静态称重测控系统设计

计算机控制系统课程设计静态称重测控系统设计学生姓名学院名称学号班级专业名称指导教师年月日徐州工程学院课程设计1摘要随着交通检查、超限治理和计重收费工作的不断深入，称重测控系统得到了越来越广泛的应用。称重测控系统实际上就是一个信号转换和显示的系统。当物品放到到称重平台上时，传感器把感受到的压力转换并输出电压模拟信号，经模/数转换（A/D变换）后就得到数字量的信号。但是，数字量的信号并不是重物的实际重量值，它需要由数字量在单片机内部经过一系列的数据处理才能得到。不仅如此，称重显示器的整个工作过程也都是在单片机的控制下有条不紊地进行。近年来，随着大规模集成电路的飞速发展，单片机更加广泛的应用在各种智能化表中。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。本设计是基于单片机的称重仪，它的硬件电路设计包括单片机最小系统、A/D转换器、称重传感器、LED显示电路、±5V稳压电源电路等几部分设计内容。其中压力传感器输出响应的模拟电压信号，经过模/数转换（A/D变换）后就得到数字量D。但是，数字量D并不是重物的实际重量值W，W需要由数字量D在控制器内部经过一系列的运算——即数据处理才能得到。关键字：称重；模拟信号；传感器；A/D转换器徐州工程学院课程设计2目录1绪论..............................................................32系统的软件设计....................................................42.1系统主程序流程图............................................42.2A/D转换子程序...............................................42.3数据采集子程序..............................................52.4通信模块子程序..............................................52.5显示子程序..................................................62.6控制子程序..................................................73系统单元电路的设计................................................83.1检测电路设计................................................83.1.1传感器电路设计........................................103.1.2放大电路设计..........................................103.2A/D转换电路设计............................................113.3微控制器的工作电路设计......................................123.4显示电路的设计.............................................133.5通信模块设计...............................................143.6系统抗干扰设计.............................................144总体方案设计.....................................................144.1硬件方案论证...............................................144.1.1微处理器的选择........................................144.1.2称重传感器的选择......................................144.1.3显示器的选择..........................................154.1.4数据采集电路的选择....................................154.1.5数据接口的选择........................................164.2系统总体设计...............................................174.2.1系统的工作流程........................................174.1.2系统的设计方案方框图..................................184.3系统控制算法的设计.........................................195总结.............................................................206参考文献.........................................................20附录...............................................................21徐州工程学院课程设计31绪论称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。称重装置不仅是提供重量数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，推进了工业生产的自动化和管理的现代化，它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。称重装置的应用已遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效益。因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过40多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。现今电子衡器制造技术及应用得到了新发展。电子称重技术从静态称重向动态称重发展：计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。2系统的软件设计静态称重系统的软件设计主要包括单片机的软件设计和PC机上的程序设计。单片机的软件设计主要包括：主程序设计、数据采集、数据处理、显示程序、通信程序等。徐州工程学院课程设计42.1系统主程序流程图在本设计中选用的单片机语言是C51。它具有一般C语言的特点：程序书写简单，便于阅读和维护；可实现模块化、结构化编程；语言表达能力强：可对内存、变量的值进行直接操作，能完成汇编语言对硬件操作的大部分功能；源程序的可移植性好，许多程序段不做或只做少量的修改即可移植到另一个C系统上运行，为调试提供方便。主程序主要完成可编程芯片的初始化和重量数据采集及按需要调用各模块。程序流程图如下：调AD程序读取称重数据调显示程序数据融合调通信程序开始图2.1主程序流程图2.2A/D转换子程序该模块的功能是：设置数据的采集频率和转换的格式，将采集到的数据转换徐州工程学院课程设计5成单片机能识别的数字信号。当主程序调用A／D转换程序时，首先须对A／D转换模块的采样频率和采样精度进行设置，再等待传感器检测信号的输入，如有前端数据输入，则对输入数据进行预处理，采集、调整频率和幅值，最后输出数字信号。AD转换程序主要有三大块组成：①AD转换器启动程序：②查询等待转换结束程序；③读取转换结果程序。A/D转换器的原理图如图3-4所示：CPSSADC取样保持电路ADC的量化编码电路...DDDn-110Iv（t）vI（t）输入模拟电压取样展宽信号数字量输出（n位）图3-4A/D转换原理图在A/D转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续量，而输出的数字信号代码是离散量，所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间（亦即时间坐标轴上的一些规定点上）对输入的模拟信号取样，然后再把这些取样值转换为输出的数字量。因此，一般的A/D转换过程是通过取样、保持、量化和编码这四个步骤完成的。2.3数据采集子程序数据采集就是把称重传感器的模拟信号x(t)经过采样转换为采样信号x(nT)，然后再进行量化和编码处理得到离散的数字信号x(n)，最后把x(n)送到计算机进行相应的处理。(1)采样周期的选择采样周期T决定了采样信号的质量与数量，T太小，会使采样信号x（nT)的数量剧增，占用大量的内存单元；T太大，会使模拟信号的某些信息丢失，这样一来就会出现失真现象，影响数据处理的精度。因此必须根据采样定理来选择T以确保x(nT)不失真。根据采样定理可知，对截止频率为f的连续信号x(t)进行采样，其采样周期T必须满足T≤1/(2f)时，才能唯一确定不会出现失真。根据相关文献可知汽车的垂直振动在50Hz时已不明显，因此f取50Hz比较合适，所以T≤1/(2f)=0．01s=10ms。一个采样周期包括硬件延迟时间、A/D转换时间和程序徐州工程学院课程设计6执行时间。在本课题中取硬件延迟为100微秒，A/D转换时间35微秒，程序执行时间l5微秒，由此可知T=150微秒，满足采样定理。(2)采样开始和结束的判断由于硬件系统的数据采集是连续的，因此实验小车通过计量平台的开始和结束要由软件来判断。这就需要在软件中设置一个阀值，如果A/D转换数据超过阀值，则认为小车开始通过计量平台采样开始，一旦采样开始并且转换值低于阀值则认为小车离开计量平台采样结束。开始返回启动A/D读A/D转换状态转换结束？取转换结果大于阈值？前一个值大于阈值？延时保存结果否否否是是是图2.3数据采集流程图2.4通信模块子程序通信模块负责单片机与用户PC之间的通信，完成了串行口的初始化和波特率的设置，并将数据传送给PC机。在串行通信时，要求通信双方都采用一个标准接口，是不同的设备可以方便地连接起来进行通信当主程序调用通信模块时，程序徐州工程学院课程设计7首先设置好断点并保护好现场，在处理完通信程序后，利用现场数据进行恢复。接下来要设置好波特率，并对串口进行初始化。接着向PC发送要传输的数据长度，再传输数据并等待PC方接收，接着判断数据是否被PC收到、数据是否发完，如PC没有收到数据或者数据没有发送完毕，则重新进行发送。数据发送完毕后，程序利用保护好的现场数据进行现场恢复。通信模块的具体程序流程如下图所示：设置好波特率、串口、接口初始化传输恢复现场接收发送数据长度设置断点，保护好现场是否收到？是否发完是是否否图2.4通信模块流程图2.5显示子程序由于在数码管的显示上，本系统选择的是静态显示