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1、基于單片機的電子秤設計 上海理工大學 王凱摘要電子秤集計算機、檢測與轉換、數(shù)字技術以及信息處理等為一體而成的現(xiàn)代測重儀器。電子秤以單片機為核心控制器，通過稱重傳感器進行對物體重量信號的檢測，檢測到的信號進行A/D轉換，將重量信號發(fā)送到顯示電路。添加適當?shù)逆I盤，設置顯示電路。電子稱不僅實現(xiàn)高速精測量，更能達到自動測重和數(shù)字化顯示，廣受人們歡迎。本系統(tǒng)的設計硬件電路：通過 HX711 壓力傳感器采集物體產生的壓力信號，傳感器采集到的模擬量信號還需進行進行AD轉換，得到的數(shù)字量信號傳送到單片機STC89S52進行處理顯示，采用的顯示器是 LCD1602液晶顯示器。關鍵詞：STC89S52單片機；電子

2、秤；壓力傳感器；HX711。AbstractElectronic scales set computer, detection and conversion, digital technology and information processing as one made of modern weighing instruments.Electronic scales microcontroller as the core controller, by weighing the weight of the object detection sensor signal, the signal

3、detected by the A / D conversion, the weight signal is sent to the display circuit. Add the appropriate keyboard, set the display circuit. Electronics not only to achieve high-speed precision measurements, can be better achieved automatically weigh and digital display, widely welcomed by the people.

4、The system hardware design: The HX711 pressure sensor to collect objects produce a pressure signal, sensor to the analog signal needs to be AD conversion, the digital signal is transmitted to the microcontroller for processing STC89S52 display, the display is used LCD1602 LCD monitor.Key words：STC89

5、S52 SCMC；Electrnoic Scale；Load sensor; HX711III目 錄摘要IAbstractII目 錄III緒論11.1課題研究背景11.2課題研究目的和意義11.3課題研究的主要內容1第二章 系統(tǒng)硬件方案設計22.1系統(tǒng)設計方案22.2系統(tǒng)元器件參數(shù)42.2.1單片機選型42.2.2傳感器選擇52.2.4 AD轉換芯片選擇72.2.5 時鐘芯片選擇93系統(tǒng)硬件電路設計103.1系統(tǒng)電源電路設計103.2系統(tǒng)串口電路設計113.3單片機控制電路設計123.4系統(tǒng)顯示電路設計133.5超重報警提示電路設計143.6按鍵輸入電路設計143.7系統(tǒng)硬件電路的繪制與PCB

6、制作163.7.1 Protel99SE簡介163.7.2系統(tǒng)原理圖的繪制164 系統(tǒng)軟件設計184.1主程序流程圖184.2系統(tǒng)顯示部分流程圖194.3按鍵檢測流程圖195 系統(tǒng)整體調試205.1硬件調試遇到的問題205.2系統(tǒng)實物調試效果圖205.3系統(tǒng)設計總結21參考文獻22致 謝23附錄25附錄1系統(tǒng)整體電路圖25附錄2系統(tǒng)設計PCB圖27附錄3系統(tǒng)部分源程序28緒論1.1課題研究背景三國時期便有著名的曹沖稱象，可見稱重技術歷史悠久。重量測量早已在各個領域里應用，如在農業(yè)生產上，科技研究上，在交通工具上等等?？梢哉f伴隨著人們密切不分的。電子秤作為一種電子衡器，是受到國家重視的一種國家法

7、定計量器具。衡器是我們日常生活幫甚至高科技領域不可缺少的計量設備。計量器具的水平高低，將影響到我國的各個方面，影響社會的經(jīng)濟效益。稱重裝置還推進了工業(yè)方面，如在自動化方面，工業(yè)管理方面。有了一個精確，簡便的計量儀器，我們可以減少工作時間，工作力度，改善工作方式，降低人力和物力的投入等。在我國國民經(jīng)濟的各個領域都會用到稱重工具，取得了非常好的經(jīng)濟效益。1.2課題研究目的和意義電子秤相較于機械秤體積更小、重量更輕、結構比較簡單、功能性強、維護也更方便，可以稱量一些不規(guī)則的，環(huán)境限制不便于測量的物品。對重量數(shù)字化顯示方便數(shù)據(jù)記錄及其處理從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸達到自動化生產過程的目的，和計算機聯(lián)網(wǎng)進行各個生

8、產環(huán)節(jié)的控制從而對提高勞動生產率意義巨大?？v觀世界，衡器技術發(fā)展經(jīng)歷了約四個階段，從傳統(tǒng)的機械稱到機電結合秤，再從對機電結合秤改進后而采用集成電路到現(xiàn)代的基于單片機系統(tǒng)設計的電子秤。國內起初的機電結合型發(fā)展為目前的數(shù)字智能型，實現(xiàn)了計時、總價、語音報價等等多種功能的匯總。目前電子測重技術有了新的發(fā)展：電子稱重技術靜動態(tài)測量的轉換；計量方式由模擬到數(shù)字的轉換；多參數(shù)測量得到廣泛應用。能實現(xiàn)多功能聚于一身的先進的智能儀器儀表取代了常規(guī)的比如根據(jù)杠桿原理或彈力系數(shù)來測量的老式器具，使得稱重實現(xiàn)多功能、高精度自動化控制，并出現(xiàn)了多種多樣智能儀器控制系統(tǒng)，從而在科研以及實際應用的自動化程度獲得更大提升。

9、1.3課題研究的主要內容電子稱重原理第一步是將壓力傳感器采集的物體重量信號轉換為電壓信號。對其所測得的信號放大，經(jīng)過放大后的模擬量通過A/D轉換的方式轉換成數(shù)字量，進而將其送入到單片機中，再由單片機處理后由譯碼顯示器而顯示其重量。根據(jù)需要，系統(tǒng)由三大模塊組成，控制器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和人機交互液晶顯示界面模塊。經(jīng)轉換后的數(shù)字信號經(jīng)過控制器完成處理，驅動顯示模塊實現(xiàn)人和機器之間信息的交換。由于軟件控制系統(tǒng)大部分功能，故本設計對軟件部分要求相對較高。在其他功能上，設為了使其更人性化智能化我增加了一個過載報警提示功能以及一個電子日歷功能。第二章 系統(tǒng)硬件方案設計2.1系統(tǒng)設計方案在設計系統(tǒng)時，初步考

10、慮具體以下三種基本方案：方案1 僅采用數(shù)碼管顯示方案：信號采集模數(shù)轉換單片機LED顯示圖2-1-1 通過數(shù)碼管顯示方案1中是最簡單的一個把重量顯示出來就行了。故設計時,硬件十分簡單,需要編程程序的部分相對較少,根據(jù)測得信號的模數(shù)轉換直接得到所測物體重量是多少就顯示多少。缺點主要有兩點:硬件簡單,實際應用中，外圍的輸入以及輸出之間的關系存在不確定性，很多參數(shù)要適宜選定。所以它只能是一個轉換信號后的顯示功能，看不到處理過程，只能存在于實驗室中的理想模型，真正用于實踐時可能造成很大的測量誤差。同時系統(tǒng)硬件太死板，沒有辦法進行大容量，故不能用于本次設計。方案2 對第一種最基本的理想思路再實際化，而且基

11、于例如單價這些信息可以通過由外部的鍵盤輸入，再在單片機中預先設定，從而計算顯示物體價格。結構簡圖如2-1-2圖對應：信號采集模數(shù)轉換單片機LED顯示按鍵輸入圖2-1-2外部信息通過鍵盤輸入此方案設計的電子秤，不但可以稱重，而且能夠計價。但是除了單價顯示這樣的功能外，數(shù)碼管幾乎不能實現(xiàn)其他什么要求。若要用于實際測量，往往必須接許許多多的數(shù)碼管才能滿足測重精度，進而也必需更多I/O口，顯得麻煩。方案3 前端信號處理時，對信號放大便于信號采集但是投入也會有一定增加；采用LCD顯示器。這種更強的人機交互能力對清單、所稱物品的信息等都能夠準確顯示，必要時，當需要顯示其他信息時，我們可以把液晶顯示切換到需

12、要顯示的功能上。結構簡圖如下圖 2-1-3 所示：信號采集模數(shù)轉換單片機LCD顯示按鍵輸入放大電路圖 2-1-3 鍵盤輸入并液晶顯示鑒于以上幾種方案對比考量，同時考慮到設計系統(tǒng)時的能夠實現(xiàn)用最低廉的成本達到設計目的的同時還要合理可行。最終認為在2-1-4所示方案是可行的，日歷功能也在該方案中得到運用，使的應用更方便而不過于簡單。信號采集模數(shù)轉換單片機處理LCD顯示時間重量價格按鍵輸入放大電路時鐘芯片圖2-1-4系統(tǒng)最終框圖2.2系統(tǒng)元器件參數(shù)2.2.1單片機選型主控芯片是設計的心臟，對它的要求固然也比較多：價格低廉的同時還要求具有速率高并且內存大的特點，本設計用AT89S52單片機。AT89S

13、52不僅性能高，同時電功率消耗比較小，它含有可以反復擦除、寫入上萬次的Flash存儲器。AT89S52芯片兼容性良好：圖2-2-1 AT89S52的引腳2.2.2傳感器選擇 壓電傳感器由力生電的原理告訴我們它對動態(tài)量的感知更加敏感。壓電器件的弱點：高內阻、小功率。功率小，輸出的能量微弱，外接電路直接可能干擾到輸出特性。機械應變電阻應信號往往在實際應用中因為太小不被采用。所以利用測量電橋轉換應變儀R / R是改變電壓或電流的變化。 直流橋的特性是一個信號不受線的元素和分布電感和電容,能抗較強干擾能力,小機械應變輸出信號,要求放大器的增益要高穩(wěn)定性也要高。下圖2-2-2 電橋，E0接直流電源：Rd

14、RaRcRb輸入電壓E0輸出電壓圖2-2-2 內部電路輸出端和無限大的電阻連接時，輸出端看成開路。不計內阻，電阻的分壓作用：= （a）R1和R3的乘積與R2和R4乘積相等時，即 （b）U0=0，即電橋平衡。式（b）稱平衡條件。由于電橋平衡，故輸出電壓只和電阻的大小變化有關。當在差動狀態(tài)下時，即R1=R-R,R2=R+R,R3=R-R，R4=R+R,通過（a），可以得到輸出電壓 (c) 應變片式相較其他的優(yōu)點：（1）廣泛的測量范圍，可制成其他機械傳感器。（2）精度和靈敏度都高。（3）對試件影響小，可以工作在各種復雜環(huán)境下。（4）使用方便。 綜上比較確定了電阻應變傳感器。要求稱重范圍 0 到 50

15、00g ,全面的誤差小于 5g 的數(shù)量,傳感器的選擇范圍在本次設計中采用大于預先設定的 5000g ，這是想到實際測量時外來力的加入可能會對傳感器輕則影響精度，重則使其毀壞，故多出額定部分用作預估保護。同時精度固定在0.01%,以達到精度指標。2.2.3 顯示部分方案1 數(shù)碼管顯示眾所周知多個發(fā)光二極管組成起數(shù)碼管發(fā)光。數(shù)碼管部分的數(shù)量包含8個數(shù)碼管，8個LED數(shù)碼管LED發(fā)光二極管單元多，可以顯示“.”;發(fā)光二極管單元連接到共陽極和共陰極數(shù)碼管?？倶O的數(shù)字控制是指所有發(fā)光二極管陽極相當于分好一堆，這一堆統(tǒng)一通過由陽極數(shù)字控制?？偣卜浅７e極的數(shù)字控制應采用 COM + 5 V ,當field

16、-emitting二極管陰極較低,相應的光場。高的陰極場時,相應的字段是不明亮。共陰極LED應該應用于COM 再把它連接到地面接地,當field-emitting二極管陽極高,相應的光場。低場陽極時,相應的字段是暗的。數(shù)碼管顯示的信息一般不能太多，級聯(lián)的方式雖然能顯示更多信息，但同時不但增加成本，處理的不好，還會經(jīng)常造成不能正確顯示和閃爍現(xiàn)象。方案2 LCD液晶顯示由點陣字符型 LCD 液晶顯示的方式，該模塊能夠顯示的類型多種多樣，五花八門而且耗電很低、空間占用少、，多為單片機設計采用。但是其價格相對也比較高昂。LCD1602工作電壓為 5V，可以顯示2行 16 個字符，在視覺上，背光效果和對

17、比度效果也是可調的。圖2-2-3 LCD1602引腳LCD1602內部CGROM含有上百個點陣字符圖形，包含字符：數(shù)字、字母、 常用符號等，一個代碼對應一個字符，利用指令編程可以實現(xiàn)讀寫以及屏幕、光標操作。綜合考量，本設計選擇了 LCD1602。2.2.4 AD轉換芯片選擇 HX711與其他差不多類型的芯片比較,前者集成了外圍電路包括電源,芯片上的時鐘振蕩器和其他所需的類似類型的芯片,高集成度、快速響應、較強抗干擾的優(yōu)點。減少電子天平的總體設計費用,提高整體的在實際測量中對各種不同情況的適應能力。單片機芯片的芯片后端接口和編程兩者都非常簡單,由引腳來進行驅動這種形式,不需要注冊芯片編程。輸入選

18、擇開關可以任意選定通道,其內部可編程放大器連接。對應的兩種形式下的增益,20 毫伏差分輸入信號幅度或40 毫伏。通道B,相比之下,固定在六十四參數(shù)檢測。芯片可以直接提供電源提供能量的一個外部傳感器和模擬量數(shù)字量轉換器芯片,模擬系統(tǒng)板沒有其余的Us。時鐘振蕩器用不著其他輔助器具。上電復位簡化引導。圖2-2-4 是該型芯片的引腳。圖2-2-4（a） HX711管腳定義HX711典型應用電路如圖8所示。圖2-2-4（b） HX711典型應用電路2.2.5 時鐘芯片選擇 DS1302時鐘芯片具有31字節(jié)的靜態(tài)RAM,它的使用破裂模式再次字節(jié)時鐘信號和RAM數(shù)據(jù)。實時時鐘提供各個時段秒,分,小時,天,周

19、,月,年。2.5 5.5 v寬工作電壓。雙電源(電源和備用電源),可以設置備用電源充電模式能夠回電源充電電流。DS1302能夠記錄某段數(shù)據(jù)點特殊的意義,它常常運用在這些設計中。DS1302詳圖如下。 圖2-2-5（a） DS1302實物圖 圖10 DS1302管腳定義 第三章 硬件電路3.1電源電路介于系統(tǒng)51單片機,液晶顯示器等芯片的電壓要求，選擇一個可靠地5v電源是必須的。設計使用雙電源模式的接口,USB接口,電源,便于調試，系統(tǒng)電源中的輸入濾波電容器被用來確保5V電壓穩(wěn)定。指示器以及輸出接口接在電路中,用于確定電源正常工作。如圖圖3-1 電源接口電路C1，C2濾波電路消除雜波，通過C4的

20、電容作為儲能元件的的充放電特性保證電源電壓穩(wěn)定。LED亮時電源工作，反之電源不工作，設計中通過串接一個電阻R0來限制電流用于對電源指示的保護。3.2串口電路設計因為rs - 232c接口和TTL兼容接口不是采用的同一個標準,所以rs - 232c與TTL必須在兼容級別上用使用+ 5 v單電源的MAX232轉換器芯片做同級別的轉換。這里MAX232芯片特別用來為rs - 232轉換標準用的轉換器芯片,。圖3-2 中RS232下載調試電路。圖3-2 RS232串口通信電路 一個產生12V的正負電源給串口使用。另外一個實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉換。其中又包含兩部分,其中一個是13(R1IN),12(R1OUT),1

21、1(T1IN),14(T1OUT)第一個數(shù)據(jù)通道；另外一個是,8(R2IN),9(R2OUT),10(T2IN),7(T2OUT)第二個數(shù)據(jù)通道,TTL / CMOS數(shù)據(jù)從T1IN T2IN輸入轉換為T1OUT rs - 232數(shù)據(jù),T2OUT與電腦連接來自R1OUT R2IN post-TTL / CMOS數(shù)據(jù)的輸入輸出,R2OUT;第三部分是供應。15腳接地,16+ 5 v5。3.3設計單片機控制電路是核心單元的主控電路，它包含有單片機、復位、晶振電路，如圖所示。圖3-3單片機主控電路晶體稱為晶體振蕩器,計算機總線頻率就是通過其發(fā)出的頻率放大或縮小得來。機電效應有個重要特性,與振蕩頻率他們

22、的形狀,材料,切割方向有關。由于石英晶體有較高穩(wěn)定性,熱膨脹系數(shù)也非常小,穩(wěn)定的振蕩頻率,由于控制幾何圖形可以做得非常復雜,故其諧振頻率也會十分準確。當單片機程序跑飛，系統(tǒng)死機的時候，通過手動按鍵，或上電復位的方式，復位電路工作從而讓使其恢復初態(tài)，進而讓系統(tǒng)重新正常運行。3.4系統(tǒng)顯示電路LCD1602用以作為顯示，許許多多點陣字符顯示位整齊的在排列板上,其與單片機連接圖3-4所示。圖3-4狀態(tài)顯示電路圖 1、2接地和+5V電壓電源；3為了實現(xiàn)背光調節(jié)；4、5、6用于實現(xiàn)片選控制，用于數(shù)據(jù)傳輸；背光控制的15、16引腳分別接到電源和地9。3.5超重報警提示電路設計當重量超出預定值時，為了對傳感

23、器進行保護，設計了報警顯示電路。9012PNP型晶體管實現(xiàn)報警指示電路驅動單片機IO端口以控制晶體管，當單片機IO端口輸出低,蜂鳴器發(fā)出警報，當單片機I0端口輸出高,晶體管關閉警報器。3-5圖所示的就是報警指示。圖3-5報警電路3.6設計按鍵輸入電路價格=單價*重量，而不同物品價格往往不一樣，需要一個4*4的鍵盤輸入。如3-6-1圖中連接。圖3-6-1按鍵輸入下圖展示的是本設計中的鍵盤中各個按鍵功能：789出皮456復位123合計0等于 圖3-6-2 矩陣按鍵說明鍵盤的作用一般是對總價進行加減乘除計算。電子計時鍵盤面板：設置 3-6-3日歷鍵盤與矩陣鍵盤按鍵相對應S1S2S3 3-6-4 計時

24、矩陣按鍵按下設置按鍵可以改變時間的顯示。3.7硬件電繪制3.7.1 繪制原理圖基礎Protel99SE能執(zhí)行數(shù)據(jù)交換以及模擬電路圖，是一款原理圖、電路板繪制十分方便的軟件，其32個信號層中包含有16個電源-地層和16個機加工層。3.7.2系統(tǒng)原理圖的繪制3-7-2圖為軟件所繪制電路原理圖。圖3-7-2 整體電路第四章 軟件部分設計基于單片機的電子秤設計的軟件部分，是利用C語言對程序進行編寫。C語言簡單易懂，功能強大，修改性強，且為我們課程內掌握較好的技能，故選其編寫程序。4.1主流程圖圖4-1主流程圖4.2顯示部分圖當命令顯示時怎樣顯示，或者不需要顯示的定性判別。流程圖如圖4-2所示。圖4-2

25、 顯示部分流程圖4.3按鍵檢測流程圖圖 4-3 按鍵判定圖第五章 系統(tǒng)整體調試5.1遇到的問題1、對外部電路造成的干擾沒有預先估測，造成調試過程浪費太多設計時間。2、系統(tǒng)設計比較偏于理想預期值，與實際脫節(jié)。如超預期范圍信號未經(jīng)處理交送報警電路，未進行相應的保護。3、在元器件選擇上不成熟，比如集成的HX711可以自行設計出電路實現(xiàn)其功能，選擇這種集成芯片實際上降低了設計難度，單挑時卻變得簡單了。5.2系統(tǒng)實物調試效果圖實物效果如圖5-2-1和5-2-2。圖5-2-1稱重界面實景圖5-2-2計時界面實景5.3總結 專業(yè)層面講，課題本身雖然不太難，但個人對所學知識掌握有限，加之多年所學就像散在地上的

26、珠子，零零散散，從未融會貫通，本設計就像是一條細的絲線，將掌握的知識聯(lián)系在了一起。使我對所學專業(yè)知識有了更好的掌握以及專業(yè)前景更深刻的認識，是一次既男的又難忘的經(jīng)歷。 整個設計過程中我遇到了許多困難和挑戰(zhàn)，在指導老師耐心啟發(fā)下，一步步走到了設計完成，很多時候是特別艱難的。但我認為沒有遇到任何困難的設計，不叫真正設計，充其量是邯鄲學步；沒有苦難的人生也不算人生，頂多就是活在無菌室里。參考文獻1 薛均義,張彥斌.MCS-516系列單片微型計算機及應用M.西安交通大學出版社,19992 中國機械工業(yè)教育協(xié)會 組編.單片機原理與應用.機械工業(yè)出版社.20013 黃繼昌傳感器工作原理及應用實例A，人民郵

27、電出版社，19984 郭永貞， 數(shù)字電子技術M 西安電子科技大學出版社 20005 楊金巖等.8051單片機數(shù)據(jù)傳輸接口擴展技術與應用實例M人民郵電出版社，20056 張齊，杜群貴.單片機應用系統(tǒng)設計技術M.電子工業(yè)出版社，20077 李廣弟 單片機基礎M,北京航空航天大學出版社,20018 于京51系列單片機C程序設計與應用方案M 中國電力出版社 2002.9 張齊，杜群貴 單片機應用系統(tǒng)設計技術M.電子工業(yè)出版社，200410 張洪潤 電子線路與電子技術M.清華大學出版社，200511 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎M. 高等教育出版社,200612胡海學.單片機原理及應用系統(tǒng)設計M.電子工業(yè)出版社,2005.13 及力，Protel99SE原理圖與PCB設計教程M電子工業(yè)出版社，2004.14 戴佳，51單片機C語言設計實例精講M 電子工業(yè)出版社 200615 周堅，單片機C語言輕松入門M 北京航空航天大學出版社2007附錄附錄1系統(tǒng)整體電路圖附錄2系統(tǒng)設計PCB圖第 25 頁 共 30 頁