1、單片機技術及其應用原理課程設計報告 設計題目:電子秤的設計專業年級:08電子信息工程本科小組成員: 楊婷(202100802035華娟(202100802041王尹懌(202100802048成績:完成時間:20210702【設計題目】電子稱的設計【設計要求】(1設計一款電子秤,用LED液晶顯示器顯示被稱物體的質量(2可以設定該秤所稱的上限(3當物體超重時,能自動報警【設計過程】1.【方案設計】在設計系統時,針對各個模塊實現的功能來設計電子秤的方案有以下幾種:方案一結構簡圖如下列圖所示: 圖1 帶有鍵盤輸入的結構簡圖此方案設計的電子秤,可以實現稱物計價功能,但是局限于數碼管的功能,在顯示時只能

2、顯示單價、購物總額以及簡單的貨物代碼等。在顯示重量時,如果數碼管沒有足夠的位數,那么稱量物體重量的精度必受到限制,所以此方案需要較多的數碼管接入電路中。這樣在處理輸入輸出接口時需要另行擴展足夠多的I/O接口供數碼管使用,比擬麻煩。方案二前端信號處理時,選用放大、信號轉換等措施,尤其在顯示方面采用具有字符圖文顯示功能的LCD顯示器。這種方案不僅加強了人機交換的能力,而且滿足設計要求,可以顯示購物清單、所稱量的物體信息等相關內容。結構簡圖如下列圖所示: 圖2 LCD顯示的方案目前單片機技術比擬成熟,功能也比擬強大,被測信號經放大整形后送入單片機,由單片機對測量信號進行處理并根據相應的數據關系譯碼顯

3、示出被測物體的重量。單片機控制適合于功能比擬簡單的控制系統,而且其具有本錢低,功耗低,體積小算術運算功能強,技術成熟等優點。但其缺點是外圍電路比擬復雜,編程復雜。使用這種方案會給系統設計帶來一定的難度。方案三采用現場可編程門陣列(FPGA為控制核心采用現場可編程門陣列(FPGA為控制核心,利用EDA軟件編程,下載燒制實現。系統集成于一片Xilinx公司的Spartan系列XC2S100E芯片上,體積大大減小、邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍廣等特點,可實現大規模和超大規模的集成電路。采用FPGA測頻測量精度高,測量頻率范圍大,而且編程靈活、調試方便,設計要求的精度較高,所以要求系統的穩定性要

4、好,抗干擾能力要強。從下列圖中可以看到系統的根本工作流程和各單元電路所用到的核心器件。其中控制器采用Xilinx公司可編程器件FPGA為核心,基于ISE軟件平臺,采用VHDL編程實現數據處理、LED和LCD驅動、時鐘芯片的I2C通訊、鍵盤控制等模塊。結構簡圖如下列圖所示: 圖2.4 電子稱系統的組成結構圖FPGA的邏輯容量密度大,集成度高,可大大減少印刷電路板的空間,減低系統功耗,同時還可以提高設計的工藝性和產品的可靠性。雖然以FPGA為核心的電子稱系統很優化,但只有在大規模和超大規模集成電路中其高集成度才能更好得以表達。其主要在PC機接口卡的總線接口、程控交換機的信號處理與接口、雷達聲納系統

5、的成像控制與數字處理、數控機床的測試系統等方面有廣泛應用。鑒于本電子稱的設計并不太復雜,單片機完全能實現所需功能,所以在具體設計時,采用了第三種設計方案1.12.【器件選擇】顯示器的選擇方案方案一:采用LED(數碼管顯示。LED(數碼管是light-emitting diode 的縮寫,它經過合理的設置可以完成顯示被測物質量、單價、總價以及可測上限值的任務,并且經濟耐用。同時LED具有高亮度,高刷新率的優點,能提供寬達160°的視角,可以在較遠的距離上看清楚。但是它的顯示存在信息量少,顯示不直觀,不易理解,連線復雜等缺點。方案二:采用LCD(液晶屏顯示。LCD(液晶屏是Liquid

6、Crystal Display 的縮寫,它具有字符顯示的功能,不但可以同時顯示被測物質量、單價、總價以及可測上限值,還可以同時顯示相應的控制命令、指示符號及單位等,信息量豐富且直觀易懂。另外,液晶顯示有功耗低,體積小,質量輕,壽命長,不產生電磁輻射污染等優點。綜合比擬二者的優缺點,本設計最終采用LCD1602作為顯示器。1.2AD芯片的選擇方案方案一:采用AD7810作為A/D轉換器件。AD7810是美國模擬器件公司(Analog Devices生產的一種低功耗10位高速串行A/D轉換器。該產品有8腳DIP和SOIC兩種封裝形式,并帶有內部時鐘。它的外圍接線極其簡單,AD7810的轉換時間為2

7、s,采用標準SPI同步串行接口輸出和單一電源(2.7V5.5V供電。在自動低功耗模式下,該器件在轉換吞吐率為1kSPS時的功耗僅為27W,因此特點適合于便攜式儀表及各種電池供電的應用場合使用。方案二:采用ADC0809作為A/D轉換器件。ADC0809是采樣分辨率為8位的、微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。其內部有一個8通道多路開關,它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號,只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換。它是逐次逼近式A/D轉換器,可以和單片機直接接口。綜上所述,由于考慮到8位模數轉換已經滿足本次設計要求,而且ADC0809的價格相對較低,所以本設計采用ADC0809作為模數轉換器

8、件。1.3CPU的選擇方案方案一:采用傳統的8位的51系列單片機作為系統控制器。AT89C52是一個低電壓,高性能CMOS 8位單片機,片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash 只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器(RAM,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產,兼容標準MCS-51指令系統,片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元,功能強大的AT89C52單片機可以提供許多較復雜系統控制應用場合。而且我們做的很多產品都是在51的根底上完成,對51系列的單片機相對來說較為熟悉。方案二:采用32位的ARM2138作為系統控制器。ARM2138具有強大的存

9、儲空間,內嵌32K片內靜態RAM和512K的flash存儲器,可以實現在系統可編程(ISP、在應用可編程(IAP,2個8路10位A/D轉換器,1個D/A轉換器,轉換迅速準確,引腳資源豐富,多達47個可承受5V電壓的通用I/O口,多個串行接口,包括2個16C550工業標準UART、2個高速I2C接口(400Kb/s、SPI 和具有緩沖作用和數據長度可變功能的SSP。但價格相對較高。綜上分析,由于考慮到器件的價格、現有資源和對器件的掌握程度,控制器模塊選擇方案一。3.【系統電路設計】綜合考慮本次設計要求、現有元器件資源、元器件價格和對元器件的熟悉掌握程度,本次設計選用AT89C52作為CPU控制器

10、, ADC0809作為模數轉換器件,LCD1602作為顯示器件,再配以其他相關元器件來實現硬件電路的設計。 圖2-1 基于單片機控制的電子秤的根本組成框圖傳感器的測量電路選用全橋電路,由四個電阻應變計組成。無外力作用時,橋路平衡,輸出電壓為零;有外力作用時,電阻應變計的阻值發生變化,橋路失去平衡,有相應的電壓輸出。但是由于此電壓信號過于微弱,難以被ADC0809采集,那么需經過放大電路放大才能經ADC0809進行模數轉換。轉換后的數字信號經單片機處理后送顯示器顯示。本設計還增加了鍵盤和報警電路,鍵盤的功能是調節滿量程的上限值和當前的單價,如果被測量的物質重量超出所設定的滿量程上限值,那么蜂鳴器

11、報警,否那么顯示當前的重量、單價和相對應的總價。1.4 4.【軟件設計主程序的設計主程序設計的流程如下列圖所示,開機后先對LCD1602進行初始化,并顯示單價及上限閾值,接下去那么循環采集AD數據及鍵盤程序。 圖4-1 主程序流程圖1.5AD數據采集及處理子程序的設計數據采集由ADC0809芯片來完成,主要分為啟動、讀取數據、等待轉換結束、讀出轉換結果、采集的數據求和、取平均(退出幾個步驟。ADC0809初始化后,就具有了將某一通道輸入的05V模擬信號轉換成對應的數字量0x000xff,然后再存入指定緩沖單元中。其轉換方式可以采用程序查詢方式,延時等待方式和中斷方式三種。本設計采用的是延時等待

12、方式,具體程序流程圖如圖4-2所示。 圖4-2 AD數據采集及處理子程序流程圖數據處理子程序是整個程序的核心。主要用來調整輸入值系數,使輸出滿足量程要求。另外完成A/D的采樣結果從二進制數向BCD碼轉化14。在硬件調試過程中重量與電壓的關系如表一所示: 線性符合設計要求,且每個砝碼對應的電壓值轉BCD碼后正好近似20,那么無需其他處理。1.6鍵盤處理程序的設計在本次設計中,總共用到三個按鍵。按鍵0是切換鍵,按一次切換鍵進入單價修改狀態,按兩次進入上限閾值修改狀態,按三次進入電子稱去皮處理狀態,再按一次那么返回正常顯示狀態。按鍵1實現對單價或上限閾值加一的功能。按鍵2實現對單價或上限閾值減一的功

13、能。每個按鍵對應的流程圖如下所示。 圖4-3 按鍵0的子程序流程圖 圖4-4 按鍵1的子程序流程圖 圖4-5 按鍵2的子程序流程圖】1.7【結果分析】設計結果本設計成功實現了電子稱量功能,在原始電子稱的根底上還增加了單價調節、閾值報警和去皮稱重功能。利用LCD1602同時顯示當前重量值、當前重量所對應的單價、總價以及可測重量的上限值,如圖5-1所示。其中“P表示當前的單價,“M表示當前重量值,“$表示當前物質的總價,“max表示當前設定的承載上限值。“P、“max和“M(可以去皮稱重的調整操作如下:單價調節功能操作:先按一下切換鍵當液晶屏上的“P后面顯示“?時,在按加一減一鍵調整價格值,調整好

14、后在按切換鍵退出;測量上限調節功能操作:先按兩下切換鍵,當液晶屏上的“max后面顯示“?時,在按加一減一鍵調整上限值,調整好后在按切換鍵退出;去皮功能操作:先按三下切換鍵,直到顯示屏上的“M值顯示“000 g,再按一下切換鍵那么顯示去皮前重量值。本產品總體實現智能電子稱的功能。但是由于本次畢業設計由于傳感器發出的信號不是很穩定，所以稱重時誤差很大。如果使用精密度較高的傳感器，效果 會好很多。其次是數據采集處理階段，此階段是對傳感器發出的信號進行量化、 采集，主要分為信號放大、采集，然后進行 A/D 轉換。該階段需注意的地方是 對傳感器輸出的信號進行放大時，應選取適宜的運算放大電路。最好是預先計算 好應放大的倍數，以便選取。還有就是進行數據處理時，選取適當的數據轉換系 數，使輸出滿足量程要求。 【設計總結】 1. 設計中出現的問題和相應的解決方案。 2. 個人體會。 【參考文獻】參考文獻 參考文獻】 1 劉敏, 張強, 郝樹虹，王艷芬. 稱重傳感器的選用原那么A. 電子科學, 2021, 01: 39. 2 謝惠玲. 應變式稱重傳感器技術動向和開展趨勢J. 科技創新導報, 2021, 14: 114-116. 3 田