单片机自动称重系统设计

摘要
本文设计的单片机称重系以单片机为主要部件，用汇编语言进行软件设计，硬件则以传感器、放大系统、A/D转换系统、CPU控制系统、LED显示系统、报警系统及键盘控制系统七个部分组成。

通过对电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量纲（V）改为重量纲（g）即成为一台原始电子称重系统，在此基础上增加了LED显示、键盘控制及阈值报警功能，随时可改变上限阈值，显示总重量的功能，使本产品智能化，符合现代社会电子信息化的要求。

关键词：单片机，传感器，A/D转换，LED显示，阈值报警
目录
第1章概述 (3)
第2章工作原理 (4)
2.1系统介绍 (4)
2.2 设计要求 (4)
2.3 系统组成框图 (4)
2.4 系统原理 (4)
第3章硬件电路 (6)
3.1 单片机 (6)
3.2 应变电阻式称重荷重传感器 (6)
3.3运算放大器 (8)
3.4 A/D转换电路 (10)
3.5 键盘 (12)
3.6 静态显示 (12)
3.7 声光报警 (13)
3.8 硬件电路图设计 (15)
第4章系统软件设计 (16)
4.1 查询子程序流程图 (16)
4.2 系统总流程图 (17)
4.3 系统程序设计 (17)
4.4 声光报警： (22)
第5章设计结果与展望 (23)
5.1 结果 (23)
5.2 展望 (23)
第6章结束语 (24)
第7章致谢 (25)
参考文献 (26)
第1章概述
随着城市现代化建设的不断发展，以往那种自行称重配料的方式由于其用人工调整重量。

这样，一方面效率十分低下，称量结果精度不高，另一方面，用手工在现场调节增加了工人的劳动强度，而其生产环境十分恶劣，粉尘大。

因而必将为自动控制的称重系统所取代，此称重系统中运用稳定可靠、小而廉的单片机，且单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较容易。

本文提出的装置就是基于MCS-51单片机及其外围电路所实现的。

第2章工作原理
2.1系统介绍
为保障物料称重系统的安全运行，获得准确的重量，必须对其运行状态进行实时监控。

本系统选用了5G14433对采集数据做模数变换，利用MCS-51型单片机控制，具有数字滤波、预置、检查称重值、光电隔离、自动控制装载阀门以及声光报警等功能。

其流程包括：预重量值→称重→下料。

2.2 设计要求
简述此次的设计要求如下：设计一称重仪，对模拟器输出的微弱信号（0~12mV）进行前级放大处理，再以较小的失真、误差来进行A/D转换，并要求具备较强的抗工频干扰能力。

最后利用单片机AT89C51对数字信号进行处理，控制数码管显示等。

要求浮动误差在0~2.00%之内，显示值与输入信号值比值在1.55~1.75之内。

2.3 系统组成框图
图2.1系统组成框图
2.4 系统原理
为控制系统是一种采用单片机、专门用于工业自动定值配料的专用控制器。

其系统原理图如图2.2。

由图可以看出，系统由下面几个
部分组成：（1）单片微型机（2）称量传感器（3）称量斗（4）储料仓及下料装置。

系统在定值称量之前，需要操作者将各个储料仓物料的定值量等相关的数据通过仪表的键盘送入仪表。

仪表在以后每次的定值过程中均以自动方式进行。

当储料仓中所要的物料已准备好，系统在得到启动命令后，将进入自动称料状态。

先打开大闸门，物料自动注入称量斗，此时，传感器受压力，产生应变，并经测量电桥输出，称量斗上的各电桥是以串联方式相连接的，电桥的总输出送至MCS-51系统进行A/D转换，将模拟量变成数字量，然后进行数据处理，并与给定值进行比较，若称量值小于90%预称量值，则继续放料，待称量值大于等于90%预称量值，则关闭大闸门，打开小闸门，直到称量值等于预称量值，关闭小闸门。

而后打开称量斗的闸门，将料落下。

系统将显示本次测量值。

图2.2 系统原理
第3章硬件电路
单片机称重自动控制系统的硬件包括单片机、重量检测电路、线性放大电路、A/D转换电路、显示器、键盘和其它一些电路等组成。

电路原理图见3.8 硬件电路图设计。

3.1 单片机
为了使测量过程实现微机控制化，采用AT89C51系列单片机，AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes 的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash 存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。

AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

3.2 应变电阻式称重荷重传感器
（1）弹性元件
将应变电阻片贴在专门的传感部件——弹性元件上，即可组成不同的荷重传感器。

这种传感器中，弹性元件为力敏元件，把被测量的大小转换成应变量的变化，然后再把应变量的变化转换成电阻量的变
化。

弹性元件是荷重传感器的重要组成部分，应具备以下性质：具有较强的抗压强度，以便在高载荷下保证具有足够的安全性能,弹性好，受力变形后具有良好的重复性和稳定性；残余应力小，并具有均匀而稳定的组织，而且是各向同性；抗疲劳性好；受温度影响小，易于机械加工及热处理。

这个系统中选用的是柱式传感器中的柱形传感器。

其结构是在圆筒上按一定方式贴上应变片。

为提高灵敏度，常采用空心的圆筒。

设计传感器的关键问题是根据额定载荷W及材料的允许应力δ，便可求出产生的应变力为ε=δ/E = Wg/AE式中, Wg——载荷的重量A——圆柱形传感器的横截面积
E——弹性模量
δ——材料的允许应力
ε——产生的应变
采用柱式结构的传感器的测量范围为几百公斤到100吨，精度可达±0.5%～0.3%左右。

下图3.1为一空筒型柱式传感器的结构图。

被测力通过压头1直接作用在粘贴有电阻应变片的弹性体7上，使弹性元件发生形变，粘贴在其上的电阻应变片δ阻值发生相应的变化，致使电桥失去平衡。

因而使电桥输出与被测力成正比的信号。

1——压头
2——上盖
3——膜片
——外套
——过载保护套
——电阻应变片
——弹性体
——底座
——下压头
——接线盒
图3.1 空筒型柱式传感器的结构图
（2）应变检测桥路的连接方法
应变式传感器电阻的变化主要用电桥来测量。

随着应变片粘贴数量的不同，其桥路的连接方法也不同。

这里使用的是四个应变片，其粘贴展开图如图3.2（a ），桥路连接方法如图3.2（b ）。

（3）应变检测桥路的补偿
粘贴在弹性元件上的应变片接成桥路后，要求在不受外力作用时，桥路的输出为零，但由于应变片阻值的分散性，粘贴工艺的差别，温度的影响等等，均会造成一定的误差。

因此，当桥路连接完以后，必须进行一系列的调整，即所谓零点补偿、温度补偿、弹性模量及灵敏度补偿。

3.3运算放大器
由于压力传感器输出的电压信号为毫伏级，所以对运算放大器精度的要求很高。

方案一：高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。

差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放 ( 如 OP07) 做成一个差动放大器，如图3.3所示。

图3.2（a ） 粘贴展开图 3.2（b ）桥路连接方法
图3.3 OP07构成的差动放大器
电阻 R1 、 R2 电容 C1 、 C2 、 C3 、 C4 用于滤除前级的噪声， C1 、 C2 为普通小电容，可以滤除高频干扰， C3 、 C4 为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。

但其电路复杂，需要的元器件多，成本较高。

方案二：选用仪表放大器INA121芯片。

其内部结构图如图3.4所示：
图3.4 INA121内部结构图
INA121是Texes Instruments BB公司生产的FET输入、低功耗
仪器放大电路，性能优越。

前置放大电路的放大倍数设置为50。

较小的前置放大倍数可以避免极化电压的影响。

电压放大电路的放大倍数设置的较高（取为100~200倍），则可以保证总的放大倍数。

采用仪表放大器INA121构成的电路简单，元器件少，成本较低。

3.4 A/D转换电路
该系统选用了5G14433转换器做模/数转换。

5G14433是采用双重积分转换原理一路模拟量输入、输出为3位半BCD码的转换器。

它的特点是结构简单、外接元件少、抗工频干扰能力强、精度稍高、但转换速度慢（为20ms左右）。

在对速度无多大要求的应用系统中得到广泛使用。

MC14433是美国Motorola公司推出的单片3 1/2位A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。

具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：·精度：读数的±0.05%±1字
·模拟电压输入量程：1.999V和199.9mV两档
·转换速率：2-25次/s
·输入阻抗：大于1000MΩ
·电源电压：±4.8V—±8V
·功耗：8mW（±5V电源电压时，典型值）
·采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD
码分时在Q0—Q3轮流输出，同时在DS1—DS4端输出同步字位选通脉冲，很方便实现LED的动态显示。

MC14433的内部结构图如图3.5所示：
图3.5 MC14433内部结构图
模拟电路部分有基准电压，模拟电压输入。

模拟输入电压量程为199.9MV或1.9999V两种，对应的基准电压为+200MV和+2V。

由于5G14433转换结果的输出是连续的，所以必须通过并行接口与其相连接。

采用连续转换方式，每次转换结束，在EOC端输出一正脉冲，经反相后作为单片机AT89C51的外部中断-INT1的请求信号。

当 5G14433的时钟为50kHz时，EOC输出脉冲的宽度为10us。

AT89C51采用边沿触发方式，因此要求输入的负脉冲宽度至少保持12个时钟周期才能被CPU响应。

若AT89C51单片机采用6MHz晶振，则输入脉宽应大于2us，所以EOC输出的脉冲宽度能够满足要求。

在EOC脉冲出现之后，接着按从高到低的顺序发选通脉冲DS1～DS4，同时在Q3～Q0端先后输出千、百、十、个位的BCD码数据。

由于MC14433的A/D转换结果是动态分时输出的BCD码，所以，
Q0~Q3和DS1~DS4可以通过8051单片机的并行口P1或通过扩展I/O 电路与其相连。

MC14433与8051单片机的P2口相连的电路如图3.6所示；
图3.6 MC14433与单片机连接图
该电路采用查询方式管理MC14433的操作。

由于引脚EOC与DU 连接在一起，所以MC14433能自动转换。

3.5 键盘
键盘由1*4的键列及相应的扫描电路组成。

列扫描信号是由单片机从P0.7口串行输出，列码经74LS164移位寄存器变成并行输出，74LS164移位寄存器8个输出端中3位用于控制显示，余下的5位用于对键盘列扫描进行控制。

同时，AT89C51的P0.7口作为同步脉冲输出控制线。

3.6 静态显示
该系统所采用的显示器由4位LED数码管和驱动电路组成，显示的数是经过查表得到相应的显示段划码，再送到共阳极驱动电路，显示位的控制是由计算机从P3.1口串行输出位选码经74LS164移位寄存器变成并行输出，74LS164移位寄存器有八位输出端，用其中三位控制位显示。

这种静态显示方式亮度大，很容易做到显示无闪烁。

静态显示的优点是CPU不必频繁的扫描显示器。

单片机最小系统，是指在尽可能少的外部电路的条件下，形成一个可以独立工作的单片机系统。

图3.7是单片机最小系统的原理图。

实现以下功能：处理重量数据，实现重量的显示，控制数码管的显示。

图3.7 最小系统原理图
3.7 声光报警
本系统对测量值超过预置的称重值时，可以给出报警信号，下面既是实现声光报警功能的电路，此电路中采用一片时基集成电路NE555，将其接成振荡工作状态。

平时，由于单片机的P3.7口输出为低电平。

即555复位脚“4”处于低电平，电路被迫停振，输出“3”恒为低电平，扬声器无声，9018NPN三极管截止，报警灯不亮。

一旦出现越时，P3.7口置1。

这样，NE555时基电路依复位端“4”的信号变化，在它的输出端“3”产生出不同；频率的振荡输出，推动扬声器工作，因此便可获得报警信号。

同时“3”端也推动三极管工作，使报警灯同步点亮。

图3.8
3.8 硬件电路图设计
第4章系统软件设计
4.1 查询子程序流程图查询子程序流程图见图4.1：
4.2 系统总流程图系统总流程图见图4.2：
图4-2 系统总流程图
4.3 系统程序设计org 0000h
ljmp main
org 0020h
main: lcall serve
zbcd: mov a,20h ;千位放入R1
anl a,#10h
mov 40h,#04h
zhyi1:rr a
djnz 40h,zhyi1
mov r1,a
mov a,20h ;百位放入R2
anl a,#0fh
mov r2,a
mov a,21h ;十位放入R3
anl a,#0f0h
mov 40h,#04h
zhyi2:rr a
djnz 40h,zhyi2
mov r3,a
mov a,21h ;个位放入R4
anl a,#0fh
mov r4,a
lcall zdgsh
lcall YANSHI
lcall YANSHI
sjmp main
;*******************************************
;最高位为0时不显示
;******************************************* zdgsh: cjne r1,#00h,dsplay ; 最高位为0,不显示 mov r1,#0ah ; 数码管暗
cjne r2,#00h,dsplay
mov r2,#0ah
cjne r3,#00h,dsplay
mov r3,#0ah
cjne r4,#00h,dsplay
mov r4,#0ah
;***********************************
;显示子程序
;***********************************
dsplay:
MOV DPTR,#Tab ;找表首
MOV R0,#04H
LED: MOV R6,#08H
MOV A,@R0 ;读数据
MOVC A,@A+DPTR
SETB P1.1 ;P1.1时钟信号 cjne r0,#02h,TART
add a,#80h
TART: RLC A
MOV P1.0,C ;P1.0数据信号 CLR P1.1
SETB P1.1
DJNZ R6,TART
DEC R0
CJNE R0,#00H,LED
RET
;******************************
;延时子程序
;******************************
YANSHI: MOV R0,#00H
LOOP15:MOV R1,#00H
LOOP16:NOP
DJNZ R1,LOOP16
DJNZ R0,LOOP15
RET
;*********************************
;查询子程序
;************************************
serve: mov a,p2
JNB ACC.4,serve ;等待DS1=1.千位选通信号 JB ACC.2,PP1
SETB 07H
AJMP PP2
PP1:CLR 07H
PP2:JB ACC.3,PP3
SETB 04H
AJMP PP4
PP3:CLR 04H
PP4:
MOV A,P2
JNB ACC.5,PP4 ;等待百位BCD码选通信号DS2 MOV R0,#20H
XCHD A,@R0 ;百位数送入20H低4位
PP5:
MOV A,P2
JNB ACC.6,PP5 ;等待十位选通信号DS3
SWAP A ;高低4位互换
INC R0 ;指向21H单元
MOV @R0,A ;十位数送入21H高4位
PP6:
MOV A,P2
JNB ACC.7,PP6 ;等待个位选通信号DS4
XCHD A,@R0 ;个位数送入21H低4位
RET
;*******************************
; 本表为显示数据表
;*******************************
Tab: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,00h ;'0，1，2，3，4，5，6，7, 8，9'
end
4.4 声光报警：
程序清单：
SND：SETB P3.7 ；P3.7输出高电平,鸣音亮灯DELAY：MOV R7，#1EH ；延时30ms
DELAY1：MOV R6，#0F0H
DELAY2：DJNZ R6，DELAY2
DJNZ R7，DELAY1
CLR P3.7 ；P3.7输出低电平,报警停
RET ；中断返回
第5章设计结果与展望
5.1 结果
本产品总体实现智能电子称重的功能。

但是由于本次毕业设计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，效果会好很多。

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。

5.2 展望
随着集成电路和计算机技术的迅速发展，使电子仪器的整体水平发生巨大变化，传统的仪器逐步的被智能仪器所取代。

智能仪器的核心部件是单片机，因其极高的性价比得到广泛的应用与发展，从而加快了智能仪器的发展。

而传感器作为测控系统中对象信息的入口，越来越受到人们的关注。

传感器好比人体“五官”的工程模拟物，它是一种能将特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置本次课设中的半桥电子秤就是在以上仪器的基础上设计而成的[15]。

因此，只有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。

第6章结束语
此次系统以单片机AT89C51为控制部件，称重仪模拟信号为输入信号 ,通过前级放大器,双积分A/D转换器,把转换后的BCD码送入AT89C51中进行数据处理,最后在数码管上显示.系统的精度基本达到了要求。

由于实验室提供的电容精度不够高，导致系统具有一定的浮动误差，若把放大模块中的电容换成高精度的电容，系统的精度也必然会提高,本次所设计的单片机称重系统，具有价格低廉、功能强大、易使用、易实现及适用面广等特点，不失为一种较理想的称重系统。

另外，由于水平有限，时间较短，设计中的软、硬件错误在所难免，恳请各位老师指点、纠正。

本次设计中尤其指出的是，我得到了曲昀卿老师的亲切指导和帮助，在此谨表感谢。

第7章致谢
经过这一段时间的的紧张忙碌的毕业设计，我终于在此要给毕业论文画上最后一笔了。

通过这些时间的学习，我对用单片机和传感器都有了进一步的认识，同时，对知识的综合运用能力有了进一步提高。

在本组指导老师曲昀卿老师的帮助下，我进行了硬件电路图的设计，对Protel软件的运用更加熟悉和了解。

在曲老师的指导下，我查阅并参考了一些相关的资料，并与曲老师的进行了深层的探讨，使我对这一技术领域有了全新的认识。

通过这次毕业设计，我对自己的学习能力和计算机运用能力有了全新的认识，由于缺乏一些基本的经验和常识，在曲老师的耐心指导、在院机房老师的配合及协助完成设计的有关老师及其他同学的大力帮助下，使用顺利完成了设计任务。

参考文献
[1]赵茂泰.智能仪器原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2004.
[2]刘敏, 张强, 郝树虹，王艳芬. 称重传感器的选用原则[A]. 电
子科学, 2009, 01: 39.
[3]赵总社. 关于电子秤的工作原理与应用[J]. 科技信息,
2007,(01)
[4]顾瑞良. 电子衡器的分类及其发展动向[J]. 自动化仪表,
2000,(03)
[5]张宏伟. 印制电路板的抗干扰性设计[J]. 南阳师范学院学报,
2004, (6)
[6]黄智伟, 王彦，陈文光等. 全国大学生电子设计竞赛训练教程
[M]. 电子工业出版社. 2005年
[7]全国大学生电子设计竞赛组委会.第六届全国大学生电子设计竞
赛获奖作品选编[M]. 北京理工大学出版社，2005年
[8]李道华，李玲，朱艳.传感器电路分析与设计[M].武汉大学出版
社，2000.
[9]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，1999.。