單片機數字稱重儀設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 簡稱A/D 轉換器） 。 A/D 轉換器原理CPSSADC取 樣 保 持 電 路ADC的量 化 編 碼 電 路... DDDn110Iv163。168。t163。169。vI163。168。t163。169。輸 入 模 擬 電 壓 取 樣 展 寬 信 號數 字 量 輸 出 （ n位 ）圖 26A/D 轉換原理圖在 A/D 轉換器中，因為輸入的模擬信號在時間上是連續量，而輸出的數字信號代碼是離散量，所以進行轉換時必須在一系列選定的瞬間（亦即時間坐標軸上的一些規定點上）對輸入的模擬信號取樣，然后再把這些取樣值轉換為輸出的數字量。因此，一般的 A/D 轉換過程是通過取樣、保持、量化和編碼這四個步驟完成的。（一）取樣定理可以證明，為了正確無誤地用取樣信號 vS表示模擬信號 vI，必須滿足： max2iSf?式中 fS取樣頻率， fimax為輸入信號 vI的最高頻率分量的頻率。在滿足取樣定理的條件下，可以用一個低通濾波器將信號 vS還原為 vI，這個低通濾波器的電壓傳輸系數 在低于 fimax的范圍內應保持不變，而在 fS－ fimax以)(fA前應迅速下降為零。因此，取樣定理規定了 A/D 轉換的頻率下限。tIvovoSt oA163。168。f163。169。fimaxf imaxffs圖 27 對輸入模擬信號的采樣 圖 28 所用濾波器的頻率特性因為每次把取樣電壓轉換為相應的數字量都需要一定的時間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時間。可見，進行 A/D 轉換時所用的輸入電壓，實際上是每次取樣結束時的 vI值。（二）量化和編碼我們知道，數字信號不僅在時間上是離散的，而且在數值上的變化也不是連續的。這就是說，任何一個數字量的大小，都是以某個最小數量單位的整倍數來表示的。因此，在用數字量表示取樣電壓時，也必須把它化成這個最小數量單位的整倍數，這個轉化過程就叫做量化。所規定的最小數量單位叫做量化單位，用 Δ 表示。顯然，數字信號最低有效位中的 1 表示的數量大小，就等于 Δ。把量化的數值用二進制代碼表示，稱為編碼。這個二進制代碼就是 A/D 轉換的輸出信號。既然模擬電壓是連續的，那么它就不一定能被 Δ 整除，因而不可避免的會引入誤差，我們把這種誤差稱為量化誤差。在把模擬信號劃分為不同的量化等級時，用不同的劃分方法可以得到不同的量化誤差。假定需要把 0～+1V 的模擬電壓信號轉換成 3 位二進制代碼，這時便可以取Δ=（1/8）V，并規定凡數值在 0～（1/8）V 之間的模擬電壓都當作 0Δ 看待，用二進制的 000 表示；凡數值在（1/8）V～（2/8）V 之間的模擬電壓都當作 1Δ 看待，用二進制的 001 表示，……等等。不難看出，最大的量化誤差可達 Δ，即（1/8）V。00000101001110010111011100000101001110010111011101/82/83/84/85/86/87/81V 166。164。166。164。166。164。166。164。166。164。166。164。166。164。166。164。01234567 ========(7/8)V6/85/84/83/82/81/801V13/1511/159/157/155/153/151/150166。164。166。164。166。164。166。164。166。164。166。164。166。164。166。164。01234567 ========(14/15)V12/1510/158/156/154/152/150模 擬 電 平 二 進 制 代 碼 代 表 的 模 擬 電 平 模 擬 電 平 二 進 制 代 碼 代 表 的 模 擬 電 平163。168。a163。169。 163。168。b163。169。圖 29 劃分量化電平的兩種方法為了減少量化誤差，通常采用圖 29（b）所示的劃分方法，取量化單位Δ=（2/15）V，并將 000 代碼所對應的模擬電壓規定為 0～（1/15）V，即0～Δ/2。這時，最大量化誤差將減少為為 Δ/2=（1/15）V。這個道理不難理解，因為現在把每個二進制代碼所代表的模擬電壓值規定為它所對應的模擬電壓范圍的中點，所以最大的量化誤差自然就縮小為 Δ/2 了。（三） 取樣—保持電路1. 電路組成及工作原理N 溝道 MOS 管 T 作為取樣開關用。RRifIvLvTACh vo圖 210 取樣—保持電路的基本形式當控制信號 vL為高電平時，T 導通，輸入信號 vI經電阻 Ri和 T 向電容 Ch充電。若取 Ri=Rf，則充電結束后 vO=－ vI=vC。當控制信號返回低電平，T 截止。由于 Ch無放電回路，所以 vO的數值被保存下來。 轉換精度精度的提高除了與測量傳感器有關系外，A/D轉換器件也是影響稱重儀表精度的一個重要的方面。選擇合適的、高精度的模數轉換器件將大幅度提高稱重儀表的性能和精度，減少占用硬件資源。A/D轉換器的選擇主要取決于系統要求的精度，但整個系統最終達到的技術指標是由各個環節共同作用完成的。例如：一個智能檢測儀%，表面上看只要采用12位A/D轉換器件就可以達到這個指標，其實不然，如果傳感器的非線性、溫漂等指標達不到這個水平，或者抗干擾措施不利，那么整個系統的指標是根本不可能完成的，即使數字顯示出足夠多的位數，但它的低位數字跳躍不停，則輸出的高精度也是虛假的。%，而我們采用12位MAX187就是保留了一定的余地。MAXIM 推出的MAX187方便之處在于它包括了數據采集系統所必須的所有部件—— 的A/D 轉換器(逐次比較式)、T/ H (采樣保持 )、 參考電壓源,以串行方式輸出；8 腳DIP封裝或16 腳SO 封裝,節約印刷板空間；177。1/2 LSB的誤碼率(MAX187A )；內置采樣保持電路, 數據采樣速度為75kbps ；單+ 5V 電源供電，等待方式靜態工作電流2μA ,正；串行接口, 兼容SPI、QSPI、Microwave。幾乎不需任何外圍器件就能構成一個完整的高速數據采集系統。圖211 MAX187引腳功能圖 關于顯示 顯示分類顯示分為CRT、LCD、LED等幾種顯示方式，早期的顯示器一般都是CRT顯示，它的全稱是Cathode Ray Tube，即陰極射線管陰極射線管主要有五部分組成:電子槍(Electron Gun)、偏轉線圈(Defiection coils)、蔭罩(Shadow mask)、熒光粉層(Phosphor)及玻璃外殼。它是目前應用最廣泛的顯示器之一，CRT純平顯示器具有可視角度大、無壞點、色彩還原度高、色度均勻、可調節的多分辨率模式、響應時間極短等LCD顯示器難以超過的優點，而且現在的CRT顯示器價格要比LCD顯示器便宜不少。CRT(陰極射線管)顯示器的核心部件是CRT顯像管。經典的CRT顯像管使用電子槍發射高速電子，經過垂直和水平的偏轉線圈控制高速電子的偏轉角度，最后高速電子擊打屏幕上的磷光物質使其發光，通過電壓來調節電子束的功率，就會在屏幕上形成明暗不同的光點形成各種圖案和文字。與CRT不同，LCD（英文全稱為Liquid Crystal Display）是一種采用了液晶控制透光度技術來實現色彩的顯示器。LCD顯示器還通過液晶控制透光度的技術原理讓底板整體發光，所以它做到了真正的完全平面。一些高檔的數字LCD顯示器采用了數字方式傳輸數據、顯示圖像，這樣就不會產生由于顯卡造成的色彩偏差或損失。LCD沒有輻射，即使長時間使用也不會對健康造成很大傷害。LED （LightEmitting Diode）顯示是基于發光二極管的顯示器，多數發光二極管按矩陣排列就可以組成大屏幕顯示器。它采用低電壓掃描驅動，具有如下優點：耗電省使用壽命長成本低亮度高視角大可視距離遠規格品種多。目前LED顯示屏作為信息傳播的一種重要手段，已經成為城市信息現代化建設的標志。 LED 在本設計中的應用結合本設計，由于 LED 耗電省、使用壽命長、成本低、亮度高等優點，再加上驅動簡單，容易利用單片機對其進行控制和編程等特點，準備利用 4 個 8 段碼管實現數字化顯示。關于 8 段碼管，在下一章有詳細介紹。3　硬件設計 系統的結構及工作原理 系統的功能及結構（一）系統具備的功能該系統采用單片機作為主控制系統，主要目的在于稱重之后的數字化顯示和實現精確的測量，故系統應該具有單片機工作所需的穩定的+5V直流電源，又考慮到數字化顯示所用到的數碼管中會出現某段被損壞而不被點亮的情況，系統應該具有開機自檢功能，就是開機后自動逐個掃描每一個晶體管，用來檢查數碼管各段是否完好，可以依靠軟件編程實現。除此之外還有超重報警功能，防止超重物對傳感器件造成損壞。圖31 操作和顯示面板（二）單片機控制系統結構框圖測量放大模塊A/D 模塊 顯示模塊控制模塊聲光報警報警指示燈電源指示燈稱重結果顯示Щｂｂｂ報警音響開/關圖 32 系統結構框圖 系統的工作原理該系統主要由5大模塊構成，測量放大模塊、A/D模塊、控制模塊、顯示模塊、報警模塊。直接與稱重對象接觸的是稱重傳感器，本設計采用的是濟南金鐘電子衡器股份有限公司生產的LPSII10型壓力傳感器，為雙孔懸臂梁形式，是電子秤的專用產品。再加上信號調節放大電路，所有這些電路及其外圍結構統一構成了測量放大模塊。 稱重的模擬信號經放大后送進A/D轉換器，把模擬信號轉換為數字信號供給單片機，所用的A/D轉換器為美信公司生產的12位串行A/D轉換器MAX187。MAX187 采用逐次比較法實現12位模數轉換, 模擬輸入經采樣/保持 (T/H電路、內部DAC、比較器、逐次比較寄存器SAR ) ,將模擬量輸入變成12位數據輸出,整個轉換過程僅10μs (包括T/H 采樣時間 )。12位數據經移位寄存器由DOUT 引腳串行輸出(由CS、SCLK控制)。內置T/H電路無需保持電容就能工作。信號經過模數轉換以后，送由單片機進行處理，單片機及其外圍電路構成控制模塊，它把所感知的二進制信號轉換成十進制，并送進顯示模塊式顯示出來。此外，當單片機感知測量對象超出系統測量范圍時，單片機會向報警模塊發出指令，啟動聲光報警裝置，設計中為了安全期間，留有較大的過負載能力，因此系統報警時的負載并不會對測量器件造成損壞。　所用單片機簡介AT89C51 是一種低功耗，高性能的片內含有 4KB 快閃可編程/擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的 8 位 COMS 微控制器，使用高密度，非易失存儲技術制造，并且與 80C51 引腳和指令系統完全兼容。芯片上的 FPEROM 允許在線編程或采用通用的非易失存儲編程器對存儲器重復編程。AT89C51（以下簡稱 89C51）將具有多種功能的 8 位 CPU 與 FPEROM 結合在一個芯片上，為很多嵌入式控制應用提供了非常靈活而又便宜的方案，其性能價格比遠高于 8751。由于片內帶 EPROM 的 87C51 價格偏高，而片內帶 FPEROM 的 89C51 價格低且與 80C51 兼容，這就顯示出了 89C51 的優越性。AT89C2051 是一種帶 2K 字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，AT89C2051 是它的一種精簡版本。AT89C 單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。　電源設計本時鐘電源采用整流濾波電路和三端穩壓電路 LM7805CT。LM7805CT 芯片輸入端電壓約為 ,輸出端電壓為 5V。輸入端和輸出端的壓差應大于 ,否則會失去穩壓能力。同時考慮到功耗問題,此壓差又不易太大,太大則增加 7805 本身的功率消耗,增加芯片的升溫,不利于安全。根據變壓器副邊電壓與經過濾波后輸出電壓關系可知,副邊電壓約為 9V,據此確定變壓器原副邊匝數比這樣即可得到系統所需要的+5V 電源。圖33 電源設計圖 稱重傳感器電路設計圖34 稱重傳感器與放大器的連接傳感器的輸出電壓信號在0～20mv左右，因此放大器的放大倍數在20