1、 SHANGHAI UNIVERSITY課程設(shè)計(jì)（論文）UNDERGRADUATE PROJECT (THESIS)題 目: 罐裝流水線中的自動(dòng)稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué) 院 專 業(yè)學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 起訖日期2015年9月1日-11月14日摘要隨著時(shí)代科技的迅猛發(fā)展，微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代電子技術(shù)的成就給傳統(tǒng)的電子測(cè)量與儀器帶來了巨大的沖擊和革命性的影響。作為重量測(cè)量儀器，智能電子秤在各行各業(yè)開始顯現(xiàn)其測(cè)量準(zhǔn)確，測(cè)量速度快，易于實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控的巨大優(yōu)點(diǎn)，并開始逐漸取代傳統(tǒng)型的機(jī)械杠桿測(cè)量秤，成為測(cè)量領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。在設(shè)計(jì)中主要問題和技術(shù)難度在于如何實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量，且所測(cè)結(jié)果的重復(fù)性好。本文設(shè)計(jì)的

2、電子秤以單片機(jī)為主要部件，用匯編語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，硬件則以應(yīng)變式壓力傳感器為主。秤重傳感器輸出的電量是模擬量，數(shù)值比較小，采用HX711高精度24位，自帶放大電路，設(shè)計(jì)精度高。A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理包括軟件濾波并顯示。其數(shù)據(jù)顯示部分采用LCD顯示，成本低且能很好地實(shí)現(xiàn)所要求的功能。關(guān)鍵詞 單片機(jī)；高精度；軟件設(shè)計(jì)；硬件設(shè)計(jì)AbstractWith the rapid development of technology of the times, the achievements of microelectronics and computers and other modern

3、electronic technology play huge and revolutionary impact on the traditional electronic measuring instrument. As a weight measuring instruments, intelligent electronic scale has shown its high accuracy and speed. It has advantages in real-time measurement and monitoring, and began to gradually replac

4、e traditional mechanical scales. Intelligent electronic scale has become the mainstream products in the field of measurement. In this paper, the microcontroller is used as the main the component of the electronic scale, C language is utilized as the software and the strain gauge pressure sensor is u

5、sed as the main hardware. Because the output is analog and the value of it is relative small, HX711 with precision is 24 bits is used as the main AD converter and amplifier, the accuracy of the scale is high. The results of AD converter are sampled by the microcontroller, and the information is filt

6、ered and displayed. The results are shown in LCD, the system has low cost and can be realized easily.Keywords: Single-chip microcomputer;High precision;The software design;The hardware design目錄第一章 緒論51.1自動(dòng)稱重系統(tǒng)概述51.2 自動(dòng)稱重系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景51.2.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀51.2.2國外發(fā)展現(xiàn)狀61.3課題研究的目的及意義61.4課題研究的內(nèi)容7第二章 自動(dòng)稱重系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)82.1

7、自動(dòng)稱重系統(tǒng)的工作原理82.2 自動(dòng)稱重系統(tǒng)硬件選取82.2.1 總控芯片的選取82.2.2 顯示器選取92.2.3 鍵盤的選取102.2.4 A/D芯片選取112.2.5 壓力傳感器的選擇13第3章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)143.1主芯片引腳連接143.1.2晶震電路設(shè)計(jì)143.2 顯示模塊引腳連接143.3 鍵盤的電路連接153.4 A/D模塊以及傳感器16第4章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)16第一章 緒論1.1自動(dòng)稱重系統(tǒng)概述隨著社會(huì)的發(fā)展行業(yè)分工越來越細(xì)、工農(nóng)業(yè)和市場(chǎng)的發(fā)展,對(duì)稱量儀器的需求也日益增多,過去那種簡(jiǎn)單的機(jī)械杠桿稱已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化發(fā)展的要求。在生產(chǎn)和生活中應(yīng)用非常的廣泛,比如在產(chǎn)品生產(chǎn)加工方面

8、在醫(yī)藥生產(chǎn)過程中,對(duì)不同的藥品成分含量的控制要求十分高,精確到毫克和微克級(jí)在飼料加工中,對(duì)不同原料各種營養(yǎng)成份的要求在數(shù)十克到幾百克之間在車輛運(yùn)輸或者是產(chǎn)品批量運(yùn)輸中,數(shù)以噸計(jì)的稱量。另外,除了用于工業(yè)生產(chǎn),人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用也越來越多,比如市場(chǎng)上對(duì)蔬菜、糧油、畜牧飼養(yǎng)、漁業(yè)等等行業(yè)都需要用到大量的稱重裝置。正是由于如此廣泛的應(yīng)用,稱料器有了很大的發(fā)展空間,成為在生產(chǎn)生活中十分重要的一個(gè)行業(yè)。在稱料器或者稱料裝置中,稱重器件是決定稱重功能的基礎(chǔ),過去依靠的單純的機(jī)械原理,只能稱量數(shù)百千克到克的范圍,而且稱重的過程需要耗費(fèi)一定的體力勞動(dòng),在許多場(chǎng)合根本滿足不了人們對(duì)現(xiàn)代化生產(chǎn)生活的需要,伴隨著

9、電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展,數(shù)百噸至微克的稱重傳感器已經(jīng)日益成熟,為實(shí)現(xiàn)各種場(chǎng)合稱重在基礎(chǔ)上解決了問題,只需要選擇合適的稱重傳感器就能滿足在不同場(chǎng)合對(duì)稱量精度的需求。自動(dòng)稱重系統(tǒng)具有信息采集速度快，避免人為操作漏洞，安全性高，實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)中起到舉足輕重的作用。1.2 自動(dòng)稱重系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景1.2.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 自動(dòng)稱重系統(tǒng)也就是電子衡器，即是配有電子稱量裝置的衡器，主要由稱重傳感器、承載器、稱重儀表3部分組成。國內(nèi)電子衡器數(shù)量所占比例僅為衡器的6.6%；品種少，功能不齊全；關(guān)鍵元器件的穩(wěn)定性和可靠性與進(jìn)口產(chǎn)品比較還有差距。而發(fā)達(dá)國家在電子稱重方面，無論從技術(shù)水平、品種和規(guī)

10、模等方面都達(dá)到了較高水平，特別是在準(zhǔn)確度、長期穩(wěn)定性和可靠性等方面都有了很大的提高。因此國內(nèi)在這方面還有很大的提升空間。通常產(chǎn)品的重量受人為因素影響較大，其所包裝的產(chǎn)品重量與產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)重量誤差較大。此外，以往所設(shè)計(jì)的自動(dòng)稱重系統(tǒng)，成本較高、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過中小企業(yè)的承受能力。針對(duì)產(chǎn)品包裝重量與標(biāo)準(zhǔn)重量誤差較大，受人為因素影響較大的特點(diǎn)，提出了基于單片機(jī)的自動(dòng)控制產(chǎn)品重量的控制系統(tǒng)。實(shí)踐證明，采用該系統(tǒng)后，產(chǎn)品的重量與標(biāo)準(zhǔn)重量誤差較小，可靠性較高，具有廣泛的應(yīng)用前景。1.2.2國外發(fā)展現(xiàn)狀工業(yè)與商業(yè)電子秤用稱重傳感器技術(shù)與制造工藝，美、德等工業(yè)發(fā)達(dá)國家的著名制造公司處于國際市場(chǎng)引導(dǎo)者的領(lǐng)先

11、地位，當(dāng)今國際市場(chǎng)稱重系統(tǒng)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，集中表現(xiàn)在產(chǎn)品的正確度、穩(wěn)定性和可靠性的競(jìng)爭(zhēng)；制造技術(shù)與制造工藝的競(jìng)爭(zhēng)；應(yīng)用高新技術(shù)研發(fā)新產(chǎn)品和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)。各稱重傳感器制造企業(yè)都在努力培植自己的核心競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)和打造核心競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。 從近幾年國際衡器產(chǎn)業(yè)展覽會(huì)上展出的產(chǎn)品和對(duì)多家處于市場(chǎng)引導(dǎo)者地位的企業(yè)產(chǎn)品的分析可以得出這些企業(yè)的共同追求是：彈性體材質(zhì)更精良；電阻應(yīng)變計(jì)、補(bǔ)償元器件的技術(shù)要求和環(huán)境應(yīng)力篩選更嚴(yán)格；制造工藝更精細(xì)；電路補(bǔ)償工藝更完善；外觀質(zhì)量更完美。1.3課題研究的目的及意義 隨著工業(yè)自動(dòng)化和管理現(xiàn)代化的進(jìn)展，自動(dòng)在線稱重、快速在線稱重和稱重系統(tǒng)有了很大發(fā)展。進(jìn)一步采用新技

12、術(shù)，開發(fā)各種自動(dòng)稱重系統(tǒng)，提高動(dòng)態(tài)稱重的準(zhǔn)確度，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)功能是當(dāng)今各國發(fā)展的重點(diǎn)3。本課題正是從這一方面出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，使得本課題設(shè)計(jì)的自動(dòng)稱重系統(tǒng)既能獲取稱重信息，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)稱重，顯示稱量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了稱重?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并且該自動(dòng)稱重系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了可視化，從而杜絕不真實(shí)計(jì)量現(xiàn)象，維護(hù)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(jì)電路簡(jiǎn)單，成本低，抗工頻干擾強(qiáng)，具有很好的推廣價(jià)值。1.4課題研究的內(nèi)容 本課題是設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的灌裝流水線自動(dòng)稱重稱重控制的電路，主旨是設(shè)計(jì)一稱重儀，對(duì)壓力傳感器模擬器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換

13、，并利用單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，用鍵盤輸入重量標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)碼管顯示稱重結(jié)果，對(duì)其和鍵入的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后報(bào)警電路的設(shè)計(jì)。內(nèi)容和要求：運(yùn)用單片機(jī)與稱重傳感器組件一個(gè)自動(dòng)稱重控制系統(tǒng)1、硬件設(shè)計(jì)信號(hào)處理電路、顯示模塊電路設(shè)計(jì)、鍵盤電路設(shè)計(jì)2、軟件設(shè)計(jì)主程序設(shè)計(jì)、顯示模塊程序設(shè)計(jì)、信號(hào)處理程序設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)：最大稱重值2000g，稱重值誤差為±10g，稱重控制系統(tǒng)具有日期、時(shí)鐘顯示功能。第二章 自動(dòng)稱重系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1 自動(dòng)稱重系統(tǒng)的工作原理圖2.1 自動(dòng)稱重系統(tǒng)工作原理圖稱重系統(tǒng)的基本原理如上圖所示，其工作流程是：重物經(jīng)過稱重傳感器，其將模擬信號(hào)傳輸出來，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化模塊，將模擬信號(hào)

14、轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳送到單片機(jī)，鍵盤輸入給定的重量，稱重重量和給定重量比較，不符合要求的物體，報(bào)警機(jī)構(gòu)就會(huì)啟動(dòng)，進(jìn)行報(bào)警。2.2 自動(dòng)稱重系統(tǒng)硬件選取2.2.1 總控芯片的選取通常，自動(dòng)稱重系統(tǒng)的主控單元是通過單片機(jī)系統(tǒng)，也有采用數(shù)字型號(hào)處理器（DSP）作為微處理器。一般來說，選用單片機(jī)控制從產(chǎn)品的成本，占用空間等方面來說這是最好的選擇?，F(xiàn)在的主控芯片集成了多項(xiàng)功能，如自動(dòng)產(chǎn)生 PWM 波、A/D 轉(zhuǎn)換器，足夠的內(nèi)部 ROM和RAM空間。通過對(duì)市場(chǎng)上的單片機(jī)品種的調(diào)查有多種單片機(jī)都可以完成所需功能。我所選用的單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代單片機(jī)STC90C516RD+。這款單片機(jī)成本低，性能優(yōu)良，同

15、上擁有超強(qiáng)的抗靜電，超強(qiáng)的抗干擾能力，功耗較低，運(yùn)作高速可靠。STC90C516RD+單片機(jī)是一種低功耗、高性能8位微控制器，具有64K的可編程flash存儲(chǔ)器。使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。內(nèi)512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外STC90C516RD+可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振

16、蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35MHZ，6T/12T可選。片上flash允許程序存儲(chǔ)器在線可編程，也適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)上可編程閃爍存儲(chǔ)單元，使得STC90C516RD+為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案。下圖是單片機(jī)的封裝引腳圖：2.2.2 顯示器選取1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣型液晶模塊它有若干個(gè)5*7或者5*11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔起到了字符間距和行間距的作用。1602L

17、CD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。1602外圍電路簡(jiǎn)單微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。因此，筆者在本設(shè)計(jì)中選用了該顯示模塊，其引腳說明結(jié)構(gòu)如圖示：編號(hào)符號(hào)引腳說明編號(hào)符號(hào)引腳說明1VSS電源地9D2Data I/O2VDD電源正極10D3Data I/O3VL液晶顯示偏壓信號(hào)11D4Data I/O4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端12D5Data I/

18、O5R/W讀/寫選擇端13D6Data I/O6E使能信號(hào)14D7Data I/O7D0Data I/015BLA背光源正極8D1Data I/016BLK背光源負(fù)極2.2.3 鍵盤的選取在一個(gè)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤是必不可少的輸入設(shè)備。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，操作人員一般通過外部鍵盤向系統(tǒng)輸入各種命令以指揮、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行，掌握系統(tǒng)的工作狀態(tài)。一般來說，從編碼的功能上鍵盤分為可分為兩類：全編碼鍵盤和非編碼鍵盤。非編碼鍵盤又分為獨(dú)立鍵盤和矩陣鍵盤兩種。獨(dú)立鍵盤就是各個(gè)按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵各接一根I/O接口線，每根I/O接口線上的按鍵都不會(huì)影響其他的I/O接口線。因此，通過檢測(cè)各I/O接口線的電平

19、狀態(tài)就很容易地判斷出哪個(gè)按鍵被按下了。獨(dú)立鍵盤的電路配置靈活，軟件簡(jiǎn)單。但每個(gè)按鍵要占用一根I/O接口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，I/O接口線浪費(fèi)很大。故在按鍵數(shù)量不多時(shí)，經(jīng)常采用這種形式。矩陣鍵盤是用兩組I/O接口線排列成行、列結(jié)構(gòu)，一組設(shè)定為輸入，一組設(shè)定為輸出，鍵位設(shè)定在行列線的交點(diǎn)上，按鍵的一端接行線，一端接列線。矩陣鍵盤占用的I/O接口線數(shù)目少，因此在按鍵數(shù)目較多時(shí)，往往采用矩陣鍵盤。在本設(shè)計(jì)中，由于需要的功能較多，而且都需要鍵盤輸入，采用獨(dú)立鍵盤將會(huì)浪費(fèi)很多I/O接口，故采用矩陣鍵盤來作為單片機(jī)的輸入，同時(shí)我們需要顯示0-9的數(shù)字，所以我們選取44的矩陣鍵盤。2.2.4 A/D芯片選取H

20、X711是一款專為高精度秤重傳感器而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)、降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。該芯片與后端MCU芯片的接口和編程非常簡(jiǎn)單，所有控制信號(hào)由管腳驅(qū)動(dòng)，無需對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器編程。輸入選擇開關(guān)可任意選取通道A或通道B，與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連。通道A的可編程增益為128或64，對(duì)應(yīng)的滿額度差分輸入信號(hào)幅值分別為±20mV或±40mV。通道B則為固定的64增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源

21、可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器提供電源，系統(tǒng)板上無需另外的模擬電源。芯片內(nèi)的時(shí)鐘振蕩器不需要任何外接部件。上電自動(dòng)復(fù)位功能簡(jiǎn)化了開機(jī)的初始化過程。封裝引腳表1 HX711引腳功能管腳號(hào)名秤性能描述1VSUP電源穩(wěn)壓電路供電電源：2.6-5.5V（不用穩(wěn)壓電路時(shí)接AVDD）2BASE模擬輸出穩(wěn)壓電路控制輸出（不用穩(wěn)壓電路時(shí)為無連接）3AVDD電源模擬電源：2.6-5.5V4VFB模擬輸入穩(wěn)壓電路控制輸入（不用穩(wěn)壓電路時(shí)應(yīng)接地）5AGND地模擬地6VBG模擬輸出參考電源輸入7INA模擬輸入通道A負(fù)輸入端8INA+模擬輸入通道A正輸入端9INB模擬輸入通道B負(fù)輸入端10INB+模擬輸入通

22、道B正輸入端11PD-SCK數(shù)字輸入斷電控制（高電平有效）和串口時(shí)鐘輸入12DOUT數(shù)字輸出串口數(shù)據(jù)輸出13X0數(shù)字輸入輸出晶振輸入（不用晶振時(shí)為無連接）14X1數(shù)字輸入外部時(shí)鐘或晶振輸入，0：使用片內(nèi)振蕩器15RATE數(shù)字輸入輸出數(shù)據(jù)速率控制，0：10Hz；1：80Hz16DVDD電源數(shù)字電源：2.6-5.5V2.2.5 壓力傳感器的選擇應(yīng)變片式電阻傳感器.是以應(yīng)變片為傳感器元件的傳感器。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.精度高，測(cè)量范圍廣；2.使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠。3.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕，因此在測(cè)量時(shí)，對(duì)工件工作狀態(tài)及應(yīng)力分布影響?。?.頻率響應(yīng)特性好。應(yīng)變片響應(yīng)時(shí)間約為100ns；5.可在低溫、高速、高溫、強(qiáng)烈振動(dòng)、強(qiáng)磁場(chǎng)、核輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣環(huán)境條件下工作；6.應(yīng)變片種類繁多，價(jià)格便宜。電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。應(yīng)變片式電阻傳感器應(yīng)用很廣。對(duì)于稱重系統(tǒng)，我們選擇最常用的電阻應(yīng)變式壓力傳感器，該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高，適用于小壓力測(cè)量，因?yàn)槲覀兎Q重的最大壓力為2Kg,綜合成本等考慮，我們選