基于单片机的电子秤系统设计毕业论文.doc

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1、毕 业 设 计（论 文） 设计（论文）题目： 基于单片机的电子秤系统设计 学 院 名 称： 湖南电气职业技术学院 专 业： 电气自动化 班 级： 11自动化01班 姓 名： 李艳 指 导 教 师： 姜慧 定稿日期： 2013 年 11 月 27 日 摘要 电子秤是将检测与转换技术、计算机技术、信息处理、数字技术等技术综合一体的现代新型称重仪器。它与我们日常生活紧密结合息息相关。电子称主要以单片机作为中心控制单元，通过称重传感器进行模数转换单元，在配以键盘、显示电路及强大软件来组成。电子称不但计量准确、快速方便，更重要的自动称重、数字显示，对人们生活的影响越来越大，广受欢迎。本系统的设计主要从硬

2、件电路设计，软件编程调试，实物焊接调试三部分进行详细阐述。硬件电路主要是基于单片机AT89S52为核心的控制单元实现数据的处理，采用压力传感器对数据进行采集，电子秤专用24位AD转换芯片HX711对传感器采集到的模拟量进行AD转换，转换后的数据送到单片机进行处理显示，数据显示由LCD1602液晶实现，液晶显示效果稳定无闪烁关键词： AT89S52单片机；电子秤；压力传感器；HX711目录摘要1目录2第1章 绪论41.1课题背景与研究意义41.2 系统设计要求51.3 系统设计方案51.4电子秤的主要组成81.4.1 电子秤的基本结构81.4.2 电子秤的工作原理81.4.3 电子秤的计量性能9

3、第2章 系统硬件设计102.1 系统元器件选型及参数介绍102.1.1 系统单片机选型102.1.2 系统传感器选型112.1.3 系统AD转换芯片选择122.1.4 LCD字符液晶显示142.1.5系统时钟芯片选择142.2 系统硬件电路设计152.2.1系统电源电路设计152.2.2系统单片机主控电路设计162.2.3系统显示部分电路设计172.2.4系统超重报警指示电路设计182.2.5系统按键输入电路设计182.3 系统硬件电路的绘制与PCB线路板制作202.3.1 Protell 99 SE软件介绍202.3.2 系统原理图绘制与PCB印刷线路板制作20第3章 系统软件设计233.1

4、 系统主程序流程图233.2 系统显示部分流程图233.3 系统按键调整部分流程图24第四章系统的制作、安装与调试254.1 系统的调试25参考文献26致谢27附录 程序代码28 第1章 绪论1.1课题背景与研究意义 电子秤作为一种计量手段，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

5、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。电子秤是称重技术中的一种新型仪表，广泛应用于各种场合。电子秤与机械秤比较有体积小、重量轻、结构简单、价格低、实用价值强、维护方便等特点，可在各种环境工作，重量信号可远传，易于实现重量显示数字化，易于与计算机联网，实现生产过程自动化，提高劳动生产率。从世界水平看，衡器技术已经经历了四个阶段，从传统的全部由机械元器件组成的机械称到用电子线路代替部分机械元器件的机电结合秤，再从集成电路式到目前的单片机

6、系统设计的电子计价秤。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。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。1.2 系统设计要求一、基本要求设计并制作一款基于单片机的电子秤重系统。二、具体要求本课题研究的内容是以单片机STC89C52RC为控制核心，实现

7、电子秤的基本策略及价格计算功能。本课题在电子称的基本功能基础上扩展了电子日历及时钟功能。该系统可以分为单片机最小系统、数据采集系统、人机交互界面系统、电源系统、时钟及语音报数六大部分组成。单片机最小系统部分主要包括STC89C52RC和经典复位电路；数据采集部分由称重传感器、信号放大和A/D转换部分组成，信号放大和A/D转换部分主要由专用型高精度24位AD转换芯片HX711实现；人机交互界面为键盘输入和点阵式液晶显示，主要使用4*4矩阵键盘和1602液晶显示器，可以方便的输入数据和直观的显示数据；时钟模块主要由时钟芯片DS1302和时钟电路组成；语音报数模块可语音报读电子秤系统的重量、单价、金

8、额等语音内容，主要由SC1010B电子称专用语音芯片实现。本课题的主要设计任务如下所述：1）系统可实现电子称基本的称重功能（称重范围为05Kg，重量误差不大于0.005Kg）；2）系统应具备输入单价，计算总价及语音报价的功能；3）系统超出最大测量范围5Kg时应有报警指示功能（蜂鸣器报警提示）；4）该电子称设计需完成电子日历及时钟显示功能的扩展。在未称重状态下系统应具备显示年月日、星期及时钟功能。1.3 系统设计方案结合所学知识，通过查找资料和论证，可通过以下方案来实现课题要求实现的指标，各方案介绍如下所述。方案一 数码管显示：数据采集AD转换单片机处理LED显示图1-1 数码管显示方案此方案利

9、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。由此设计出的电子秤系统，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，虽然可以实现电子称基本的称重功能，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，电子秤的功能过于单一，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，

10、增加外界对单片机内部的数据设定，使电子称实现称重计价的功能。结构简图如图1-2所示：数据采集AD转换单片机处理LED显示按键处理图1-2 带有键盘输入的结构简图此方案设计的电子秤，可以实现称物计价功能，但是局限于数码管的功能，在显示时只能显示单价、购物总额以及简单的货物代码等。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、信号转换等措施来增加信号采集强度但会增加相应的设计成本；显示方面采用具有字符图文显示功能的LCD显

11、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，当需要增加扩展功能时可以通过切换液晶显示界面的方式来实现。结构简图如下图1-3所示：数据采集AD转换单片机处理LCD显示按键处理信号放大图1-3带有键盘输入及液晶显示的结构简图鉴于上述三种方案的优缺点，本系统在设计时充分考虑到系统的实用性及成本的可行性的前提下，设计完成了最终的电子称方案，最终的硬件设计方案图如图1-4所示，该方案增加了电子日历功能，从而使本系统的设计功能得到了很好的扩展应用。 压力传感器信号放大信号转换单片机键盘控制LCD显示图14硬件设计方案1.4电子秤的主要组成1.4.

12、1 电子秤的基本结构 电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。不管根据什么原理制成的电了秤均由以下三部分组成：1） 承重、传力复位系统它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。2） 称重传感器即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻

13、应变式、卢表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。3) 测量显示和数据输出的载荷测量装置 即处理称重传感器信号的电子线路（包括放人器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补尝元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮器件等）。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。1.4.2 电子秤的工作原理当被称物

14、体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力一电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系（一般成正比关系）的电信号（电压或电流等）。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模数( A/D)器进行转换，数字信号再送到微处器的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示，或送打印机打印。一般地信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。1.4.3 电子秤的计量性能电子秤的计量

15、性能涉及的主要技术指标有：量程、分度值、分度数、准确度等级等。(1) 量程：电子衡器的最大称量Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大值。(2) 分度值：电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值。用e或d来表示。(3) 分度数：衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用n表示。电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积来表示，即Max=nd(4) 准确度等级国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成T、II、III、四类等级，分别对应不同准确度的电子秤和分度数n的范围，如表1-1所示：表1-1 不同准确度的电子秤和分度数标志及等级电子秤分类分度数范围特种准确

16、度基准衡器n 100000高准确度精密衡器10000 n100000中准确度商业衡器1000 n10000普通准确度粗衡器100VCC1+0.2V时，由VCC2向DS1302供电，当VCC2 VCC1时，由VCC1向DS1302供电。SCLK：串行时钟，输入； I/O：三线接口时的双向数据线；CE：输入信号，在读、写数据期间，必须为高。该引脚有两个功能：第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。 DS1302有关日历、时间的寄存器共有12个，其中有7个寄存器（读时81h8Dh，写时80h8Ch），存放的数据格式为BCD码形式。2.2 系统硬件

17、电路设计2.2.1系统电源电路设计由于该系统中 51 单片机及 AD 转换芯片及液晶显示器所需供电电压均为 5V 电压，所以要保证系统稳定可靠的工作，需要设计一个可以稳定提供 5V 电压的供电系统。本设计采用双电源接口供电方式，USB 接口供电方便程序调试，也可采用外置电源作为系统的供电电源，但是需另加三端稳压器件 LM7805 作为系统电源的稳压器件以保证系统电压为稳定的直流 5V 电压，同时外置电源的输出电压要高于 5V输出，系统电源输入接口要加滤波电容以确保工作电压稳定。电源输出接口加上LED 电源指示灯，用来判定电源是否正常工作。该系统电源电路设计如图 2-7所示。 图2-7电源接口电

18、路C1，C2实现对电源滤波，以滤除可能存在的高频杂波对电源的影响，C4实现对电源电压的平滑稳定作用10，当USB接口输出电压高时C4用来储能，当后续电路负载过高USB供电不足时电解电容C4通过释放储存的电能来保证电源电压不跌落。LED0用作电源指示，其亮灭代表电源工作与否，R0用来限流，以保证LED不被烧坏13。2.2.2系统单片机主控电路设计晶振全称为晶体振荡器，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果

19、给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫机电效应。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。根据石英晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡回路，即谐振回路。他们的机电效应是机-电-机-电.的不断转换，由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路。由于石英晶体的损耗非常小，即Q值非常高，做振荡器用时，可以产生非常稳定的振荡，作滤波器用，

20、可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线10。复位电路采用按键复位加上电复位来实现，S1为复位按键，复位按键按下后，复位端通过1K的小电阻与电源接通,迅速放电,使RST引脚为高电平,复位按键弹起后,电源通过10K的电阻对10F的电容C1重新充电,RST引脚端出现复位正脉冲。AT89S52内部有一个高增益反相放大器,用于构成振荡器,但要形成时钟脉冲,外部还需附加电路,本设计采用内部时钟方式,利用芯片内部的振荡器,然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体振荡器,就构成了稳定的自激振荡器,发出的脉冲直接送入内部时钟电路,C2和C3的值通常选择为30pF左右,晶振Y1选择12MHz.为了减小寄生电容

21、,更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器电容应尽可能安装得与单片机引脚XTAL1和XTAL2靠近7。单片机的31脚（EA）接+5V电源，表示允许使用片内ROM。2.2.3系统显示部分电路设计显示部分采用LCD1602液晶显示模块，液晶板上排列着若干 57或 510点阵的字符显示位,每个显示位可显示1个字符，从规格上分为每行 8、16、20、24、32、40位，有一行、两行及四行三类。其与单片机的连接电路如图2-8所示图2-8 液晶显示接口电路 1脚和2脚为液晶1602地和电源引脚，3脚为背光调节引脚，通过10K电位器接地，背光可通过电位器来调节亮度；4脚、5脚、6脚为液晶片选控制引脚，分别连

22、接到单片机的P2.0、P2.1、P2,2端口，714脚为数据接口，与单片机的P0口相连实现数据的传输，15、16、脚为液晶的背光控制脚，分别接到电源和地9。2.2.4系统超重报警指示电路设计超重报警指示电路用来在称重测量超出最高值时报警提示，以免重量太高的情况下损坏传感器。报警指示电路由PNP三极管9012驱动蜂鸣器来实现，单片机IO口控制三极管的基极，当单片机的IO口输出为低电平时，三极管导通，蜂鸣器的正极与电源接通，蜂鸣器通电发出报警声，当单片机IO口输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器停止报警。报警指示电路如图2-9所示。图2-9 报警指示电路2.2.5系统按键输入电路设计按键输入电路用来在

23、电子称测量过程中输入单价值，按键输入电路采用4*4矩阵键盘实现，矩阵键盘电路如图2-10所示。图2-10按键输入电路电子称按键功能分配如表2-2所示：表2-2系统按键配置表789去皮456清零123累计0计算此电子秤是开机检测托盘重量，并将托盘重量清零（即电子秤每次开机后检测托盘重量，并程序中自动将托盘重量保存在一个变量中，称量过程中每次都将获得的重量减去托盘重量，而得到所要称量物体的真正的重量）。计算功能：在正确输入了单价之后，按下计算按键，将会计算出金额，并在液晶显示器上显示出重量、单价、总价。电子日历时钟键盘面板：设置对应矩阵键盘按键S1S2S3通过设置按键可以切换日期、星期、时间的设置

24、，通过加减键来进行各个状态的调节。2.3 系统硬件电路的绘制与PCB线路板制作2.3.1 Protell 99 SE软件介绍本文在硬件电路的设计过程中，原理图和PCB的绘制采用Protel99SE软件，Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，该软件以其简单易操作的优势一直以来备受电子工程师的喜爱，因而也成了很多高校电子相关专业EDA工具的必选课程。2.3.2 系统原理图绘制与PCB印刷线路板制作采用Protel99SE软件绘制原理图和PCB的主要步骤如下所述：1. 建立系统所需原件库；2. 加载所建原件库到工程项目中；3. 在原理图页面中放置所

25、需元器件并按照电气性能连接各元件；4. 建立原件封装库并加载到工程文件中；5. 绘制好电路后进行ERC电气检测，并生成网络表；6. 在工程中建立PCB文件，导入生成的网络表；7. 按照网络飞线提示绘制PCB，最后完成DRC检测13。按照如上步骤最终完成绘制的电路图与PCB图分别如图2-11、2-12所示。 图2-11 系统电路原理图图2-12 系统PCB印刷线路板图 第3章 系统软件设计3.1 系统主程序流程图系统软件部分主程序流程图如图3-1所示图3-1 系统主程序流程图3.2 系统显示部分流程图系统示子程序主要是来判断是否需要显示,以及如何去显示,也是十分重要的程序之一。设计流程图如图3-

26、2所示。图3-2系统显示部分流程图3.3 系统按键调整部分流程图键盘电路设计成4X4矩阵式，在程序中可以先判断按键编码，然后根据编码将键盘代表的数值送到相应的存储单元，再进行功能选择或数据处理。设计流程图如图3-3所示。图3-3 按键调整程序流程图 第四章系统的制作、安装与调试4.1 系统的调试电路板实物做完以后，接下来的工作就是调试。这是理论指导实践最重要的一步。调试工作需要耐心与恒心。所以在调试过程中必须保持冷静的头脑，较强的电路分析能力。一个系统的调试需要软硬件结合调试。在软硬件结合调试的过程中所遇到的问题：1、电子电路的设计中对各种影响因素的考虑不够完全，比如在对过电压情况的处理中未作

27、防范措施。2、系统设计不够优化，有待改善。比如系统的超量程信号直接由单片机送入报警电路，没有设计保护电路再入单片机处理后送入报警电路。3、没有扩展更多电路，如温度显示功能，通讯接口电路与上位机（PC机）进行通讯，上位机显示功能从而将大量的商品数据存于上位机，然后通过串口或并口通讯与电子称相连，达到远距离控制的目的。4、对各种实用芯片价格了解不够，选择上任有欠缺，如所选的称重传感器价格较贵。这些都为我今后的学习和工作留下了积极的影响。4.2 实物效果显示参考文献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

28、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，2005 6 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

29、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 INTEGRATED CIRCUITS DATA HANDBOOK 80C51-based 8-bit microcontrollers PHILIPS,1992 致谢四年的本科学习生涯即将结束,在本人做毕业设计中，得到了我的导师的悉心指导和无私帮助。他严谨的治学态度和谦和的为人给我留下了深刻的印象。本课题在选题及研究过程中得到姜慧老师的悉心指导

30、。姜老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。姜老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仪授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。 通过这次毕业设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在传感器的基本原理、传感器的实际应用，以及在常用传感器设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一人步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。我在姜老师的精心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，极大地提高了实践能力，并对当前电了领域的研究状况和发展方向有了一定的了解，这对我今后进一步学习传感器方面的知识有极人的

31、帮助。在此，我衷心感谢姜慧老师的指导和支持。在未来的工作和学习中，我将以更好的成绩来回报老师。 在此，我还要感谢在一起愉快的度过人学生生活的机电工程系全体老师和同学门，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们！附录 程序代码系统部分代码：void shizhong_hanshu()init();Init_DS1302();/初始化芯片init_1602();/初始化lc

32、dwhile(1)if(du_k2=0)dianzhicheng_hanshu();/跳去运行电子称tmpchange();/温度转换wendu_100bei=tmp(); /获得温度show_date();keyscan();if(shi=clock_shi)&(fen=clock_fen)&(status=2)&(miao5)clock_flag=1;TR1=1;if(status=1)/闹钟状态A解除闹钟clock_flag=0;clock=1;TR1=0; void get_pizhong()uint j;ulong hx711_dat;for(j=0;j5;j+)Delay10ms(

33、);hx711_dat=ReadCount();temp=(uint)(hx711_dat/100);void get_weight()ulong hx711_data,a;uint get,aa;hx711_data=ReadCount();get=(uint)(hx711_data/100);if(get(temp+4)break;a=ReadCount();aa=(uint)(a/100)-temp;weight=(uint)(float)aa/4.4+0.05);weight=weight-qi_weight;/去皮if(weight=0) if(weight5000)chaozhong_flag=1;TR0=1;/重量大于5000g，超重报警?elsechaozhong_flag=0;TR0=0;clock=1;weizhi_zifu(0x00,+);else weizhi_zifu(0x00,-);void press(uchar *s)unsigned char dat;nn:P3=0xf0;/保存第一位while(P3=0xf0)get_weight();/得到重量if(weight0)weight_