闪速存储器，使程序写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路体积更小。此外价格低廉、性能比较稳定的CPU，具有2个16位定时计数器、4个8位I/O接口。这些配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求。所以最后选择了AT89C51这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。图2.2引脚图2.3 数据存储器扩展89C51片内有128B的RAM存储器

13、，在实际应用中仅靠着128B的数据存储器是远远不够的。这种情况下可利用89C51单片机所具有的扩展功能，扩展外部数据存储器。89C51单片机最大可扩展64KB RAM。常用的数据存储器有静态数据存储器RAM和动态数据存储器，由于在实际应用中，需要扩展的容量不大，所以一般采用静态RAM，如SRM6116,6264等。本设计采用6116静态RAM。引脚功能：具有11条地址线，8条数据总线，一条片选线及写允许线，读允许线。图2.3 CPU与数据存储器的硬件原理图2.4 复位电路设计复位操作可以是单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。本设计使用上电复位电路，是利用电容器充电来

14、实现的。当加电平时，电容C充电，电路有电流通过，构成回路，在电阻R上产生压降，RESET引脚为高电平；当电容C充满电后，电路相当于断开，RESET电位与地相同，复位结束。图2.4复位电路原理图2.5 时钟电路设计时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，计算机在工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的。图2.5时钟电路原理图外接晶振时，C1，C2值通常选择为30pF左右；外接陶瓷谐振器时，C1，C2约为47pF。振荡频率范围时024MHz。2.6 CPU最小系统图根据上述电路设计，得出CPU最小系统图。图2.6 CPU最小系统图第3章 输入输出接口电路设计3.1 传感器的选择与放大电路

15、3.1.1 传感器的选择在本设计中，传感器是个十分重要的元件，因此对传感器的选择也显得十分重要。不仅要注意其量程和参数，还要考虑与其相配置的各种电路的设计的难易程度和设计性价比等等。传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最人偏载及动载等因素综合评价来确定。一般来说，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素后，经过大量的

16、实验而确定的。电阻应变式传感器的称量范围为300g至数千kg，计量准确度达1/10001/10000，结构较简单，可靠性较好。大部分电子衡器均使用此传感器。综合考虑，本设计采用电阻应变式传感器.电阻应变式称重传感器实物图如图3.1所示，引出线为四芯，红（输入 +）、白（输出-）、黑(输入-)、绿(输出+)。接线方法是红黑分别接电源正负端，绿白分别接信号的输出端，为确保精度，一般不要调整线长。R1R2R3R4R5R6Rp1在电阻应变传感器中起作用的是桥式测量电路。 桥式测量电路有四个电阻，电桥的一个对角线接入工作电压E，另一个对角线为输出电压Uo。其特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输

17、出为零，否则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。 测量电桥如图3.2所示： 图3.1 称重传感器实物图 图3.2 称重传感器测量电桥它由箔式电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，测量电桥的电源由稳压电源E供给。物体的重量不同，电桥不平衡程度不同，指针式电表指示的数值也不同。滑动式线性可变电阻器RP1作为物体重量弹性应变的传感器，组成零调整电路，当载荷为0时，调节RP1使数码显示屏显示零。应变片式传感器有如下特点：（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。（3）结构轻小，对试件影响小， 对复杂环境适

18、应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。3.1.2 放大电路的选择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

19、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。由于称重传感器采集的电压信号为毫伏级，而A/D转换电路的工作电压为0-5V,为了保证A/D正常工作，因此放大电路图如下：图3.3放大电路3.2 检测接口电路设计3.2.1 A/D转换器选择A/D转换部分是整个设计的关键，这一部分处理不好，会使得整个设计毫无意义。ADC0809/0809系列是现今速度最快的模/数转换器，采样速率在1GSPS以上，通常称为“闪烁式”

20、ADC。它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分组成。这种结构的ADC所有位的转换同时完成，其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。片内有多路模拟开关及通道地址译码及锁存电路，可对多路模拟信号进行采集与转换；片内配置了三态输出数据缓冲器，提供了与微处理器兼容接口；ADC0808的最大不可调误差小于，而ADC0809为。缺点是：并行比较式A/D转换的抗干扰能力差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于8位。图3.4 ADC0809与89C51单片机的接口电路3.2.2 模拟量检测接口电路图图3.5 检测接口电路图3.3 人机对话接口电路设计3.3.1 键盘电路与AT89C51的

21、接口电路设计在单片机应用系统中，为了控制其运行状态，需要向系统输入一些命令或数据，因此应用系统中应设有键盘，这些键包括数字键，功能键和组合控制键等。这些按键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的。但是这些开关绝不仅仅是简单的电平输入。在本系统中键盘采用矩阵式键盘并采用中断扫描工作方式。键盘为4 X 4键盘，包括0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、十个数字及确认，功能，清零，存储和删除键。采用中断工作方式提高了CPU的利用效率，没键按下时没有中断请求，有键按下时，向CPU提出中断请求，CPU响应后执行中断服务程序，在中断程序中才对键盘进行扫描。矩阵式键盘的结构与工作原理： 在键盘中按

22、键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显。图3.6 单片机与键盘接口电路3.3.2 显示电路与AT89C51的接口设计显示器是人机交换的主要部分，他可以将测量电路测得的数据经过CPU处理后直观的显示出来。数据显示有两种方案：LED数码显示和LCD液晶显示。考虑到LED数码显示的直观方便，这次设计选择了LED静态显示。图3.7单片机与LED接线图第4章 软件设计4.1 流程图设计

23、设置堆栈指针设置各中断服务程序入口相关寄存器清零设置显示初值设置中断优先级及触发形式调用执行代码转换程序INT0有效调用显示子程序调用键盘子程序调用显示子程序启动数模转换INT1有效效？调用数据处理子程序执行数模转换调用显示子程序设置显示子程序重物移去N开始返回4.1.1 主程序流程图设计图4.1 主程序流程图4.1.2 模拟量检测流程图设计A/D转换子程序主要是指在系统开始运行时，把称重传感器传递过来的模拟信号转换成数字信号并传递到单片机所涉及到的程序设计。设计流程图如图4.2所示。A/D初始化启动A/D转换A/D转换完成数据存储数据显示YN开始图4.2 A/D转换启动及数据读取程序流程图4

24、.1.3 人机对话流程图设计键盘电路设计成4X4矩阵式，由键盘编码方式可以得出0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E。在程序中可以先判断按键编码，然后根据编码将键盘代表的数值送到相应的存储单元，再进行功能选择或数据处理。键盘输入LED初始化字符显示界面字符显示调用LED显示结束有功能键按下输入完毕有返回键按下下NYNN图4.3 键盘扫描子程序设计流程图显示子程序主要是来判断是否需要显示,以及如何去显示,也是十分重要的程序之一。而显示子程序是其他程序所需要调用的程序之一，因此，显示子程序的设计就显得举足轻重，设计的时候也要十的小心。显示欢迎界面有无按键开始显示功能选择按键是否

25、为D是否为E返回键盘输入界面显示测量界面有无按键YYNNY图4.4 显示子程序流程图4.2 程序清单20ORG 0000HAJMP STARTORG 0030HSTART: CLR P1.0SETB P1.1MOV SP, #60HLCALL INITIAL_GLED LCALL KAIJI LCALL DELAY500LCALL DELAY500LCALL DELAY500LCALL TISHI LCALL INI_8279KEY-A： MOV DPTR，#8101HMOVX A，DPTRANL A, #07HCJNE A, #00H, LP1SJMP KEY-AMOV DPTR,8100H

26、MOVX A, DPTRCJNE A, 0DBH, KEY-AAJMP K1LCALL YUZHILCALL CELINGJIEGUOAJMP $键盘扫描子程序:ORG 0000HAJMP MAINORG 0030HMAIN:MOV DPTR,#TAB LCALL KEY MOVC A,A+DPTR MOV P0,A CLR P2.1 LJMP MAIN KEY: LCALL KS JNZ K1 LCALL DELAY2AJMP KEY K1: LCALL DELAY2LCALL DELAY2 LCALL KS JNZ K2 AJMP KEY K2: MOV R2, #0EFH MOV R4,

27、 #00H K3: MOV P1, R2 L6: JB P1.0, LP1 MOV A, #00H AJMP LK LP1: JB P1.1, LP2 MOV A, #04H AJMP LK LP2: JB P1.2, L3 MOV A, #08H AJMP LK L3: JB P1.3, NEXT MOV A, #0cH LK: ADD A, R4 PUSH ACC K4: LCALL DELAY2 LCALL KS JNZ K4 POP ACC RETNEXT: INC R4 MOV A, R2 JNB ACC.7, KEY RL A MOV R2, A AJMP K3 KS: MOV P

28、1, #0FH MOV A, P1 XRL A, #0FH RET DELAY2: MOV R5, #08HL7: MOV R6, #0FAHL8: DJNZ R6, L8 DJNZ R5, L7 RET显示子程序:TISHI: LCALL CLEAR_GLED DISPLAY: NOP MOV DPTR, #TAB MOV A, A_BIT MOVC A, A+DPTR ORL A, #10H SETB P3.4 MOV P1, A ; LCALL delay8ms CLR P3.4 MOV DPTR, #TAB MOV A, B_BIT MOVC A,A+DPTR SETB P3.5 MO

29、V P1, A LCALL delay8ms CLR P3.5 JB FUHAO, XSBW MOV A, #01H JMP XSBW2XSBW: MOV A, C_BIT JNZ XSBW1 MOV A, #00H JMP XSBW2XSBW1: MOVC A,A+DPTR XSBW2: MOV P1, A SETB P3.6 LCALL delay8ms CLR P3.6 MOV A, D_BIT MOVC A,A+DPTR SETB P3.3 MOV P1, A LCALL delay8ms CLR P3.3 RET测量界面子程序:MOV ADDR1, #00HMOV N1, #08HM

30、OV DPTR, #DHTABLE1CALL DHZMOV ADDR1, #10HMOV N1, #08HMOV DPTR, #DHTABLE2CALL DHZMOV ADDR1, #08HMOV N1, #08HMOV DPTR, #DHTABLE3CALL DHZMOV ADDR1, #18HMOV N1, #08HMOV DPTR, #DHTABLE4CALL DHZEND第5章 总结智能电子秤以具有良好的可靠性、准确性、技术先进性和结构简单等特点，受到广大用户的青睐。在商业活动中用途越来越广，给人们的经济生活带来了便利。本文采用AT89C51单片机设计的智能电子秤, 它具有较好的标定校

31、准方法, 性能稳定, 操作简单, 价格低廉。该电子秤集传感器技术、微计算机技术、数字显示技术于一体、其反应灵敏、准确度高、显示直观，便于使用。通过硬件的少量扩展和软件的修改, 能设计出性能优越的计价秤、电子台秤等, 满足各行各业对现代电子衡器的需求。因此，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

32、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。参考文献1 梅丽凤等编著 单片机原理及接口技术 清华大学出版社2009.72 赵晶 主编 Prote199高级应用 人民邮电出版社，2000 3 于海生 编著 微型计算机控制技术 清华大学出版社2003.45 赵茂泰. 智能仪器原理及应用M.北京：电子工业出版社.20046 张毅刚. MCS-51单片机应用设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.20037 单成祥.传感器理论设计基础及其应用M.北京：国防工业出版社.19998 沙占友 ，王彦朋等. 智能传感器系统设计与应用M.北京：电子工业出版社2004.69 何希才,薛永毅. 传感器及其应用实例J.北京：机械工业出版社.2004.1