基于单片机的电子秤设计毕业论文.doc

基于单片机的电子秤设计 上海理工大学 王凯摘要电子秤集计算机、检测与转换、数字技术以及信息处理等为一体而成的现代测重仪器。电子秤以单片机为核心控制器，通过称重传感器进行对物体重量信号的检测，检测到的信号进行A/D转换，将重量信号发送到显示电路。添加适当的键盘，设置显示电路。电子称不仅实现高速精测量，更能达到自动测重和数字化显示，广受人们欢迎。本系统的设计硬件电路：通过 HX711 压力传感器采集物体产生的压力信号，传感器采集到的模拟量信号还需进行进行AD转换，得到的数字量信号传送到单片机STC89S52进行处理显示，采用的显示器是 LCD1602液晶显示器。关键词：STC89S52单片机；电子秤；压力传感器；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 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.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：STC89S52 SCMC；Electrnoic Scale；Load sensor; HX711III目 录摘要IAbstractII目 录III绪论11.1课题研究背景11.2课题研究目的和意义11.3课题研究的主要内容1第二章 系统硬件方案设计22.1系统设计方案22.2系统元器件参数42.2.1单片机选型42.2.2传感器选择52.2.4 AD转换芯片选择72.2.5 时钟芯片选择93系统硬件电路设计103.1系统电源电路设计103.2系统串口电路设计113.3单片机控制电路设计123.4系统显示电路设计133.5超重报警提示电路设计143.6按键输入电路设计143.7系统硬件电路的绘制与PCB制作163.7.1 Protel99SE简介163.7.2系统原理图的绘制164 系统软件设计184.1主程序流程图184.2系统显示部分流程图194.3按键检测流程图195 系统整体调试205.1硬件调试遇到的问题205.2系统实物调试效果图205.3系统设计总结21参考文献22致 谢23附录25附录1系统整体电路图25附录2系统设计PCB图27附录3系统部分源程序28绪论1.1课题研究背景三国时期便有著名的曹冲称象，可见称重技术历史悠久。重量测量早已在各个领域里应用，如在农业生产上，科技研究上，在交通工具上等等。可以说伴随着人们密切不分的。电子秤作为一种电子衡器，是受到国家重视的一种国家法定计量器具。衡器是我们日常生活帮甚至高科技领域不可缺少的计量设备。计量器具的水平高低，将影响到我国的各个方面，影响社会的经济效益。称重装置还推进了工业方面，如在自动化方面，工业管理方面。有了一个精确，简便的计量仪器，我们可以减少工作时间，工作力度，改善工作方式，降低人力和物力的投入等。在我国国民经济的各个领域都会用到称重工具，取得了非常好的经济效益。1.2课题研究目的和意义电子秤相较于机械秤体积更小、重量更轻、结构比较简单、功能性强、维护也更方便，可以称量一些不规则的，环境限制不便于测量的物品。对重量数字化显示方便数据记录及其处理从而实现数据传输达到自动化生产过程的目的，和计算机联网进行各个生产环节的控制从而对提高劳动生产率意义巨大。纵观世界，衡器技术发展经历了约四个阶段，从传统的机械称到机电结合秤，再从对机电结合秤改进后而采用集成电路到现代的基于单片机系统设计的电子秤。国内起初的机电结合型发展为目前的数字智能型，实现了计时、总价、语音报价等等多种功能的汇总。目前电子测重技术有了新的发展：电子称重技术静动态测量的转换；计量方式由模拟到数字的转换；多参数测量得到广泛应用。能实现多功能聚于一身的先进的智能仪器仪表取代了常规的比如根据杠杆原理或弹力系数来测量的老式器具，使得称重实现多功能、高精度自动化控制，并出现了多种多样智能仪器控制系统，从而在科研以及实际应用的自动化程度获得更大提升。1.3课题研究的主要内容电子称重原理第一步是将压力传感器采集的物体重量信号转换为电压信号。对其所测得的信号放大，经过放大后的模拟量通过A/D转换的方式转换成数字量，进而将其送入到单片机中，再由单片机处理后由译码显示器而显示其重量。根据需要，系统由三大模块组成，控制器模块、数据采集模块和人机交互液晶显示界面模块。经转换后的数字信号经过控制器完成处理，驱动显示模块实现人和机器之间信息的交换。由于软件控制系统大部分功能，故本设计对软件部分要求相对较高。在其他功能上，设为了使其更人性化智能化我增加了一个过载报警提示功能以及一个电子日历功能。第二章 系统硬件方案设计2.1系统设计方案在设计系统时，初步考虑具体以下三种基本方案：方案1 仅采用数码管显示方案：信号采集模数转换单片机LED显示图2-1-1 通过数码管显示方案1中是最简单的一个把重量显示出来就行了。故设计时,硬件十分简单,需要编程程序的部分相对较少,根据测得信号的模数转换直接得到所测物体重量是多少就显示多少。缺点主要有两点:硬件简单,实际应用中，外围的输入以及输出之间的关系存在不确定性，很多参数要适宜选定。所以它只能是一个转换信号后的显示功能，看不到处理过程，只能存在于实验室中的理想模型，真正用于实践时可能造成很大的测量误差。同时系统硬件太死板，没有办法进行大容量，故不能用于本次设计。方案2 对第一种最基本的理想思路再实际化，而且基于例如单价这些信息可以通过由外部的键盘输入，再在单片机中预先设定，从而计算显示物体价格。结构简图如2-1-2图对应：信号采集模数转换单片机LED显示按键输入图2-1-2外部信息通过键盘输入此方案设计的电子秤，不但可以称重，而且能够计价。但是除了单价显示这样的功能外，数码管几乎不能实现其他什么要求。若要用于实际测量，往往必须接许许多多的数码管才能满足测重精度，进而也必需更多I/O口，显得麻烦。方案3 前端信号处理时，对信号放大便于信号采集但是投入也会有一定增加；采用LCD显示器。这种更强的人机交互能力对清单、所称物品的信息等都能够准确显示，必要时，当需要显示其他信息时，我们可以把液晶显示切换到需要显示的功能上。结构简图如下图 2-1-3 所示：信号采集模数转换单片机LCD显示按键输入放大电路图 2-1-3 键盘输入并液晶显示鉴于以上几种方案对比考量，同时考虑到设计系统时的能够实现用最低廉的成本达到设计目的的同时还要合理可行。最终认为在2-1-4所示方案是可行的，日历功能也在该方案中得到运用，使的应用更方便而不过于简单。信号采集模数转换单片机处理LCD显示时间重量价格按键输入放大电路时钟芯片图2-1-4系统最终框图2.2系统元器件参数2.2.1单片机选型主控芯片是设计的心脏，对它的要求固然也比较多：价格低廉的同时还要求具有速率高并且内存大的特点，本设计用AT89S52单片机。AT89S52不仅性能高，同时电功率消耗比较小，它含有可以反复擦除、写入上万次的Flash存储器。AT89S52芯片兼容性良好：图2-2-1 AT89S52的引脚2.2.2传感器选择 压电传感器由力生电的原理告诉我们它对动态量的感知更加敏感。压电器件的弱点：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，外接电路直接可能干扰到输出特性。机械应变电阻应信号往往在实际应用中因为太小不被采用。所以利用测量电桥转换应变仪R / R是改变电压或电流的变化。 直流桥的特性是一个信号不受线的元素和分布电感和电容,能抗较强干扰能力,小机械应变输出信号,要求放大器的增益要高稳定性也要高。下图2-2-2 电桥，E0接直流电源：RdRaRcRb输入电压E0输出电压图2-2-2 内部电路输出端和无限大的电阻连接时，输出端看成开路。不计内阻，电阻的分压作用：= （a）R1和R3的乘积与R2和R4乘积相等时，即 （b）U0=0，即电桥平衡。式（b）称平衡条件。由于电桥平衡，故输出电压只和电阻的大小变化有关。当在差动状态下时，即R1=R-R,R2=R+R,R3=R-R，R4=R+R,通过（a），可以得到输出电压 (c) 应变片式相较其他的优点：（1）广泛的测量范围，可制成其他机械传感器。（2）精度和灵敏度都高。（3）对试件影响小，可以工作在各种复杂环境下。（4）使用方便。 综上比较确定了电阻应变传感器。要求称重范围 0 到 5000g ,全面的误差小于 5g 的数量,传感器的选择范围在本次设计中采用大于预先设定的 5000g ，这是想到实际测量时外来力的加入可能会对传感器轻则影响精度，重则使其毁坏，故多出额定部分用作预估保护。同时精度固定在0.01%,以达到精度指标。2.2.3 显示部分方案1 数码管显示众所周知多个发光二极管组成起数码管发光。数码管部分的数量包含8个数码管，8个LED数码管LED发光二极管单元多，可以显示“.”;发光二极管单元连接到共阳极和共阴极数码管。总极的数字控制是指所有发光二极管阳极相当于分好一堆，这一堆统一通过由阳极数字控制。总公共非常积极的数字控制应采用 COM + 5 V ,当field-emitting二极管阴极较低,相应的光场。高的阴极场时,相应的字段是不明亮。共阴极LED应该应用于COM 再把它连接到地面接地,当field-emitting二极管阳极高,相应的光场。低场阳极时,相应的字段是暗的。数码管显示的信息一般不能太多，级联的方式虽然能显示更多信息，但同时不但增加成本，处理的不好，还会经常造成不能正确显示和闪烁现象。方案2 LCD液晶显示由点阵字符型 LCD 液晶显示的方式，该模块能够显示的类型多种多样，五花八门而且耗电很低、空间占用少、，多为单片机设计采用。但是其价格相对也比较高昂。LCD1602工作电压为 5V，可以显示2行 16 个字符，在视觉上，背光效果和对比度效果也是可调的。图2-2-3 LCD1602引脚LCD1602内部CGROM含有上百个点阵字符图形，包含字符：数字、字母、 常用符号等，一个代码对应一个字符，利用指令编程可以实现读写以及屏幕、光标操作。综合考量，本设计选择了 LCD1602。2.2.4 AD转换芯片选择 HX711与其他差不多类型的芯片比较,前者集成了外围电路包括电源,芯片上的时钟振荡器和其他所需的类似类型的芯片,高集成度、快速响应、较强抗干扰的优点。减少电子天平的总体设计费用,提高整体的在实际测量中对各种不同情况的适应能力。单片机芯片的芯片后端接口和编程两者都非常简单,由引脚来进行驱动这种形式,不需要注册芯片编程。输入选择开关可以任意选定通道,其内部可编程放大器连接。对应的两种形式下的增益,20 毫伏差分输入信号幅度或40 毫伏。通道B,相比之下,固定在六十四参数检测。芯片可以直接提供电源提供能量的一个外部传感器和模拟量数字量转换器芯片,模拟系统板没有其余的Us。时钟振荡器用不着其他辅助器具。上电复位简化引导。图2-2-4 是该型芯片的引脚。图2-2-4（a） HX711管脚定义HX711典型应用电路如图8所示。图2-2-4（b） HX711典型应用电路2.2.5 时钟芯片选择 DS1302时钟芯片具有31字节的静态RAM,它的使用破裂模式再次字节时钟信号和RAM数据。实时时钟提供各个时段秒,分,小时,天,周,月,年。2.5 5.5 v宽工作电压。双电源(电源和备用电源),可以设置备用电源充电模式能够回电源充电电流。DS1302能够记录某段数据点特殊的意义,它常常运用在这些设计中。DS1302详图如下。 图2-2-5（a） DS1302实物图 图10 DS1302管脚定义 第三章 硬件电路3.1电源电路介于系统51单片机,液晶显示器等芯片的电压要求，选择一个可靠地5v电源是必须的。设计使用双电源模式的接口,USB接口,电源,便于调试，系统电源中的输入滤波电容器被用来确保5V电压稳定。指示器以及输出接口接在电路中,用于确定电源正常工作。如图图3-1 电源接口电路C1，C2滤波电路消除杂波，通过C4的电容作为储能元件的的充放电特性保证电源电压稳定。LED亮时电源工作，反之电源不工作，设计中通过串接一个电阻R0来限制电流用于对电源指示的保护。3.2串口电路设计因为rs - 232c接口和TTL兼容接口不是采用的同一个标准,所以rs - 232c与TTL必须在兼容级别上用使用+ 5 v单电源的MAX232转换器芯片做同级别的转换。这里MAX232芯片特别用来为rs - 232转换标准用的转换器芯片,。图3-2 中RS232下载调试电路。图3-2 RS232串口通信电路 一个产生12V的正负电源给串口使用。另外一个实现数据转换。其中又包含两部分,其中一个是13(R1IN),12(R1OUT),11(T1IN),14(T1OUT)第一个数据通道；另外一个是,8(R2IN),9(R2OUT),10(T2IN),7(T2OUT)第二个数据通道,TTL / CMOS数据从T1IN T2IN输入转换为T1OUT rs - 232数据,T2OUT与电脑连接来自R1OUT R2IN post-TTL / CMOS数据的输入输出,R2OUT;第三部分是供应。15脚接地,16+ 5 v5。3.3设计单片机控制电路是核心单元的主控电路，它包含有单片机、复位、晶振电路，如图所示。图3-3单片机主控电路晶体称为晶体振荡器,计算机总线频率就是通过其发出的频率放大或缩小得来。机电效应有个重要特性,与振荡频率他们的形状,材料,切割方向有关。由于石英晶体有较高稳定性,热膨胀系数也非常小,稳定的振荡频率,由于控制几何图形可以做得非常复杂,故其谐振频率也会十分准确。当单片机程序跑飞，系统死机的时候，通过手动按键，或上电复位的方式，复位电路工作从而让使其恢复初态，进而让系统重新正常运行。3.4系统显示电路LCD1602用以作为显示，许许多多点阵字符显示位整齐的在排列板上,其与单片机连接图3-4所示。图3-4状态显示电路图 1、2接地和+5V电压电源；3为了实现背光调节；4、5、6用于实现片选控制，用于数据传输；背光控制的15、16引脚分别接到电源和地9。3.5超重报警提示电路设计当重量超出预定值时，为了对传感器进行保护，设计了报警显示电路。9012PNP型晶体管实现报警指示电路驱动单片机IO端口以控制晶体管，当单片机IO端口输出低,蜂鸣器发出警报，当单片机I0端口输出高,晶体管关闭警报器。3-5图所示的就是报警指示。图3-5报警电路3.6设计按键输入电路价格=单价*重量，而不同物品价格往往不一样，需要一个4*4的键盘输入。如3-6-1图中连接。图3-6-1按键输入下图展示的是本设计中的键盘中各个按键功能：789出皮456复位123合计0等于 图3-6-2 矩阵按键说明键盘的作用一般是对总价进行加减乘除计算。电子计时键盘面板：设置 3-6-3日历键盘与矩阵键盘按键相对应S1S2S3 3-6-4 计时矩阵按键按下设置按键可以改变时间的显示。3.7硬件电绘制3.7.1 绘制原理图基础Protel99SE能执行数据交换以及模拟电路图，是一款原理图、电路板绘制十分方便的软件，其32个信号层中包含有16个电源-地层和16个机加工层。3.7.2系统原理图的绘制3-7-2图为软件所绘制电路原理图。图3-7-2 整体电路第四章 软件部分设计基于单片机的电子秤设计的软件部分，是利用C语言对程序进行编写。C语言简单易懂，功能强大，修改性强，且为我们课程内掌握较好的技能，故选其编写程序。4.1主流程图图4-1主流程图4.2显示部分图当命令显示时怎样显示，或者不需要显示的定性判别。流程图如图4-2所示。图4-2 显示部分流程图4.3按键检测流程图图 4-3 按键判定图第五章 系统整体调试5.1遇到的问题1、对外部电路造成的干扰没有预先估测，造成调试过程浪费太多设计时间。2、系统设计比较偏于理想预期值，与实际脱节。如超预期范围信号未经处理交送报警电路，未进行相应的保护。3、在元器件选择上不成熟，比如集成的HX711可以自行设计出电路实现其功能，选择这种集成芯片实际上降低了设计难度，单挑时却变得简单了。5.2系统实物调试效果图实物效果如图5-2-1和5-2-2。图5-2-1称重界面实景图5-2-2计时界面实景5.3总结 专业层面讲，课题本身虽然不太难，但个人对所学知识掌握有限，加之多年所学就像散在地上的珠子，零零散散，从未融会贯通，本设计就像是一条细的丝线，将掌握的知识联系在了一起。使我对所学专业知识有了更好的掌握以及专业前景更深刻的认识，是一次既男的又难忘的经历。 整个设计过程中我遇到了许多困难和挑战，在指导老师耐心启发下，一步步走到了设计完成，很多时候是特别艰难的。但我认为没有遇到任何困难的设计，不叫真正设计，充其量是邯郸学步；没有苦难的人生也不算人生，顶多就是活在无菌室里。参考文献1 薛均义,张彦斌.MCS-516系列单片微型计算机及应用M.西安交通大学出版社,19992 中国机械工业教育协会 组编.单片机原理与应用.机械工业出版社.20013 黄继昌传感器工作原理及应用实例A，人民邮电出版社，19984 郭永贞， 数字电子技术M 西安电子科技大学出版社 20005 杨金岩等.8051单片机数据传输接口扩展技术与应用实例M人民邮电出版社，20056 张齐，杜群贵.单片机应用系统设计技术M.电子工业出版社，20077 李广弟 单片机基础M,北京航空航天大学出版社,20018 于京51系列单片机C程序设计与应用方案M 中国电力出版社 2002.9 张齐，杜群贵 单片机应用系统设计技术M.电子工业出版社，200410 张洪润 电子线路与电子技术M.清华大学出版社，200511 童诗白，华成英.模拟电子技术基础M. 高等教育出版社,200612胡海学.单片机原理及应用系统设计M.电子工业出版社,2005.13 及力，Protel99SE原理图与PCB设计教程M电子工业出版社，2004.14 戴佳，51单片机C语言设计实例精讲M 电子工业出版社 200615 周坚，单片机C语言轻松入门M 北京航空航天大学出版社2007附录附录1系统整体电路图附录2系统设计PCB图第 25 页 共 30 页