【正文】 電子技術(shù)和微型計算機系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文目 錄第1章 緒論 1 引言 1 電子稱重技術(shù)的發(fā)展趨勢 1 稱重傳感器 2 稱重儀表 3 承載器 4 論文研究的目的及意義 4 本課題研究的主要內(nèi)容 4第2章 主要元器件選型……..........................................................................................................5 轉(zhuǎn)換電路芯片選擇 5 主控芯片選擇 6 儀表放大器選擇 7 電源選擇 9 顯示模塊選擇 10 本章小結(jié) 10第3章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計 11 電路總體原理框圖設(shè)計 11 主芯片引腳應(yīng)用 11 控制模塊與轉(zhuǎn)換模塊的連接 14 前級放大模塊INA121 15 自動稱重模塊 16 顯示模塊與控制模塊的連接 16 本章小結(jié)……………………………………………………………………………..18第4章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計……........................................................................................................19 主程序模塊 19 子程序模塊 19 中斷程序模塊圖 20 T0中斷程序 21 T1中斷子程序 .21 調(diào)零程序模塊圖……………………………………………………………………..21 顯示程序流程圖……………………………………………………………………..22 退出程序流程圖……………………………………………………………………..23 顯示總數(shù)程序流程圖………………………………………………………………..24 本章小結(jié)……………………………………………………………………………..24第5章 系統(tǒng)測試............................................................................................................................25 硬件抗干擾的設(shè)計 .25 電源的干擾以及抑制措施 25 空間干擾的防御措施 26 本章小結(jié)……………………………………………………………………………..26第6章 設(shè)計方案評價……………………………………………………………………………27 硬件部分設(shè)計評價 27 軟件部分設(shè)計評價 27 本章小結(jié)……………………………………………………………………………..27結(jié) 論 28致 謝 29參 考 文 獻 30附錄A 譯文 31 單片機的歷史……………………………………………………………………………….31附錄B 外文原文 40附錄C 設(shè)計總電路圖 53附錄D 程序 5556第1章 緒論 引言電子技術(shù)和微型計算機的迅速發(fā)展，促進了微型計算機測量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，從國防技術(shù)、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(shù)。工業(yè)生產(chǎn)中的自動稱重系統(tǒng)就是微機測控技術(shù)的應(yīng)用。自動稱重系統(tǒng)主要包括稱重裝置和數(shù)據(jù)的存儲兩大部分。物料計量是工業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易流通中的重要環(huán)節(jié)。稱重裝置或衡量器是不可缺少的計量工具。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和商品流通的擴大，衡量器的需求也日益增多，過去沿用的機械杠桿秤已不能適應(yīng)自動化和管理現(xiàn)代化的要求。自六十年代以后，由于傳感器技術(shù)和電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子稱重技術(shù)日趨成熟，并逐步取代機械秤。尤其是七十年代初期，微處理機的出現(xiàn)使電子稱重技術(shù)得到了進一步的發(fā)展?？焖佟⒒创_、操作方便、消除人為誤差、功能多樣化等方面己成為現(xiàn)代稱重技術(shù)的主要特點。稱重裝置不僅是提供重量數(shù)據(jù)的單體儀表，而且作為工業(yè)控制系統(tǒng)和商業(yè)管理系統(tǒng)的一個組成部分，推進了工業(yè)生產(chǎn)的自動化和管理的現(xiàn)代化，它起到了縮短作業(yè)時間、改善操作條件、降低能源和材料的消耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及加強企業(yè)管理、改善經(jīng)營等多方面的作用。稱重裝置應(yīng)用己遍及到國民經(jīng)濟各領(lǐng)域，取得了顯著的經(jīng)濟效益。但是，我國在這方面的產(chǎn)品少且功能不齊全，所以改善現(xiàn)有稱重裝置、開發(fā)研究功能齊全的自動稱重系統(tǒng)是勢在必行的。自七十年代以來，發(fā)達國家在電子稱重方面，無論從技術(shù)水平、品種和規(guī)模等方面都達到了較高水平。在技術(shù)水平方面的主要標(biāo)志是準(zhǔn)確度、長期穩(wěn)定性和可靠性。目前作為貿(mào)易結(jié)算用的靜態(tài)秤（如平臺秤、汽車衡、靜態(tài)軌道衡等）己能做到O、l、M、L規(guī)定的3000d（分度），最高可做到6000d。在穩(wěn)定性方面要求一年內(nèi)不允許超差。在可靠性方面稱重傳感器在正常使用條件下的壽命一般在十年以上，儀表的平均故障間隔時（MTBF）都超過2000小時，有些產(chǎn)品達到5000小時。在生產(chǎn)過程用電子秤方面，由于加強了應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，能夠適應(yīng)各種惡劣環(huán)境（高溫、振動、粉塵、電磁干擾、爆炸危險等）下使用；～％。在品種方面隨著生產(chǎn)發(fā)展的需要和新技木的應(yīng)用，出現(xiàn)了新品種，如非連續(xù)式自動累加秤、電腦組合包裝秤、高速自動包裝秤等、這些自動秤往往與生產(chǎn)過程緊密相連，成為生產(chǎn)線的一個組成部分，或者與生產(chǎn)機械組合成一臺機電一體化設(shè)備。電子稱重裝置主要由承載器、稱重傳感器和稱重儀表三部分組成，稱重方式也是電子稱重技術(shù)不可分割的內(nèi)容，下面分別敘述其進展和發(fā)展趨勢。稱重傳感器是電子稱重的核心部件，它把重力轉(zhuǎn)換成電壓信號。稱重傳感器從原理上分有很多種，包括電阻應(yīng)變式、壓磁式、電容式、振弦式、電感式、核輻射式等，但從準(zhǔn)確度、重復(fù)性、經(jīng)濟性、使用方便等方面綜合考慮，目前大量生產(chǎn)的仍然是電阻應(yīng)變式傳感器。它在稱重傳感器中所占的比例達90％以上。電阻應(yīng)變式傳感器近幾年在性能上又有了提高。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)向數(shù)字化發(fā)展，近幾年來數(shù)字式稱重傳感器也被開發(fā)和應(yīng)用。由干它直接輸出數(shù)字量，大大提高了傳輸中的抗干擾能力，并使得與計算機的通信極為方便[12]。由于取消了儀表中的模擬放大、A/D轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，使儀表大為簡化在計算機中顯示和控制的場合，可以不用稱重儀表。目前這種傳感器大致有兩類：電阻應(yīng)變式數(shù)字稱重傳感器和新型數(shù)字式稱重傳感器。稱重儀是電子衡器的一種，電子衡器是自動化稱重控制和貿(mào)易計量的重要手段，對加強企業(yè)管理、嚴(yán)格生產(chǎn)、貿(mào)易結(jié)算、交通運輸、港口計量和科學(xué)研究都起到了重要作用。電子衡器具有反應(yīng)速度快、測量范圍廣、應(yīng)用面廣、結(jié)構(gòu)簡單、使用操作方便、信號遠傳便于計算機控制等特點，被廣泛應(yīng)用于煤炭、石油、化工、電力、輕工、冶金、礦山、交通運輸、港口建筑機械制造和國防等各個領(lǐng)域。稱重儀表由于采用了低漂移高增益放大器、高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器、單片微型機、電可擦存儲器(EEPROM)和非易失性隨機存儲器(NOVRAM)，使其性能和功能都有了很大提高[1]。近幾年來稱重儀表又增加了兩項新技術(shù)：Σ－Δ(積分的增量)調(diào)制型模數(shù)轉(zhuǎn)換器和印刷電路板的表面安裝技術(shù)(SMT)。這些新技術(shù)的采用，進一步提高了儀表性能和可靠性，井為儀表小型化創(chuàng)造了有利條件。在性能上已能做到：％，A/D轉(zhuǎn)換速度一般為10～30次/秒，用于動態(tài)稱重可達 100次/秒以上。由于采用了比較方式測量，傳感器供橋電源和 A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電源共用一個電源，使電源波動的影響得到了補償。為了便于與計算機通信，現(xiàn)代稱重儀表都配有各種輸出接口供選用。如RS232C、RS485或RS422A、20mA電流環(huán)、模擬量(4～20mA)以及繼電器接點輸出。有些制造廠為了加強儀表與計算機的通信，采用直接與工業(yè)控制機總線相連的方式[5]。如西門子SIWARE稱重儀的輸出能直接與兩門子PLC控制器的總線相連。在工業(yè)現(xiàn)場和環(huán)境中干擾源是各種各樣的，如噪音干擾、工頻干擾等，抗工頻干擾能力成為衡量電子衡器性能的重要指標(biāo)。為了具備這一性能，市場上的電子衡器的電路普遍較復(fù)雜，相對地，成本也較高。而本產(chǎn)品電路簡單，成本低，抗工頻干擾強，具有很好的推廣價值。為了適應(yīng)各種應(yīng)用的需要，當(dāng)前稱重儀表發(fā)展的一個趨勢是：通過硬件或軟件的積木式組合來實現(xiàn)不同的功能需求。例如在儀表機箱內(nèi)通過不同電路板的組合或更換軟件存儲芯片，來實現(xiàn)不同的功能，以滿足各種用途。承載器是承載重力并將力傳遞到稱重傳感器的機械結(jié)構(gòu)。國外已較多的采用CAD進行承載器(秤臺或秤架)的設(shè)計，在保證一定強度和剛度的前提下優(yōu)化設(shè)計，從而達到節(jié)省鋼材，降低造價的目的[2]。據(jù)國外資料介紹，在電子稱重裝置中，稱重傳感器的價格這幾年變動不大，儀表價格隨著電子器件價格下降而成下降趨勢，而占成本比重比較大的承載器由于鋼材和加工費用的上漲使成本提高。因此要降低成本提高競爭力，重點是降低秤臺造價，所以優(yōu)化設(shè)計，發(fā)展薄型結(jié)構(gòu)己是制造廠向的主要目標(biāo)。隨著工業(yè)自動化和管理現(xiàn)代化的進展，自動在線稱重、快速在線稱重和稱重系統(tǒng)有了很大發(fā)展。進一步采用新技術(shù)，開發(fā)各種自動稱重系統(tǒng)，提高動態(tài)稱重的準(zhǔn)確度，加強網(wǎng)絡(luò)功能是當(dāng)今各國發(fā)展的重點[3]。本課題正是從這一方面出發(fā)進行設(shè)計的，使得本課題設(shè)計的自動稱重系統(tǒng)既能獲取稱重信息，又能實現(xiàn)對稱重信息的管理，而且其穩(wěn)定性好，稱量速度快、精度高，可連續(xù)自動稱重，顯示稱量結(jié)果，實現(xiàn)了稱重數(shù)據(jù)的存儲，并且該自動稱重系統(tǒng)還實現(xiàn)了可視化，從而杜絕不真實計量現(xiàn)象，維護企業(yè)和客戶的利益。另外，其界面直觀，便于使用。而且本設(shè)計電路簡單，成本低，抗工頻干擾強，具有很好的推廣價值。本課題是設(shè)計一種基于AT89C51 單片機的乳粉包裝稱重控制的電路，主旨是設(shè)計一稱重儀，對模擬器輸出的微弱信號(0～12mV)進行前級放大處理，再以較小的失真、誤差來進行A/D轉(zhuǎn)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(shù)字信號進行處理，控制數(shù)碼管顯示等。主要要求：(1)該稱重系統(tǒng)中每袋乳粉額定重量為500克；(2)要求每小時包裝數(shù)量為200袋；(3)系統(tǒng)的稱重控制控制精度要求為177。％。 第2章 主要元器件選型 轉(zhuǎn)換電路芯片選擇采用8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809。ADC0809是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，雙列直插式，最快的轉(zhuǎn)換速度為100us，其引腳圖如圖21所示：圖21 ADC0809引腳圖 它由8路模擬開關(guān)，8位A/D轉(zhuǎn)換器，三態(tài)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，因此綜合考慮下來，我們決定采用雙積分A/D轉(zhuǎn)換器。雙積分型A/D轉(zhuǎn)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(chǎn)生影響。尤其對本系統(tǒng)，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(zhuǎn)換器可大大降低對濾波電路的要求。作為稱重儀，系統(tǒng)對 AD的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yōu)點和缺點，我最終選擇了MC14433。MC14433是美國Motorola公司推出的單片3 1/2位A/D轉(zhuǎn)換器，其中集成了雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器所有的CMOS模擬電路和數(shù)字電路[3]。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(zhuǎn)換功能，只要外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個完整的A/D轉(zhuǎn)換器，其主要功能特性如下：：讀數(shù)的177。%177。1字；：；：2—25次/s；：大于1000MΩ ；：177?！?77。8V；：8mW（177。5V電源電壓時，典型值）；，即千、百、十、個位BCD碼分時在Q0—Q3輪流輸出，同時在DS1—DS4端輸出同步字位選通脈沖，很方便實現(xiàn)LED的動態(tài)顯示。MC1443內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖22所示： 圖22 MC1443內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 主控芯片選擇本設(shè)計開始時，我原本想采用CPLD（復(fù)雜可編程邏輯電路）或FPGA（現(xiàn)場可編程門列陣）作為系統(tǒng)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(xiàn)常規(guī)的邏輯器件功能，還可實現(xiàn)復(fù)雜的時序邏輯功能，適合完成各種算法和組合邏輯[9]。但是功耗要比較大 ,且集成度越高越明顯。FPGA可作為實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，特別用于大電流、大電壓場合的控制，規(guī)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(wěn)定性，并且可用EDA軟件仿真、調(diào)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(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。但考慮到由于設(shè)計的是擺錘運動控制，F(xiàn)PGA的高速處理功能不能得到充分的體現(xiàn)，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(fù)雜，加重了電路設(shè)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(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內(nèi)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[7]。 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(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)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(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。如圖為AT89C51引腳圖：圖23 AT89C51引腳圖 儀表放大器選擇由