1、河南科技學院新科學院2014屆本科畢業論文（設計）流水線自動稱重和計數學生姓名： 張 三所在院系：新科學院電氣工程系所學專業：電氣工程及其自動化導師姓名： * * *完成時間：2014年5月10日 流水線的自動稱重和計數 摘 要本稱重系統采用單片機AT89C51為控制核心，實現稱重儀的基本控制功能。系統的硬件部分包括數據采集和數據處理兩大部分，其中數據采集部分由稱重儀模擬器、信號的前級處理（采用儀表放大器INA121）和 雙積分A/D 轉換部分組成。由于稱重儀設計中電路的精度及抗工頻干擾能力要求較高，故選用精度較高的儀表放大器INA121和抗工頻干擾能力較強的雙積分A/D轉換器MC14433。

2、計數系統指導思想是利用紅外發光管發射紅外線，紅外接收管接收此紅外線，并將其放大、整流形成低電平信號.當有人或物擋住紅外光時，接收管沒有接收到紅外信號，放大器將輸出高電平，同時將這個電平信號送入單片機進行控制計數，并且使數碼管顯示數值。本系統通過應用傳感器，各種芯片及單片機使得該系統的實際操作性更強，便于應用于工業上。關鍵詞：雙積分A/D轉換，儀表放大，AT89C51單片機，自動計數，數碼管 Pipeline automatic weighing and counting AbstractThis system is based on single chip AT89C51, it can ma

3、ke electronic scales basic control function come true. Systems hardware includes smallest system board and the acquisition of data. The smallest system part mainly realizes the demonstration of the diodes and the control of keyboard ,the part of datas acquisition is consists of the simulator of weig

4、hing meter , signal level processing (amplifier INA121) and the fraction of the double integral A/D conversion . Because of the high request in precision of the electric circuit of the weighing meter design and the ability of anti-power frequency disturbance, the selection of the high precision appl

5、iance such as the amplifier INA121 and double integral A/D switch MC14433.The guiding ideology is using infrared luminescence tubes launch infrared, infrared receiving tube receiving this infrared, and put the amplification, rectifier form low level signals. When someone or something blocking infrar

6、ed, receiving tube without receiving infrared signal, amplifier output high level, at the same time will the level signal into SCM control counted, and making digital tube display Numbers. So get to statistics, the number of people or things.Key words：double integral A/D transformation, measuring ap

7、pliance enlargement，Scm, Automatic counting , Digital tube目 錄緒論11 課題的研究意義和目的11.1 自動稱重和計數的現狀及前景11.2 課題研究內容22 基于單片機構成的產品自動計數器的設計22.1 方案論證22.2 系統總體框圖和原理32.3 系統單元電路設計32.3.1 電源供電電路32.3.2 橋式整流電路42.3.3 濾波電路分析52.3.4 穩壓電路62.3.5 紅外線檢測部分62.3.6 數碼管顯示部分62.4 LED 數碼管的特點72.5 數碼管動態掃描82.6 數碼管驅動部分82.7 單片機計數及控制部分92.8 復

8、位電路122.8.1上電復位122.8.2看門狗復位133 自動稱重系統的設計143.1 硬件的選擇143.1.1 轉換電路芯片選擇143.1.2 主控芯片選擇163.1.3 儀表放大器選擇173.1.4 電源選擇183.1.5 顯示模塊選擇193.2 電路總體原理框圖設計193.3 主芯片引腳應用203.4 控制模塊與轉換模塊的連接233.5 前級放大模塊INA121243.5 自動稱重模塊253.6 顯示模塊與控制模塊的連接253.7 系統測試273.7.1 硬件抗干擾的設計273.7.2 電源的干擾以及抑制措施273.7.3 空間干擾的防御措施273.8 軟件系統的設計274 結束語33

9、參考文獻35附錄39附錄 自動稱重器設計39附錄 自動計數器設計42I緒論在當今社會飛速發展的今天，廠家基本采用流水線技術進行產品生產作業，而怎樣對其線上的產品進行實時的、有效的、精確的自動計數和稱重成為廣大生產廠家十分關注的問題。傳統的機械式或電子式計數器（主要是用數字電路集成組件組成）電路比較復雜，元器件數量較多，故障率較高，維修比較困難，而設置預定數值不太方便，功能不易更改且功能過于單一，適用范圍較窄。電子技術和微型計算機的迅速發展，促進了微型計算機測量和控制技術的迅速發展和廣泛應用，從國防技術、航空航天等到日常生活中的電梯、微波爐等都采用到了微機測控技術。快速、淮確、操作方便、消除人為

10、誤差、功能多樣化等方面己成為現代稱重和計數技術的主要特點。稱重裝置不僅是提供重量數據的單體儀表，而且作為工業控制系統和商業管理系統的一個組成部分，推進了工業生產的自動化和管理的現代化，它起到了縮短作業時間、改善操作條件、降低能源和材料的消耗、提高產品質量以及加強企業管理、改善經營等多方面的作用。稱重裝置應用己遍及到國民經濟各領域，取得了顯著的經濟效益。而基于單片機為核心控制的計數器有著能夠實時、精確、可靠、穩定等計數優點已成為廣大廠家的首先自動計數裝置。但是，我國在這方面的產品少且功能不齊全，所以改善現有稱重和計數裝置、開發研究功能齊全的自動稱重和計數系統是勢在必行的。1課題的研究意義和目的隨

11、著工業自動化和管理現代化的進展，自動在線稱重和計數、快速在線稱重和計數有了很大發展。進一步采用新技術，開發各種自動稱重計數系統，提高動態稱重計數的準確度，加強網絡功能是當今各國發展的重點。本課題正是從這一方面出發進行設計的，使得本課題設計的自動稱重計數系統既能獲取信息，又能實現對稱重計數信息的管理，而且其穩定性好，稱量速度快、精度高，可連續自動稱重和計數，顯示結果，實現了數據的存儲，并且該自動稱重計數系統還實現了可視化，從而杜絕不真實計量現象，維護企業和客戶的利益。另外，其界面直觀，便于使用。而且本設計電路簡單，成本低，抗工頻干擾強，具有很好的推廣價值。1.2自動稱重和計數的現狀及前景如今的產

12、品自動計數器大多采用非接觸方式，早已開發出了多種型號的專用檢測芯片。而利用AT89C51為控制單元、輔以多種外圍硬件搭配而成的計數裝置已成為現在自動計數應用領域的潮流。而如何提高自動計數器的實時性、抗干擾能力、穩定性是現在國內外自動計數生產研究的主要課題，產品自動計數主要用于工廠的流水線眩，往往是處于高溫，高噪聲等極度惡劣的環境中，而AT89C系列單片機構成的產品自動計數器在這種環境中工作時往往會出現誤操作（單片機程序跑飛）或死機（程序進入死循環），這也是基于單片機構成的產品自動計數器存在的致命。隨著工業自動化和管理現代化的進展，自動在線稱重、快速在線稱重和稱重系統有了很大發展。進一步采用新技

13、術，開發各種自動稱重系統，提高動態稱重的準確度，加強網絡功能是當今各國發展的重點。本課題正是從這一方面出發進行設計的，使得本課題設計的自動稱重系統既能獲取稱重信息，又能實現對稱重信息的管理，而且其穩定性好，稱量速度快、精度高，可連續自動稱重，顯示稱量結果，實現了稱重數據的存儲，并且該自動稱重系統還實現了可視化，從而杜絕不真實計量現象，維護企業和客戶的利益。另外，其界面直觀，便于使用。而且本設計電路簡單，成本低，抗工頻干擾強，具有很好的推廣價值。1.3 課題研究內容基于單片機構成的產品自動稱重和計數研究的主要內容包括：如何構成檢測電路、AT89C51單片機用何種方式對外部計數脈沖進行計數進行計數

14、顯示控制、對模擬器輸出的微弱信號(012mV)進行前級放大處理，再以較小的失真、誤差來進行A/D轉換，并要求具備較強的抗工頻干擾能力。最后利用單片機AT89C51對數字信號進行處理，控制數碼管顯示等。LED顯示驅動模塊的選擇、AT89C51單片機的擴展。在這個設計中主要需要解決的問題是如何提高AT89C51單片機的抗干擾能力以及穩定性。2 基于單片機構成的產品自動計數器的設計2.1 方案論證顯示驅動74LS245電壓比較器紅外線接收管單片機AT89C51紅外線發射管電源供電電路LED顯示器圖 2-1 流程圖原理闡述：利用紅外接收發射管的特性原理分壓可取基準電壓，然后通過電壓比較器可輸出高低電平

15、，當有紅外光照射的時候，紅外接收管串聯的電阻分得的電壓很大，可使電壓比較器LM324輸出為低電平；當無紅外光照射的時候，紅外接收頭串聯電阻分得的電壓很小，可使電壓比較器LM324輸出為高電平，然后通過單片機處理，可使輸出精準的計數值。 這次畢業設計用的方案，之所以選用主要是這個方案涉及的知識面廣且能達到精確、穩定的自動計數，但也有一個致使的缺點，整個系統的抗干擾力較弱，系統掉電后不能保存數據，在系統牌異常狀態時容易出現誤操作或死機，這也是此設計看重的問題。2.2 系統總體框圖和原理系統總體框圖如圖2-2顯示驅動74LS245電壓比較器紅外線接收管單片機AT89C51紅外線發射管電源供電電路LE

16、D顯示器圖2-2 系統總體框圖原理：電路的指導思想是紅外發射管發射紅外線，紅外接收管接收紅外線，并且接收管當有紅外線照射的時候，電阻比較小，當無線外線照射的時候電阻比較大，這樣就可以通過一個電壓比較器和一個基準電壓進行對比，當有光照的時候，紅外接收管電阻比較小，那么和其串聯的電壓分壓就會增大，所以電壓比較器將會輸出一高電平；當無光照射的時候，紅外接收管的電阻比較大，這樣電壓比較器就會輸出一個低電平。這個便是外部計數電平信號，這個電平信號送入AT89C51單片機進行計數控制，在經過擴展、顯示驅動完成最后的顯示過程。 2.3 系統單元電路設計2.3.1 電源供電電路圖2-3 電源供電電路如圖2-3

17、所示電源供電部分采用變壓器降壓、橋式整流、電容器濾波、三端穩壓器7805穩壓后供電，電源用220V的家庭用電經變壓器降至9V交流電，然后經四個整流二極管（D1D4）組成的橋式整流成直流電壓，經C1濾波后輸入7805芯片穩壓成5V直流電源供紅外發射、接收電路、AT89C51等供電。2.3.2橋式整流電路橋式整流器是利用二極管的單向導通性進行整流的最常用電路，常用來將交流轉變成為直流電。原理：橋式整流是對二極管半波整流的一種改進。半波整流利用二極管單向導通特性，在輸入標準正弦波的情況下，輸了獲得正弦波正半部分，負半部分則損失掉。橋式整流器利用四個二極管，兩兩對接，輸入正弦波的正半部分是兩只管導通，

18、得到正的輸出，輸入正弦波的負半部分時，另兩只管導通，由于這兩只管是反接的，所以輸出還是得到正弦波的正半部分。橋式整流器對輸入正弦波的利用率比半波整流高一倍。橋式整流是交流轉換成直流電的第一步。橋式整流也叫整流橋堆。橋式整流器是多只整流二極管作橋式連接，外用絕緣塑料封裝而成，大功率整流器在絕緣層外添加金屬殼包封，增強散熱。橋式整流器品種多，性能優良，整效率高，穩定性好，最大整流電流從0.5A到50A，最高反射峰值電壓從50V到1000V。半波整流利用二極管單向導通特性，在輸入標準正弦波的情況下，輸了獲得正弦波正半部分，負半部分則損失掉。2.3.3濾波電路分析圖2-4 濾波電路整流電路是將交流電變

19、成直流電的一種電路，但其輸出的直流電的脈動成分較大，而一般電子設備所需直流電源的脈動系數（電壓或電流的幅值與平均值之比，稱為脈動系數S）要求小于0.01，故整流輸出的電壓必須采取一定的措施，盡量降低輸出電壓中的脈動成分，同時要盡量保存輸出電壓中的直流成分，使輸出電壓接近于較理想的直流電，這樣的電路就是直流電源中的濾波電路。常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。無源濾波的主要形式有電容濾、電感濾波和復式濾波（包括倒L型、LC濾波、LCrr型濾波，也被稱為電子濾波器。直流電中的脈動成分的大小用脈動系數來表示，此值越大，則濾波器的濾波效果越差。脈動系數（S）=輸出電壓交流分量的最大值/輸出電壓的

20、直流分量在交流電的角頻率一定的情況下R越大，C2越大，則脈動系數越小，也就是濾波效果就越好。而R值增大時，電阻上的直流壓降會增大，這樣就增大了直流電源的內部損耗； 若增大C2的電容量，又會電容器的體積和重量，實現現起來也不現實。為了解決這個問題，我們在穩壓前后各有濾波吸收電路，利用電容器的充放電，補償交流分量的電壓波動。2.3.4穩壓電路圖2-5 三端穩壓芯片2.3.5 紅外線檢測部分 圖2-6 紅外線檢測部分如圖2-6所示，紅外線檢測部分采用一對紅外發送接收管完成，當電路正常工作時，無障礙物遮擋，紅外接收頭有紅外線照射，這時，紅外接收頭的電阻很小，大部分電壓都加在R3上，這正是電壓比較器LM

21、324的正向輸入電壓，而負向輸入電壓由R4和R5分壓得到U，而R3分得的電壓要大于此基準電壓值，故這時電壓比較器LM324輸出高電平；當在紅外發射接收管間有一不透光的障礙物時，紅外接收頭無紅外線照射，這時紅外接收頭的電阻很大，大部分電壓都加在紅外接收頭上，這也是電壓比較器LM324的正向輸入電壓，而負向輸入電壓也是由R4和R5分壓得到，和原來電壓一樣，這時，R3分得的電壓要小于此基準電壓值，故這時電壓比較器LM324輸出低電平。2.3.6 數碼管顯示部分圖2-7 數碼管顯示部分顯示部分是通過74LS245作為數碼管的驅動級和兩個PNP三極管來完成位選操作。然后再通過軟件譯碼來完成，為了考慮到數

22、碼管在動態掃描時，每點亮一個數碼管的時間很短暫，這樣就會影響到數碼管的亮度，故在此用74LS245作為數碼管的一個段選驅動級。而該設計中段碼輸出口是利用P0口作為輸出口，而P0口是漏極開路，雖然有很強的灌電流能力，但拉電流能力很差，故在P0口上加一10的排阻作為上接電阻。上拉電阻的作用是，當單片機的P0口上輸入為0時，上拉電阻上的電流直接流入單片機中，使數碼管的段碼上傷保持低電平，故在這時數碼管不發光；而當單片機的P0口輸出為0時，這時上拉電阻的有能使電流灌入單片機中，故排阻上的電流流入數碼管中，因此這時數碼管發光（這里用的是共陰數碼管）。 圖2-8 共陰數碼管原理圖圖2-9 共陽數碼管原理圖

23、數碼管實際上就是八個發光二極管，它們以兩種方式連接，如果將其陰極連接在一起，這種方式構成的數碼管成為共陰數碼管；如果將其陽極連接在一起，這種方式構成的數碼管為共陽數碼管。2.4. LED 數碼管的特點1. 能在低電壓、小電流條件下驅動發光，能與CMOS、TTL電路兼容。2. 發光響應時間極短（0.1s），高頻特性好，單色性好，亮度高。3. 體積小，重量輕，抗沖擊性能好。4. 壽命長，使用天10萬小時以上，甚至可達100萬小時，且成本低。 顯示部分采用軟件譯碼方式，所謂軟件譯碼就是把各字符的段選碼組織到一個表中，要顯示某字符先查表得到其段選碼，然后送往顯示器的段碼線。單片機應用系統中多采用軟件譯

24、碼的動態顯示。2.5 數碼管動態掃描由于多位LED數碼管所有段選線皆由一個8位I/O口控制，因此，在每一瞬間，我位LED會顯示相同的字符，要想每位顯示不同的字符，就必須采用掃描方法輪流點亮各位LED，即在每一瞬間只使某一位顯示字符。在此瞬間，段選控制I/O輸出相應字符段選碼（字型碼），而位選則控制I/O口在該顯示位送入選通電平（因為LED為共陰時，則送入低電平，LED為共陽時，則送入高電平），以保證該位顯示相應字符，輪流，使每位分時顯示該位應顯示的字符。段選碼、位選碼每送入一次后延時1ms，因人眼的視覺暫留時間為0.1s：（100ms），所以每位顯示的間隔不必超過20ms，并保持延時一段時間，

25、以造成視覺暫留效果，給人看上去每個數碼管總在亮。2.6 數碼管驅動部分圖2-10 74LS245引腳圖引腳功能：A：A總線端B: B總線端：三態允許端（低電平有效）DIR：方向控制端 表2.1功能表DIR操作LLB端流向A端LHA端流向B端HX高阻利用74LS245可將單片機輸出的4個TTL門電流提高到每人口為8個TTL門，中樣提高了數碼管的段選輸入電流，從而提高數碼的亮度。2.7 單片機計數及控制部分圖2-11 單片機計數部分計數部分如圖2-11所示。由單片機AT89C51控制完成。基本原理為當紅外檢測部分檢測到有物體經過時，紅外接收電路的串聯電阻會分壓減小，從而使電壓比較器的正向輸入端小于

26、負向輸入端的電壓，從而使電壓比較器輸出一個低電平信號，這個信號將供給單片機進行計數控制。計數部分有三種方案：外部中斷、T0或T1計數器脈沖統計、查詢法。T0或T1計數器主要作用是在一定時間內計數脈沖的個數，我們在這里并非研究對象為在一定時間內通過物品的數量，而是實時地在顯示器上顯示數當前的計數值，故我們這里不能采用T0或T1計數器的方式；查詢法是CPU在一定時間內或是時刻地在查詢是否有計數脈沖產生。我們知道，CPU每查詢一個脈沖大約用到的時間是一個機器周期，也就是12個振蕩周期，即1s的時間，相對于單片機的運行速度而言，外部流水線的傳輸速度實在太慢，如果執意要用查詢法進行統計物體的傳輸速度，這

27、樣對于單片機的時間資源太浪費，我們在設計單片機產品中，時間資源和空間資料特別珍貴，不能輕易浪費，故查詢方案舍棄。外部中斷法是利用P3.2口的第二功能，INT0中斷，這時，當有一低電平產生時，單片機將自動進入中斷服務程序，進行處理外部中斷問題，但在這時，由于外界干擾或者物體的特性，可能會進行反復地中斷觸發，這樣可能會造成誤計，重計等錯誤后果，在這里我們處理的辦法是我們不再利用電平觸發，而采用負邊沿觸發方式，這樣只有產生一個完整的脈沖，才會有負邊沿產生，這樣就可以在很大程序上解決了誤差的問題。綜上所述，在本設計在最合理的是采用外部中斷方式計數。單片機控制部分：單片機控制數碼管顯示有責任中方案，和種

28、是查詢法，另一種是中斷法，這里的中斷不再是外部中斷，而是利用單片機內部的定時器產生定時中斷，從而控制數碼管的顯示。查詢法類似于上面所說的脈沖的查詢方法，主程序在不停地查詢并顯示數碼管的點亮，并且在每位數碼管之間還要插入延時程序，而這些延時程序一般都是利用空操作的方法進行延時，這樣浪費了大量的時間和空間資料。在工程設計和產品制作中，一般不采用此方案。中斷法是利用單片機內部產生的溢出進行計數和定時，這樣可以準確在某時刻或是是規定的時刻做相應的工作。在本設計中，是用數碼管每1ms輪循地掃描，點亮數碼管。但是，在以上的顯示和計數的相應程序段中，可能會遇到兩者同時進入中斷問題，如果遇到這樣的問題，可能會

29、導致單片機死機或者程序跑飛的情況，我們為了避免這樣的情況產生，我們在這里必須設定優先級，在工業生產中，要計算出正確的數值才是最重要的，所以，我們這里就要設為檢測外部脈沖優先級。AT89C51有以下標準功能：4K字節FLASH閃爍存儲器、128字節內部RAM、32個I/O口線、兩個16位定時/計數器、一個5向量兩級中斷、一個全雙工串行通信口、片內振蕩電路、同時AT89C51可降至0HZ的靜態邏輯操作，并支持兩個軟件的節電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但是允許RAM、定時/計數器、串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電后保存ROM的內容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個硬件復位。

30、圖2-12 AT89C51單片機外型圖2-13 AT89C51P3口功能AT89C51共有四十個引腳，采用雙列直插式封閉，各引腳功能如下：P0P3：數據輸入輸出端口。P0口：一個漏極開路的8位準雙向I/O端口，作為漏極開路的輸出端口，每位能驅動8個LS型TTL負載。當P0口作為輸入口使用時，應先向口鎖存器（地址80H）定入全1，此時P0口的全部引腳浮空，可作為高阻抗輸入。作輸入口作用時要先寫我，這就是準雙向的含義。P1口：一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O端口，P1的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫1時，能過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P1

31、作輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（）。P2口：一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫1時，通過內部的上接電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P2作輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被部信號拉低的引腳會輸出一個電流（）。P3口:一個還內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對商品寫1時，通過內部的上拉電阻把商品拉到高電位，這時可用作輸入口。P3作輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流

32、：（）。在AT89C51中，P3口還用于一些復用的功能，即第二功能，其復用功能如圖2-11所示。此外，RST引腳是復位信號的輸入端，復位信號是高電平有效，其有效時間應持續24個振蕩周期（即二個機器周期）以上，若使用頻率為6MHZ晶振，則復位信號持續時間應超過4s，才能完成復位操作。2.8 復位電路整個復位電路包括芯片內、外兩部分。外部電路產生的復位信號送至施密特觸發器，再由片內復位電路在每個機器周期的S5P2時施密特觸發器的輸出進行采樣，然后才得到內部復位操作所需要的信號。圖2-14 復位電路邏輯圖2.8.1上電復位： 在加電瞬間電容通過充電來實現的，其電路如圖2-15所示。在通電瞬間，電容C

33、通過電阻R充電，RST端出現正脈沖，用以復位。圖2-15 上電復位電路手動復位：手動復位：所謂手動復位就是通過一按鍵開關，使單片機進入復位狀態。系統在上電運行后，需要復位，通過手動得利 位來實現，一般是阻容復位和手動復位相結合。圖2-16 手動復位電路2.8.2看門狗復位看門狗（以max813為例）是一種監控單片機是否出問題和上電復位的一咱專用芯片，它在單片機上電的時候可以給出上電復位信號，當系統進行正常工作的時候，要在1.6秒之內要給出一個脈沖信號，否則看門狗就會發出一個復位信號至單片機的復位角，使單片機復位，這種操作一般在程序中處理。圖2-17 看門狗復位電路MAX813特點：MAX813

34、是具有監控電路的微處理芯片，它具有4個功能：1. 具有獨立的看門狗計時器，如果看門狗輸入在1.6s內無變化，就會產生看門狗輸出；2.掉電或電源電壓低于1.25V時，產生掉電輸出；3.上電時自動產生200ms寬的復位脈沖；4.具有人工復位功能，當人工復位端輸入低電平時，產生復位信號輸出。MAX813的各引腳功能：MR（1腳）：手動復位端。當該端輸入低電平保持140ms以上，MAX813就能產生復位信號，該復位信號脈寬為200ms。Vcc（2腳）：工作電源接+5V。GND（3腳）：電源接地端。PFI（4腳）：電源故障輸入端。當該端輸入電壓低于1.25V時，MAX813使電源故障輸出端產生的信號由高

35、電平變為低電平。PFO（5腳）：電源故障輸出端。電源正常時，保持高電平，電源電壓變低或掉電時，輸出由高電平變為低電平。WDI（6腳）：看門狗信號輸入端（喂狗信號）。程序正常運行時，必須每隔1.6s之內向該端送一次信號，若超過1.6s，MAX813接收不到喂狗信號，則產生看門狗輸出（見8腳）。WDO(8腳)：看門狗信號輸出端。正常工作時輸出保持高電平，看門狗輸出時，該端輸出信號由高電平變為低電平。看門狗復位的原理當干擾信號進入系統時，常導致程序的跑飛，而程序跑飛的根本原因是由于程序計數器PC錯位引起的，在程序存儲器中，指令碼與存放指令的地址是一一對應的，有的指令碼是單字節，有的二字節，單片機最多

36、三字節，PC的內容正是要執行的指令碼的地址，若修改了PC內容，打破單片機正常的取指操作，導致了程序的非正常運行，甚至出現至命故障（便修改重要的數據等），因此為克服這一問題，可用看門狗監視程序運行，若程序跑飛，則看門狗產生復位信號，使單片機重新返回程序正常運行。3自動稱重系統的設計3.1 硬件的選擇3.1.1轉換電路芯片選擇采用8位A/D轉換器ADC0809。ADC0809是逐次逼近式A/D轉換器，雙列直插式，最快的轉換速度為100us，其引腳圖如圖2-1所示：圖3-1 ADC0809引腳圖它由8路模擬開關，8位A/D轉換器，三態輸出鎖存器以及地址鎖存器譯碼器等組成。但由于其抗工頻干擾能力較弱，

37、因此綜合考慮下來，我們決定采用雙積分A/D轉換器。雙積分型A/D轉換器具有很強的抗工頻干擾能力。對正負對稱的工頻干擾信號積分為零，所以對50HZ的工頻干擾抑制能力較強，對高于工頻干擾（例如噪聲電壓）已有良好的濾波作用5。只要干擾電壓的平均值為零，對輸出就不產生影響。尤其對本系統，緩慢變化的壓力信號，很容易受到工頻信號的影響。故而采用雙積分型A/D轉換器可大大降低對濾波電路的要求。作為稱重儀，系統對 AD的轉換速度要求并不高，精度上11位的AD足以滿足要求。另外雙積分型A/D轉換器較強的抗干擾能力，和精確的差分輸入，低廉的價格。綜合的分析其優點和缺點，我最終選擇了MC14433。MC14433是

38、美國Motorola公司推出的單片3 1/2位A/D轉換器，其中集成了雙積分式A/D轉換器所有的CMOS模擬電路和數字電路。具有外接元件少，輸入阻抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉換功能，只要外接少量的阻容件即可構成一個完整的A/D轉換器，其主要功能特性如下：1.精度：讀數的0.05%1字；2.模擬電壓輸入量程：1.999V和199.9mV兩檔；3.轉換速率：225次/s；4.輸入阻抗：大于1000M ；5.電源電壓：4.8V8V；6.功耗：8mW（5V電源電壓時，典型值）；7.采用字位動態掃描BCD碼輸出方式，即千、百、十、個位BCD碼分時在Q0Q3輪流

39、輸出，同時在DS1DS4端輸出同步字位選通脈沖，很方便實現LED的動態顯示。MC1443內部結構如圖3-2所示： 圖3-2 MC1443內部結構圖3.1.2 主控芯片選擇本設計開始時，我原本想采用CPLD（復雜可編程邏輯電路）或FPGA（現場可編程門列陣）作為系統的控制器。因為CPLD具有豐富的可編程I/O引腳，使用方便靈活，不但可實現常規的邏輯器件功能，還可實現復雜的時序邏輯功能，適合完成各種算法和組合邏輯。但是功耗要比較大 ,且集成度越高越明顯。FPGA可作為實現各種復雜的邏輯功能，特別用于大電流、大電壓場合的控制，規模大，密度高，它將所有的器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩定性，

40、并且可用EDA軟件仿真、調試，易于進行功能擴展。FPGA采用并行的輸入輸出方式，提高了系統的處理速度，適合作為大規模實時系統的控制核心。但考慮到由于設計的是擺錘運動控制，FPGA的高速處理功能不能得到充分的體現，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時芯片的引腳多使實物硬件電路板布線復雜，加重了電路設計的實際焊接的工作，降低了PCB板的靈活性。因此我們決定改變思路，采用普通單片機控制，第一個想到的便是8位的51單片機AT89C51。AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM）

41、，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，內置功能強大的微型計算機的AT89C51提供了高性價比的解決方案。 單片機AT89C51是一個低功耗高性能單片機，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發成本。如圖為AT89C51引腳圖：圖3-3 AT89C51引腳圖3.1.3儀

42、表放大器選擇 由于壓力傳感器輸出的電壓信號為毫伏級，所以對運算放大器精度的要求很高。因此我們原本想采用高精度低漂移運算放大器構成差動放大器。因為差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點，可以利用普通運放(如OP07)做成一個差動放大器，如圖3-4所示：圖3-4 OP07構成的差動放大器電阻R1、R2 電容C1 、C2 、C3 、C4 用于濾除前級的噪聲，C1 、C2 為普通小電容，可以濾除高頻干擾，C3、C4 為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。但考慮到其電路復雜，需要的元器件多，成本較高。因此綜合討論下來我們還是選用儀表放大器INA121芯片。其內部結構圖如圖3-5所示：圖3-5 INA12

43、1內部結構圖INA121是Texes Instruments BB公司生產的FET輸入、低功耗儀器放大電路，性能優越。前置放大電路的放大倍數設置為50。較小的前置放大倍數可以避免極化電壓的影響。電壓放大電路的放大倍數設置的較高（取為100200倍），則可以保證總的放大倍數。同時采用儀表放大器INA121構成的電路還有結構簡單，元器件少，成本較低等優勢。3.1.4 電源選擇放大模塊與A/D轉換模塊需要正負電源，且要求電源具有穩定性。故剛開始首先考慮采用MC7812(正壓)MC7912MC（負壓）構成的的12V穩壓電源。但其不可調，不能滿足所需要的正負5V電源的要求，所以我采用自制電源，可調式三端

44、集成穩壓器是輸出電壓可以連續調節的穩壓器，有輸出正電壓的CW317系列（LM317）三端穩壓器；有輸出負電壓的CW337系列（LM337）三端穩壓器。其中CW317系列穩壓器輸出連續可調的正電壓，CW337系列穩壓器輸出連續可調的負電壓。穩壓器內部含有過流、過熱保護電路。自制電源輸出電壓的可調范圍為Uo=-1212V，滿足要求。如圖3-6所示為CW317應用電路圖：圖3-6 穩壓器CW317應用電路圖3.1.5 顯示模塊選擇顯示模塊主要用于重量的顯示，原本采用字符型液晶模塊 JM1602C，JM1602C能顯示基本的ASC碼字符，采用CMOS工藝低功耗，內置KS0066驅動器，數據可直接傳送，

45、用并行輸入輸出形式，數據傳送快，低延遲顯示體現多樣性，但是JM1602C的引腳電平為+5V，RAM的引腳電平為+3.3V，這樣就要解決電壓不匹配問題，靈活性降低10。因此經過反復比較決定選用七段LED數碼管顯示，LED能顯示數字和一些基本的字母，簡單易用，把它和74LS164（串入并出移位寄存器）相使用，大大減少了控制器的I/O口。3.2電路總體原理框圖設計本系統單片機選用ATMEL公司的閃速存儲器(flash ROM)型單片機芯片AT89C51。AT89C51是ATMEL公司的新一代8位的一片機產品，帶有4KROM、128BRAM，最大工作頻率24MHZ；同時，具有32條輸入輸出線，16位定

46、時/計數器，5個中斷源，一個串行口；它具有集成度高、系統結構簡單，體積小可靠性高，處理功能強，速度快等特點。稱重控制的總體結構如圖3-7所示。輸入信號送入前級放大器放大，再經過A/D轉換器轉換成BCD碼，然后把BCD碼送入單片機AT89C51中進行處理，最后把數據送出數碼管顯示。AT89C51A/D轉換鍵盤處理數碼管顯示前級放大輸入信號圖3-7系統總體原理框圖3.3 主芯片引腳應用1電源引腳2外接晶體引腳XTAL1。XTAL1是片內振蕩器的反相放大器輸入端，XTAL2則是輸出端，使用外部振蕩器時，外部振蕩信號應直接加到XTAL1，而XTAL2懸空。內部方式時，時鐘發生器對振蕩脈沖二分頻，如晶振

47、為12MHz，時鐘頻率就為6MHz。晶振的頻率可以在1MHz-24MHz內選擇。電容取30PF左右，具體實現如圖3-8所示：圖3-8 晶振電路圖3復位RST。在振蕩器運行時，有兩個機器周期（24個振蕩周期）以上的高電平出現在此引腿時，將使單片機復位，只要這個腳保持高電平，51芯片便循環復位。復位后P0P3口均置1引腳表現為高電平，程序計數器和特殊功能寄存器SFR全部清零。當復位腳由高電平變為低電平時，芯片為ROM的00H處開始運行程序，如圖3-9所示：圖3-9 復位RST電路圖4輸入輸出引腳 (1) P0端口P0.0-P0.7 P0是一個8位漏極開路型雙向I/O端口，端口置1（對端口寫1）時作

48、高阻抗輸入端。作為輸出口時能驅動8個TTL。對內部Flash程序存儲器編程時，接收指令字節;校驗程序時輸出指令字節，要求外接上拉電阻。在訪問外部程序和外部數據存儲器時，P0口是分時轉換的地址(低8位)/數據總線，訪問期間內部的上拉電阻起作用。(2) P1端口P1.0P1.7 P1是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/0端口。輸出時可驅動4個TTL。端口置1時，內部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用，對內部Flash程序存儲器編程時，接收低8位地址信息。(3) P2端口P2.0P2.7 P2是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/0端口。輸出時可驅動4個TTL。端口置1時，內部上拉電阻將端口拉到高電平

49、，作輸入用。對內部Flash程序存儲器編程時，接收高8位地址和控制信息。在訪問外部程序和16位外部數據存儲器時，P2口送出高8位地址。而在訪問8位地址的外部數據存儲器時其引腳上的內容在此期間不會改變。(4) P3端口P3.0P3.7 P2是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/0端口。輸出時可驅動4個TTL。端口置1時，內部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。P13端口在做輸入使用時，因內部有上接電阻，被外部拉低的引腳會輸出一定的電流。對內部Flash程序存儲器編程時，接控制信息。除此之外P3端口還用于一些專門功能，具體如表3-2所示：表3-2 P3端口的功能P3引腳兼用功能P3.0串行通訊輸入（

50、RXD）P3.1串行通訊輸出（TXD）P3.2外部中斷0（ INT0）P3.3外部中斷1（INT1）P3.4定時器0輸入(T0)P3.5定時器1輸入(T1)P3.6外部數據存儲器寫選通WRP3.7外部數據存儲器寫選通RD5其它的控制或復用引腳(1) ALE/PROG 30 訪問外部存儲器時，ALE（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存地址的低位字節。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以不變的頻率輸出脈沖信號(此頻率是振蕩器頻率的1/6)；在訪問外部數據存儲器時，出現一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程時，這個引腳用于輸入編程脈沖PROG。(2) PSEN 29 該引是外部程序存儲器的選通信號輸出端。當

51、AT89C51由外部程序存儲器取指令或常數時，每個機器周期輸出2個脈沖即兩次有效。但訪問外部數據存儲器時，將不會有脈沖輸出。(3) EA/Vpp 31 外部訪問允許端。當該引腳訪問外部程序存儲器時，應輸入低電平。要使AT89C51只訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH）,這時該引腳必須保持低電平，而要使用片內的程序存儲器時該引腳必須保持高電平。對Flash存儲器編程時，該引腳用于施加Vpp編程電壓。Vpp電壓有兩種，類似芯片最大頻率值要根據附加的編號或芯片內的特征字決定。如圖3-10所示為單片機最小系統圖：圖3-10 單片機最小系統圖3.4 控制模塊與轉換模塊的連接MC14433模

52、擬電路部分有基準電壓，模擬電壓輸入。模擬輸入電壓量程為199.9MV或1.9999V兩種，對應的基準電壓為+200MV和+2V。數字電路部分由邏輯控制BDC碼，輸出鎖存器，多路開關，時鐘，極性判別，溢出檢測等電路組成。才用字位動態掃描BCD碼輸出方式，即千，百，十，個位BCD碼輪流在Q0Q3端輸出。同時，在DS1DS4出現同步字位選通信號。由于MC14433的A/D轉換結果是動態分時輸出的BCD碼，所以，Q0Q3和DS1DS4可以通過8051單片機的并行口P1或通過擴展I/O電路與其相連。MC14433與8051單片機的P2口相連的電路如圖3-11所示：圖3-11 MC14433與單片機連接圖

53、該電路采用查詢方式管理MC14433的操作。由于引腳EOC與DU連接在一起，所以MC14433能自動轉換。3.5 前級放大模塊INA121儀表放大器INA121構成的放大器及濾波電路如圖3-12所示：圖3-12 INA121構成的放大器這里通過調節 R3的阻值來改變放大倍數。微弱信號V-和V+被分別放大后從INA121的第6腳輸出。雙積分A/D轉換器MC14433的輸入電壓變化范圍是-2V+2V，稱重儀模擬器的輸出電壓信號在012mv左右，因此放大器的放大倍數在100200左右，可將R3接成1K的滑動變阻器，從而改變其放大倍數。由于輸入信號為直流電壓，在INA121的輸入管腳之前需接入濾波電路

54、。3.5 自動稱重模塊根據系統的技術要求，壓力傳感器選擇CYY-1型微量固態壓力傳感器，它是由半導體應變片構成的橋式輸入動態壓力傳感器，測量范圍是01kg/cm2，橋路供電電壓為6V,橋路輸出電壓最大為20mV，CYY-1型壓力傳感器的電路圖如圖3-13所示：圖3-13 CYY-1型壓力傳感器圖中RP是電橋調零電位器，為連接調零電位器方便，橋路本身并未接成閉合橋路。3.6 顯示模塊與控制模塊的連接本系統的控制模塊與顯示模塊的連接相對較簡單，主要實現以下功能。1處理重量數據。2實現重量的顯示。3控制數碼管的顯示。具體分別如圖3-14和圖3-15所示：圖3-14 顯示模塊1與控制模塊的連接圖3-1

55、5 顯示模塊2與控制模塊的連接主要對構成整個硬件系統的各個元器件進行分析，并對一些元器件之間的相互連接進行設計，這樣的分析對整個硬件系統的建立大有裨益。3.7 系統測試3.7.1 硬件抗干擾的設計各種干擾是機電一體化系統和裝置出現瞬時故障的主要原因。干擾的抑制要從干擾源、傳播途徑、接收器三個方面入手。因此，在系統設計中，應盡可能避開干擾源，并針對不同的干擾源，對耦合通道采取有效的方法。干擾竄入系統的渠道有三種，即空間干擾，過程干擾，和供電系統的污染。一般常用的抗干擾措施有合理布置電源、屏蔽干擾源、隔離、濾波、接地等。3.7.2電源的干擾以及抑制措施任何電源及輸電線路都存在內阻，這些內阻就會引起電源的噪聲干擾。由于電源是整個系統運行的基礎，并且危害最嚴重的干擾源是電源的污染。電源性能的好壞在很大程度上將直接影響整個系統的可靠運行。由于工業控制計算機的電源都接自電網，故由于現場的用