大学毕业论文-—流水线自动称重和计数

河南科技学院新科学院 2014届本科毕业论文（设计）

流水线自动称重和计数

学生姓名： 张 三

所在院系：新科学院电气工程系 所学专业：电气工程及其自动化 导师姓名： * * * 完成时间：2014年5月10日

流水线的自动称重和计数

摘 要

本称重系统采用单片机AT89C51为控制核心，实现称重仪的基本控制功能。系统的硬件部分包括数据采集和数据处理两大部分，其中数据采集部分由称重仪模拟器、信号的前级处理（采用仪表放大器INA121）和 双积分A/D 转换部分组成。由于称重仪设计中电路的精度及抗工频干扰能力要求较高，故选用精度较高的仪表放大器INA121和抗工频干扰能力较强的双积分A/D转换器MC14433。

计数系统指导思想是利用红外发光管发射红外线，红外接收管接收此红外线，并将其放大、整流形成低电平信号.当有人或物挡住红外光时，接收管没有接收到红外信号，放大器将输出高电平，同时将这个电平信号送入单片机进行控制计数，并且使数码管显示数值。本系统通过应用传感器，各种芯片及单片机使得该系统的实际操作性更强，便于应用于工业上。

关键词：双积分A/D转换，仪表放大，AT89C51单片机，自动计数，数码管

Pipeline automatic weighing and counting

Abstract

This system is based on single chip AT89C51, it can make electronic scale's basic control function come true. System's hardware includes smallest system board and the acquisition of data. The smallest system part mainly realizes the demonstration of the diodes and the control of keyboard ,the part of data’s acquisition is consists of the simulator of weighing meter , signal level processing (amplifier INA121) and the fraction of the double integral A/D conversion . Because of the high request in precision of the electric circuit of the weighing meter design and the ability of anti-power frequency disturbance, the selection of the high precision appliance such as the amplifier INA121 and double integral A/D switch MC14433.

The guiding ideology is using infrared luminescence tubes launch infrared, infrared receiving tube receiving this infrared, and put the amplification, rectifier form low level signals. When someone or something blocking infrared, receiving tube without receiving infrared signal, amplifier output high level, at the same time will the level signal into SCM control counted, and making digital tube display Numbers. So get to statistics, the number of people or things.

Key words：double integral A/D transformation, measuring appliance enlargement，Scm, Automatic counting , Digital tube

目 录

绪论................................................................................................................................. I 1 课题的研究意义和目的............................................................................................ 1 1.1 自动称重和计数的现状及前景............................................................................. 1 1.2 课题研究内容......................................................................................................... 2 2 基于单片机构成的产品自动计数器的设计............................................................ 2 2.1 方案论证................................................................................................................. 2 2.2 系统总体框图和原理............................................................................................. 3 2.3 系统单元电路设计................................................................................................. 4 2.3.1 电源供电电路...................................................................................................... 4 2.3.2 桥式整流电路...................................................................................................... 4 2.3.3 滤波电路分析...................................................................................................... 5 2.3.4 稳压电路.............................................................................................................. 6 2.3.5 红外线检测部分.................................................................................................. 6 2.3.6 数码管显示部分.................................................................................................. 6 2.4 LED 数码管的特点 ................................................................................................ 7 2.5 数码管动态扫描..................................................................................................... 8 2.6 数码管驱动部分..................................................................................................... 8 2.7 单片机计数及控制部分......................................................................................... 9 2.8 复位电路............................................................................................................... 12 2.8.1上电复位............................................................................................................. 12 2.8.2看门狗复位......................................................................................................... 13 3 自动称重系统的设计.............................................................................................. 14 3.1 硬件的选择........................................................................................................... 14 3.1.1 转换电路芯片选择............................................................................................ 14 3.1.2 主控芯片选择.................................................................................................... 16 3.1.3 仪表放大器选择................................................................................................ 17 3.1.4 电源选择............................................................................................................ 18 3.1.5 显示模块选择.................................................................................................... 19 3.2 电路总体原理框图设计....................................................................................... 19 3.3 主芯片引脚应用................................................................................................... 20 3.4 控制模块与转换模块的连接............................................................................... 23 3.5 前级放大模块INA121 ........................................................................................ 24 3.5 自动称重模块....................................................................................................... 25

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3.6 显示模块与控制模块的连接............................................................................... 25 3.7 系统测试............................................................................................................... 27 3.7.1 硬件抗干扰的设计............................................................................................ 27 3.7.2 电源的干扰以及抑制措施................................................................................ 27 3.7.3 空间干扰的防御措施........................................................................................ 27 3.8 软件系统的设计................................................................................................... 27 4 结束语...................................................................................................................... 33 参考文献...................................................................................................................... 35 附录.............................................................................................................................. 39 附录Ⅰ 自动称重器设计............................................................................................ 39 附录Ⅱ 自动计数器设计............................................................................................ 42

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绪论

在当今社会飞速发展的今天，厂家基本采用流水线技术进行产品生产作业，而怎样对其线上的产品进行实时的、有效的、精确的自动计数和称重成为广大生产厂家十分关注的问题。传统的机械式或电子式计数器（主要是用数字电路集成组件组成）电路比较复杂，元器件数量较多，故障率较高，维修比较困难，而设置预定数值不太方便，功能不易更改且功能过于单一，适用范围较窄。

电子技术和微型计算机的迅速发展，促进了微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，从国防技术、航空航天等到日常生活中的电梯、微波炉等都采用到了微机测控技术。快速、淮确、操作方便、消除人为误差、功能多样化等方面己成为现代称重和计数技术的主要特点。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、改善经营等多方面的作用。称重装置应用己遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效益。而基于单片机为核心控制的计数器有着能够实时、精确、可靠、稳定等计数优点已成为广大厂家的首先自动计数装置。

但是，我国在这方面的产品少且功能不齐全，所以改善现有称重和计数装置、开发研究功能齐全的自动称重和计数系统是势在必行的。 1课题的研究意义和目的

随着工业自动化和管理现代化的进展，自动在线称重和计数、快速在线称重和计数有了很大发展。进一步采用新技术，开发各种自动称重计数系统，提高动态称重计数的准确度，加强网络功能是当今各国发展的重点。本课题正是从这一方面出发进行设计的，使得本课题设计的自动称重计数系统既能获取信息，又能实现对称重计数信息的管理，而且其稳定性好，称量速度快、精度高，可连续自动称重和计数，显示结果，实现了数据的存储，并且该自动称重计数系统还实现了可视化，从而杜绝不真实计量现象，维护企业和客户的利益。另外，其界面直观，便于使用。而且本设计电路简单，成本低，抗工频干扰强，具有很好的推广价值。

1.2自动称重和计数的现状及前景

如今的产品自动计数器大多采用非接触方式，早已开发出了多种型号的专用检测芯片。而利用AT89C51为控制单元、辅以多种外围硬件搭配而成的计数装置已成为现在自动计数应用领域的潮流。而如何提高自动计数器的实时性、抗干

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扰能力、稳定性是现在国内外自动计数生产研究的主要课题，产品自动计数主要用于工厂的流水线眩，往往是处于高温，高噪声等极度恶劣的环境中，而AT89C系列单片机构成的产品自动计数器在这种环境中工作时往往会出现误操作（单片机程序跑飞）或死机（程序进入死循环），这也是基于单片机构成的产品自动计数器存在的致命。

随着工业自动化和管理现代化的进展，自动在线称重、快速在线称重和称重系统有了很大发展。进一步采用新技术，开发各种自动称重系统，提高动态称重的准确度，加强网络功能是当今各国发展的重点。本课题正是从这一方面出发进行设计的，使得本课题设计的自动称重系统既能获取称重信息，又能实现对称重信息的管理，而且其稳定性好，称量速度快、精度高，可连续自动称重，显示称量结果，实现了称重数据的存储，并且该自动称重系统还实现了可视化，从而杜绝不真实计量现象，维护企业和客户的利益。另外，其界面直观，便于使用。而且本设计电路简单，成本低，抗工频干扰强，具有很好的推广价值。 1.3 课题研究内容

基于单片机构成的产品自动称重和计数研究的主要内容包括：如何构成检测电路、AT89C51单片机用何种方式对外部计数脉冲进行计数进行计数显示控制、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。LED显示驱动模块的选择、AT89C51单片机的扩展。在这个设计中主要需要解决的问题是如何提高AT89C51单片机的抗干扰能力以及稳定性。

2 基于单片机构成的产品自动计数器的设计 2.1 方案论证

红外线接收管 电压比较器 单片机AT89C51 显示驱动74LS245 红外线发射管 电源供电电路 LED显示器 2

图 2-1 流程图

原理阐述：利用红外接收发射管的特性原理分压可取基准电压，然后通过电压比较器可输出高低电平，当有红外光照射的时候，红外接收管串联的电阻分得的电压很大，可使电压比较器LM324输出为低电平；当无红外光照射的时候，红外接收头串联电阻分得的电压很小，可使电压比较器LM324输出为高电平，然后通过单片机处理，可使输出精准的计数值。

这次毕业设计用的方案，之所以选用主要是这个方案涉及的知识面广且能达到精确、稳定的自动计数，但也有一个致使的缺点，整个系统的抗干扰力较弱，系统掉电后不能保存数据，在系统牌异常状态时容易出现误操作或死机，这也是此设计看重的问题。 2.2 系统总体框图和原理 系统总体框图如图2-2

红外线接收管 电压比较器 红外线发射管 单片机AT89C51 电源供电电路 显示驱动74LS245 LED显示器 图2-2 系统总体框图

原理：电路的指导思想是红外发射管发射红外线，红外接收管接收红外线，并且接收管当有红外线照射的时候，电阻比较小，当无线外线照射的时候电阻比较大，这样就可以通过一个电压比较器和一个基准电压进行对比，当有光照的时候，红外接收管电阻比较小，那么和其串联的电压分压就会增大，所以电压比较器将会输出一高电平；当无光照射的时候，红外接收管的电阻比较大，这样电压比较器就会输出一个低电平。这个便是外部计数电平信号，这个电平信号送入

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AT89C51单片机进行计数控制，在经过扩展、显示驱动完成最后的显示过程。 2.3 系统单元电路设计

2.3.1 电源供电电路

图2-3 电源供电电路

如图2-3所示电源供电部分采用变压器降压、桥式整流、电容器滤波、三端稳压器7805稳压后供电，电源用220V的家庭用电经变压器降至9V交流电，然后经四个整流二极管（D1～D4）组成的桥式整流成直流电压，经C1滤波后输入7805芯片稳压成5V直流电源供红外发射、接收电路、AT89C51等供电。

2.3.2桥式整流电路

桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用电路，常用来将交流转变成为直流电。

原理：桥式整流是对二极管半波整流的一种改进。

半波整流利用二极管单向导通特性，在输入标准正弦波的情况下，输了获得正弦波正半部分，负半部分则损失掉。

桥式整流器利用四个二极管，两两对接，输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出，输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。桥式整流器对输入正弦波的利用率比半波整流高一倍。

桥式整流是交流转换成直流电的第一步。 桥式整流也叫整流桥堆。

桥式整流器是多只整流二极管作桥式连接，外用绝缘塑料封装而成，大功率整流器在绝缘层外添加金属壳包封，增强散热。桥式整流器品种多，性能优良，

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整效率高，稳定性好，最大整流电流从0.5A到50A，最高反射峰值电压从50V到1000V。

半波整流利用二极管单向导通特性，在输入标准正弦波的情况下，输了获得正弦波正半部分，负半部分则损失掉。

2.3.3滤波电路分析

图2-4 滤波电路

整流电路是将交流电变成直流电的一种电路，但其输出的直流电的脉动成分较大，而一般电子设备所需直流电源的脉动系数（电压或电流的幅值与平均值之比，称为脉动系数S）要求小于0.01，故整流输出的电压必须采取一定的措施，尽量降低输出电压中的脉动成分，同时要尽量保存输出电压中的直流成分，使输出电压接近于较理想的直流电，这样的电路就是直流电源中的滤波电路。

常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。无源滤波的主要形式有电容滤、电感滤波和复式滤波（包括倒L型、LC滤波、LCrr型滤波，也被称为电子滤波器。

直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示，此值越大，则滤波器的滤波效果越差。

脉动系数（S）=输出电压交流分量的最大值/输出电压的直流分量 在交流电的角频率一定的情况下R越大，C2越大，则脉动系数越小，也就是滤波效果就越好。而R值增大时，电阻上的直流压降会增大，这样就增大了直流电源的内部损耗； 若增大C2的电容量，又会电容器的体积和重量，实现现起来也不现实。

为了解决这个问题，我们在稳压前后各有滤波吸收电路，利用电容器的充放电，补偿交流分量的电压波动。

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2.3.4稳压电路

图2-5 三端稳压芯片

2.3.5 红外线检测部分

图2-6 红外线检测部分

如图2-6所示，红外线检测部分采用一对红外发送接收管完成，当电路正常工作时，无障碍物遮挡，红外接收头有红外线照射，这时，红外接收头的电阻很小，大部分电压都加在R3上，这正是电压比较器LM324的正向输入电压，而负向输入电压由R4和R5分压得到U，而R3分得的电压要大于此基准电压值，故这时电压比较器LM324输出高电平；当在红外发射接收管间有一不透光的障碍物时，红外接收头无红外线照射，这时红外接收头的电阻很大，大部分电压都加在红外接收头上，这也是电压比较器LM324的正向输入电压，而负向输入电压也是由R4和R5分压得到，和原来电压一样，这时，R3分得的电压要小于此基准电压值，故这时电压比较器LM324输出低电平。

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2.3.6 数码管显示部分

图2-7 数码管显示部分

显示部分是通过74LS245作为数码管的驱动级和两个PNP三极管来完成位选操作。然后再通过软件译码来完成，为了考虑到数码管在动态扫描时，每点亮一个数码管的时间很短暂，这样就会影响到数码管的亮度，故在此用74LS245作为数码管的一个段选驱动级。

而该设计中段码输出口是利用P0口作为输出口，而P0口是漏极开路，虽然有很强的灌电流能力，但拉电流能力很差，故在P0口上加一10的排阻作为上接电阻。上拉电阻的作用是，当单片机的P0口上输入为0时，上拉电阻上的电流直接流入单片机中，使数码管的段码上伤保持低电平，故在这时数码管不发光；而当单片机的P0口输出为0时，这时上拉电阻的有能使电流灌入单片机中，故排阻上的电流流入数码管中，因此这时数码管发光（这里用的是共阴数码管）。

图2-8 共阴数码管原理图

图2-9 共阳数码管原理图

数码管实际上就是八个发光二极管，它们以两种方式连接，如果将其阴极连接在一起，这种方式构成的数码管成为共阴数码管；如果将其阳极连接在一起，这种方式构成的数码管为共阳数码管。 2.4. LED 数码管的特点

1.能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、TTL电路兼容。 2.发光响应时间极短（<0.1s），高频特性好，单色性好，亮度高。 3.体积小，重量轻，抗冲击性能好。

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4.寿命长，使用天10万小时以上，甚至可达100万小时，且成本低。 显示部分采用软件译码方式，所谓软件译码就是把各字符的段选码组织到一个表中，要显示某字符先查表得到其段选码，然后送往显示器的段码线。

单片机应用系统中多采用软件译码的动态显示。 2.5 数码管动态扫描

由于多位LED数码管所有段选线皆由一个8位I/O口控制，因此，在每一瞬间，我位LED会显示相同的字符，要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方法轮流点亮各位LED，即在每一瞬间只使某一位显示字符。在此瞬间，段选控制I/O输出相应字符段选码（字型码），而位选则控制I/O口在该显示位送入选通电平（因为LED为共阴时，则送入低电平，LED为共阳时，则送入高电平），以保证该位显示相应字符，轮流，使每位分时显示该位应显示的字符。段选码、位选码每送入一次后延时1ms，因人眼的视觉暂留时间为0.1s：（100ms），所以每位显示的间隔不必超过20ms，并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果，给人看上去每个数码管总在亮。 2.6 数码管驱动部分

图2-10 74LS245引脚图

引脚功能： A：A总线端 B: B总线端

G：三态允许端（低电平有效） DIR：方向控制端

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表2.1功能表 G DIR L H X 操作 B端流向A端 A端流向B端 高阻 L L H 利用74LS245可将单片机输出的4个TTL门电流提高到每人口为8个TTL门，中样提高了数码管的段选输入电流，从而提高数码的亮度。 2.7 单片机计数及控制部分

图2-11 单片机计数部分

计数部分如图2-11所示。由单片机AT89C51控制完成。基本原理为当红外检测部分检测到有物体经过时，红外接收电路的串联电阻会分压减小，从而使电压比较器的正向输入端小于负向输入端的电压，从而使电压比较器输出一个低电平信号，这个信号将供给单片机进行计数控制。

计数部分有三种方案：外部中断、T0或T1计数器脉冲统计、查询法。 T0或T1计数器主要作用是在一定时间内计数脉冲的个数，我们在这里并非研究对象为在一定时间内通过物品的数量，而是实时地在显示器上显示数当前的计数值，故我们这里不能采用T0或T1计数器的方式；

查询法是CPU在一定时间内或是时刻地在查询是否有计数脉冲产生。我们知道，CPU每查询一个脉冲大约用到的时间是一个机器周期，也就是12个振荡周期，即1?s的时间，相对于单片机的运行速度而言，外部流水线的传输速度

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