基于单片机的地磅设计

基于单片机的地磅设计——文献综述摘要：当今社会飞速发展,伴随计算机技术、通信技术以及电子技术的不断创新,新技术在很大程度上改变了的生活和工作习惯。物流、交通、运输流程中涉及许多测重的环节，地磅在其中发挥着主角的地位。传统的地磅在称重、输入设备、及其精确性上都存在极大的不足，适应不了快速发展的社会需求，产生极大的不便捷。本文在给出智能地磅结合传感器硬件设计的基础上，完善了地磅的功能，阐释了基于单片机的地磅的研究现状，并对其发展方向做了展望。关键词：地磅单片机计量监测传感器1、引言随着当今科技的不断发展，微机应用日益普及深入，微机在通信自动化、工业自动控制、电子测量、信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用。嵌入式计算机系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能，可靠性，成本，体积，功效等严格要求的专业计算机系统[1]。其最初应用是基于单片机的。单片机小巧灵活，成本低，易于产品化。它面向控制，能针对性的解决从简单到复杂的各种控制任务。称重技术作为一种计量手段，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。目前归纳了市场上地磅的使用存在的一些问题，或者是结构复杂，或者运行不可靠，且成本高，精度稳定性不好，调正时间长，易损件多，维修困难，装机容量大，能源消耗大，生产成本高。而且目前国内的市场上电子秤产品的整体水平不高，部分小型企业产品质量差且技术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。在此基础上，对地磅的优化成为近年来电子称重技术和电子衡器的发展情况及电子衡器市场的需求，小型化、模块化、智能化、集成化、其技术性能趋向于速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高，其应用性趋向于综合性、组合性[2]。地磅是国家法定计量器具，是围计民生、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。在此的基础上，改造一种更好的地磅将是社会发展的必然产物。2.硬件的选择现今大部分的地磅不是硬件部分过于简单就是采用了具有数模转换的单片机，使得其只能承担一定的称重称量功能而不能实现外界数据的输入和基于实际情况的参数调整，也会使得系统过于简单，导致硬件在一定时候需要扩展比较麻烦。目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出被测物体的重量。单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点。2.1传感器传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装dACor置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分[3]。电容式传感器电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它有结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容传感器可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。电容传感器的基本工作原理可用最普通的平行极板电容器来说明。两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，其电容量为[4]2.2前级放大器部分经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低；经由电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行信号转换。为此，测量电路中常设有模拟放大环节。这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成[5]。2.3信号转换采用A/D转换，原理：逐次逼近法逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探[6]。选择A/D转换器除考虑上述要点外，为防止对A/D转换器的技术指标的影响，还要注意以下几个问题：（1）工作电源电压是否稳定；（2）外接时钟信号的频率是否合适；（3）工作环境温度是否符合器件要求；（4）与其它器件是否匹配；（5）外接是否有强的电磁干扰；（6）印刷线路板布线是否合理。2.4控制单片机的选型选择单片机型号的出发点有以下几个方面：市场货源，单片机性能，研制周期。AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容[8]。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。2.5显示模块和按键模块LED显示LED是发光二极管的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。通常使用的是七段LED。这种显示块有共阴极与共阳极两种。共阴极LED显示块的发光二极管阴极共地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接]。LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。我们使用的为动态显示方式。在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由响应的I/O口线控制。其中两片74LS244分别用于段信号和位信号的驱动，74LS273用于段信号的锁存，其锁存地址为7FFFH[9]。键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。操作者通过键盘向系统发送各种指令或置入必要的数据信息。矩阵式键盘又叫行列式键盘。用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。例如，用2×2的行列结构可构成4个键的键盘，4×4行列结构可构成16个键的键盘。因此，在按键数量较多时，可以节省I/O口线。相对于专用芯片式可以节省成本，且更为灵活[10]。缺点就是需要用软件处理消抖、重键等。3.方案设计方案一：结构简图如下图所示：图3.1数码管显示方案此方案利用数码管显示物体重量，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机。由此设计出的地磅系统，硬件部分简单，接口电路易于实现，并且在编程时大大减少程序量，在电路结构上只有简单的输出输入关系。缺点是：硬件部分简单，虽然可以实现简单地磅的称重功能，但是不能实现外部数据的输入，无法根据实际情况灵活地设定各种控制参数。由于数码管只能实现简单的数字和英文字符的显示，不能显示汉字以及其他的复杂字符，不能达到显示购物清单的要求。又因为采用了具有模数转换功能的单片机，系统电路过于简单，系统硬件的扩展必受到限制，地磅的功能过于单一，达不到设计的标准。方案二在前一种方案的基础上进行扩展，增加一键盘输入装置，增加外界对单片机内部的数据设定，使地磅实现称重计量的功能。结构简图如下图所示：图3.2带有键盘输入的结构简图此方案设计的地磅，可以实现称物计量功能，但是局限于数码管的功能，在显示时只能显示简单的货物代码。在显示重量时，如果数码管没有足够的位数，那么称量物体重量的精度必受到限制，所以此方案需要较多的数码管接入电路中。这样在处理输入输出接口时需要另行扩展足够多的I/O接口供数码管使用，比较麻烦。方案三前端信号处理时，选用放大、A/D转换等措施，尤其在显示方面采用具有字符图文显示功能的LCD显示器。这种方案不仅加强了人机交换的能力，而且满足设计要求，可以显示购物清单、所称量的物体信息等相关内容。结构简图如下图所示：图3.3LCD显示的方案目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出被测物体的重量。由于系统需要的按键较多，因此要加一个键盘显示管理芯片（ZLG7289）。单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点[11]。但其缺点是外围电路比较复杂,编程复杂。使用这种方案会给系统设计带来一定的难度。鉴于本地磅的设计要求，单片机完全能实现所需功能，所以在具体设计时，采用了第三种设计方案。4基于单片机的地磅的主要应用地磅一般是指装有地磅装置的衡器。因其种类繁多，且涉及到贸易结算和保护广大消费者的利益，所以为世界各国政府普遍关注和重视，并被确定为国家强制管理的法制计量器具。地磅是自动化称重控制和贸易计量的重要手段，对加强企业管理、严格生产、贸易结算、交通运输、港口计量和科学研究都起到了重要作用。20世纪50年代中期地磅技术的渗入推动了衡量产业的发展。60年代初期出现机电结合式地磅以来，经过40多年的不断改进与完善，我国地磅从最初的机电结合型发展到现在的全地磅型和数字智能型。我国地磅的技术装备和检测试验手段基本达到国际90年代中期的水平。到21世界地磅制造技术及应用得到了新发展[12]。地磅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。我国的地磅衡器要打入国际市场。参与国际竞争。就必须执行国际法制计量组织制定的国际建议并要有国际水平的技术与装备、有国际水平的质量。这就要求企业以技术为先导、以质量为中心、以管理为基础，努力提高制造技术与制造工艺水平，稳定产品质量，增强国际市场竞争能力。5基于单片机的地磅的发展前景及展望本文采用AT89C51单片机计的电子衡具,无论是计量精度,还是稳定性都满足国家对A级电子秤的要求,它具有较好的标定校准方法,性能稳定,操作简单,价格低廉。该地磅集传感器技术、微计算机技术、数字显示技术于一体、其反应灵敏、准确度高、显示直观，便于使用。通过硬件的少量扩展和软件的修改,能设计出性能优越的计价秤、电子台秤、地磅系统称重等,满足行业对现代电子衡器的需求。另外稍加扩展，该地磅还可与其它生产质量管理系统项连接，具有推广应用价值。面对与国际先进水平的差距和我国国民经济持续发展的大好形势，我们的态度应该是明确的，就是要从观念上、技术上和管理上迅速赶上，瞄准先进、与时俱进、迎接挑战、开拓创新、以提高制造技术与制造工艺水平为突破口，主要解决地磅中的工程化产品的定型设计。生产工艺，质量保证，可靠性考核等规模生产中的关键技术与工艺，提高批量生产能力，使我国的民族衡量器具工业走上健康持续发展的轨道[13]。参考文献[1]李念强.单片机原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2007:37-39.[2]习森.地磅系统的设计与实现[D].2011,3.1-3.4，14-29.[3]河道清，张禾，堪海云,传感器与传感器技术[M].科学出版社,2012:2-3.[4]赵燕传感器原理及应用[M]北京大学出版社2010；4[5]康光华电子技术基础[M]高等教育出版社；23-31[6]王辛之AT89系列单片机原理及接口技术[M]北京航天航空出版社2006[7]张建民.传感器与检测技术[M].北京:机械工业出版社,1999[8]魏立峰单片机原理与应用技术[M]北京大学出版社，2006；24-30[9]吴佳;钱伟康;;51系列单片机多串口通讯任务的实现[J];东华大学学报(自然科学版);2005年06期[10]郁有文,常健,程继红.传感器原理及工程应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008[12]艾凯数据研究中心（北京），2009-2010年地磅市场调查及发展预测报告[13]王在明，石林中地磅