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1、电子秤电路的设计专业：自动化 班级：自动化071本 姓名：孙杰 指导教师：徐淑明摘要：现代社会的发展，对称重技术提出了更高的要求。目前，电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍。它具有测量准确、携带方便、价格低廉等优点。 本电子秤设计是基于STC89C52单片机，量程为010千克。其电路构成主要有称重电路，放大电路，A/D转换，单片机控制电路，显示电路。称重电路利用电阻式应变传感器将物体重量信号转换相应大小的电信号，通过HX711芯片里的放大电路和AD转换从而将电信号转换成对应的数字信号送给单片机处理，最终在数码管上显示物体重量。关键词： 称重传感器 HX711 单片机 数码管 The Circui
2、t design of electronic scale Abstract: There are higher requirements for the weighing technology with the development of modern society. At present, the electronic scale has been quite common in the commercial trade. It has measuring accuracy,easy to carry, cheap price and so on.The electronic scale
3、s range is 0 10 kilograms.It is based on MCU STC89C52.The circuit composed by weighing circuit, amplifier circuit, A/D conversion, MCU control circuit and display circuit. Weighing circuit using resistance strain sensors will object weight signal converted into electrical signal.The electrical signa
4、l is amplified and converted into digital signal by the HX711.And the digital signal be send to the MCU .MCU processes the digital signal and sends to LED to display,Keywords: weighing transducer HX711 MCU LED display目录摘要1Abstract2第一章 绪论51.1引言51.2 系统设计与方案论证6第二章 主要器件介绍72.1 STC89C52单片机简介72.2称重传感器简介82.
5、3 HX711芯片的简介82.4 数码管的简介10第三章 硬件部分113.1设计概述113.2 单片机最小系统113.3 称重传感器电路133.4信号放大与AD转换电路143.5显示电路153.6电源电路15第四章 软件部分174.1程序主框图174.2 A/D数据采集框图184.3重量显示框图184.4按键处理框图184.5 数码管显示框图19结束语20参考文献21致 谢22附录1：原理图23附录2：PCB图24附录3：实物图25附录4：元器件清单26附录5：源程序27第一章 绪论 1.1引言 称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用各个领域，包括农业、科研、交通、内外贸易
6、等等领域，与人民的生活，工作紧密相关。据考证,世界上最古老的计量器出土于中东和埃及，最古老的衡器和砝码出自于埃及。秤在历史的发展中永远是最普通，最方便，最普及的计量工具。进入新时代，微电子领域也发生巨大的发展，单片机便是其中最显著的。基于单片机设计的电子秤也代替了传统的称量工具。 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM，只读存储器ROM，多种I/O口和中断系统，定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 随着单片机的长足发展，电子产品越来越丰富，给人们带来了很多方便，其中电子秤也成为了人们生活中不可缺
7、少的一部分。电子秤也和其他产品一样，经历了一个发展的过程，同样也经历了由简单到复杂、由粗糙到精密、由机械到机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。电子秤的发展在朝着个性化以及多元化的同时，也越来越符合人们对于称重技术的要求。 现代社会的高速发展，生活的节奏日益加快，让高效工作的观念深入人心，人们开始追求的不仅仅是能够完成目的，而是如何高效的完成，如何提高工作效率的方式，在这其中，各种高科技的生产生活工具应运而生，以其高效可靠，为人们的生产生活提供了极大的便利。 目前电子秤已经广泛运用于超市，各大中型商场，物流中心。人们也正从电子秤的便利中获得方便。 电子秤设计核心流程基本是称重传感器产
8、生的电压信号通过放大电路传送到A/D转换电路后传入单片机，经过处理在液晶屏幕上显示。 虽然电子秤相对于传统的称量工具已经具备不可替代的功能与优势，但是目前的电子秤还是存在不足。目前的电子秤市场整体水平不高，一方面由于技术团队的研发能力不足，产品更新缓慢。一方面是电子秤的质量不高，其中包括精度稳定性不好，维修困难。因此，改善电子秤系统在实践应用中的不足具有现实的意义。 当前的电子秤不仅要向高精度，小巧化，高稳定性的方向发展，而且需要向多功能方向发展。电子秤可以具有皮重，净重显示等功能，电子秤可以通过算术平均，积分处理等方法，尽量消除误差。 1.2 系统设计与方案论证 本电子秤主要功能就是能准确地
9、测出物体的重量。系统主要可分为单片机控制电路、A/D转换电路、传感器电路、显示电路等几部分。方案一通过秤重电桥产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入A/D转换芯片TCL2543进行A/D转换，由于此芯片可直接用于数字显示，故转换后的数字量直接用数码显示器进行显示。此方案的优点是外部电路非常简单，能实现较高的精度。缺点是无法对A/D转换进行控制。数据采集 放大 电路 显示 电路 A/D 转换图1-1 方案一框图方案二桥式电路 AD转换 显示电路 单片机电路信号放大电路通过称重电桥产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入A/D转换芯片进行数据转换，再将得到的数字信号送至单片机进行处理并送入数码管
10、显示。此方案的优点是可控制性好，电路简单，原理思路清晰，而且单片机的价钱也不算昂贵，在设计组所能承受的范围之内。所以综合各方面条件我们选择方案二作为最终设计方案。图1-2 方案二框图第二章 主要器件介绍2.1 STC89C52单片机简介图2-1 STC89C52单片机引脚图2-1 STC89C52RC单片机引脚 STC89C52RC单片机是宏晶公司推出的一款完全兼容MCS51的单片机，单片机片内集成了8K的FLASH程序存储器，512字节的RAM数据存储器，至少1K的E2PROM，2个数据指针，1个UART，8个中断源，4个中断优先级，3个定时器。单片机可通过32个IO口与外部电路连接。单片机
11、采用5V电源供电。STC89C52RC单片机引脚如图2-1：VCC：供电电压。 GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH
12、编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入，并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内
13、部总线。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.2称重传感器简介称重传感器是由一块应变片，上面黏合4块应变电阻构成桥式应变电阻传感器，其内部示意如图2-2所示： 图2-2 称重传感器内部示意技术
14、参数表如图2-3： 图2-3 称重传感器参数 电阻应变片K值很小，约为1.73.6，机械应变度约为0.0000010.001，所以，电阻应变片的电阻变化范围为0.00050.1欧姆。所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。 桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，另一个对角线为输出电压Uo。其特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。2.3 HX711芯片的简介 图2-4 HX711 管脚 HX711 采用
15、了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子秤而设计的 24 位 A/D 转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整 图2-4 HX711 管脚 机成本，提高了整机的性能和可靠性。 该芯片与后端 MCU 芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道 A 或通道 B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道 A 的可编程增益为 128 或 64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为20mV或40mV。通道 B 则
16、为固定的 64 增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的 A/D 转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。HX711管脚如图2-4所示。HX711特点如下：1.两路可选择差分输入。2.上电自动复位电路。 3.可选择 10Hz或80Hz 的输出数据速率。 4.同步抑制 50Hz 和60Hz的电源干扰。5.工作电压范围：2.6 5.5V。 6.工作温度范围：-20 +85。 7.片内低噪声可编程放大器，可选增益为64 和128。 8.简单的数字控制和串口通讯：所有控制由管脚输入，芯片
17、内寄存器无需编程。9.片内时钟振荡器无需任何外接器件，必要时也可使用外接晶振或时钟。 10.片内稳压电路可直接向外部传感器和芯片内A/D 转换器提供电源。11.耗电量（含稳压电源电路）： 典型工作电流： 1.7mA, 断电电流： 1A。 12.16 管脚的 SOP-16 封装。HX711内部框图2-5所示：图2-5 HX711 内部框图 桥式电流输出的电信号输入到HX711芯片的通道A，经过增益128的放大后被送到24位的AD转换器转换成24位的二进制数，最后通过DOUT,PD_SCK两管脚送到单片机处理。2.4 数码管的简介本设计采用共阳极LED显示器，LED显示器采用发光二极管显示字段。单
18、片机系统中经常采用的是7段显示器，即LED显示器中有8个发光二极管，代表“a.b.c.d.e.f.g.”7个字段和一个全小数点“dp”。共阳极LED显示器的发光二极管负极接入单片机各管脚位，发光二极管的正极接上高电平时，发光二极管被点亮。使用LED显示器时，工作电流一般为5-10mA/段，当LED处于全亮状态时，工作电流约为40-80mA左右，通常将控制LED显示字符的8位数据称之为段选码。设计中用到的是HSN-5642S型号的四位共阳数码管。四位共阳数码管引脚如图2-6所示： 图2-6（a） 四位共阳数码管引脚图 （b） 共阳极第三章 硬件部分3.1设计概述本系统是以STC89C52RC单片
19、机作为信息处理核心的智能电子称重及计价装置，适用于商场商店等称量交易场所。本系统的核心部件STC89C52RC单片机，当被称物体通过秤体传递到称重传感器，传感器随机会有力-电反应，此反应通过放大电路放大，再经过A/D转换被转换成数字信号传入单片机处理，再通过单片机重量在数码管上显示。系统原理框图如图3-1所示： 放大器AD转换器 MCUSTC89C52 显示器称重传感器 图3-1 系统的整体框图 模拟部分电路分析：首先在选择电阻的时候，我们要选择可以更大的输出电压的桥式称重传感器。当被称量物体放在电子秤称量台上时，称重传感器因物体向下的重力而产生形变，贴合在称重传感器上下两侧的电阻应变片同时产
20、生形变，导致电阻值发生改变，从而导致相应的电压变化。由于称重时传感器的形变是微弱的，从而使相应变化的电阻与电压的变化同样是微小。由于电压仍是十分微弱，不容易被分辨，此时就需要系统当中加入一个前置放大电路。放大AD转化部分电路分析：HX711 采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子秤而设计的 24 位 A/D 转换器芯片。通过A/D转换器的数字信号传入单片机。数字部分分析：STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C52 产品指令和引脚完全兼容。单片机处理由
21、键盘输入以及A/D转换的数字信号，结果在显示屏上显示。3.2 单片机最小系统 单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.对52系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路.下面是这个设计所采用52单片机的最小系统电路图如图3-2所示：图3-2 单片机最小系统图在智能化仪器仪表中，控制核心均为微处理器，而单片机以高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠而得到广泛应用，是设计智能化仪器仪表的首选微控制器。单片机结合简单的晶体振荡电路和复位电路即可构成单片机最小系统，它是智能化仪器仪表的基础，也是测控、监控的重要组成部分。1.复位电路如图
22、3-2，复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。复位电路通常分为两种：上电复位和手动复位。有时系统在运行过程中出现死机的情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位，而本次由于有电源开关，相当于手动复位，所以设计的电路选用上电复位。对复位电路的要求上复位电容的上电充电过程要大于2个单片机机器周期，参数上选择如图3-2，接地电阻选10k电阻，复位电容为10uF。2.晶振电路振荡电路：晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使
23、这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。震荡电路的电路图如图3-2所示。晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。参数上选择如图3-2，接地晶振为12M，电容为30P。3.3 称重传感器电路最普遍的电子秤应用桥式称重传感器实现，称重传感器的输出电压直接与放在其上的重量成比例。图3-3示出了典型的称重电桥一个具有至少两个可变桥臂的4电阻结构的电桥，所称重量引起的电阻变化可产生一个叠加在2.5 V（电源电压的一半）共模电压之上的差分电压。电桥线路如图
24、3-3所示： 图3-3 称重传感器的基本电路 它是以应变片或电阻元件作为电桥桥臂。可取R1为应变片，R1和R2为应变片或R1-R4均为应变片等几种形式。A、C和B、D分别为电桥的输入端和输出端。根据电工学原理，可导出当输入端加有电压U1时，电桥的输出电压为: 当U0=0时，电桥处于平衡状态。因此，电桥的平衡条件为R1R3=R2R4。当处于平衡的电桥中各桥臂的电阻值分别有R1、R2、R3和R4的变化时，可近似地求得电桥的输出电压为: 由此可见，应变电桥有一个重要的性质：应变电桥的输出电压与相邻两桥臂的电阻变化率之差, 相对邻两桥臂的电阻变化率之和成正比.对于平衡电桥，如果相邻两桥臂的电阻变化率大
25、小相等、符号相同 ，或相对两桥臂的电阻变化率大小相等、符号相反，则电桥将不会改变其平衡状态，即保持U0=0。如果电桥的四个桥臂均接入相同的应变片，且 = K，则有:式中，14分别为接入电桥四个桥臂的应变片的应变值。上式表明，电桥的输出电压和四个轿臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比。在电阻应变式称重传感器中，4个应变片分别贴在弹性梁的4个敏感部位，传感器受力作用后发生变形。在力的作用下，R1、R3被拉伸，阻值增大，R1、R3正值，R2、R4被压缩，阻值减小，R2、R4为负值。再加之应变片阻值变化的绝对值相同，即R1 = R3 = + R或1 = 3 = +R2 = R4 = - R或2 =
26、4 = 因此，SU = U0/U1=K (SU称为传感器系数)。称重传感器输出电压直接与放在其上的重量成比例。经过大量实验测量，我所选用的传感器参数为0.00087，即V=0.00087M （其中电压V单位为mv,质量M单位为g）。3.4信号放大与AD转换电路由于称重传感器所传播的电压信号是以毫伏计，很难能够被A/D采集，所以要在传感器和A/D转换器之间加上一个放大电路。 根据设计要求，系统要求输出的电流信号为201000mA，步进为1mA，且要求显示数值，因此，给定量的执行元件A/D转换器至少需要10位的转换精度。结合系统的设计要求，并考虑到单片机的I/O接口资源紧张等因素，最终确定选用HX
27、711量化精度能达到1/40961/1000，完全能达到设计的精度要求。HX711接口电路电路图如下图3-4：图3-4 信号放大电路 通道A模拟差分输入直接与桥式传感器的差分输出相接。由于桥式传感器输出的信号较小，为了充分利用A/D转换器的输入动态范围，该通道的可编程增益较大，为128。这增益所对应的满量程差分输入电压20mV。 HX711芯片内额稳压电路可同时向A/D转换器和外部传感器提供模拟电源。稳压电源的输出电压值（VAVDD）由外部分压电阻R1、R2和芯片的输出参考电压VBG决定，VAVDD=VBG（R1+ R2）/ R2。选择该输出电压比稳压电源的输入电压（VSUP）低至少100mV
28、。将管脚XI接地，HX711将自动选择使用内部时钟振荡器，并自动关闭外部时钟输入和晶振的相关电路。这种情况下，典型输出数据速率为10Hz。3.5显示电路 四位数码管分别与单片机的P0口和P2口连接实现动态显示。位选部分千位对应单片机的P2.0口，百位对应单片机的P2.1口，十位对应单片机的P2.2口，个位对应单片机的P2.3口。单片机的P0口分别对应数码管的各个LED，单片机控制各个LED的开与关，实现数据的显示。电路图如图3-5所示：图3-5显示电路图 我们已经知道了所要使用的数码管型号及引脚缩对应的数码管同名端，P0.1到P0.7分别接数码管的a,b,c,d,e,f,g,h。由此我们可以设
29、定数码管显示的数字对应的段码如下表3-1：01234567890xC00xF90xA40xB00x990x920x820xF80x800x90表3-1 数码管显示的数字对应的段码3.6电源电路电源是整个系统运行能量的来源，是每个电子系统必不可少的部分。市场上的电子计价秤的电源提供方式大致分为两类：电池供电与220V交流工频电供电。虽然方式不同，但最后都是转化为系统各个部分所需的直流电源。 电源电路设计：12V的直流电压，对于本设计各部分模块都采用5V的直流供电，所以需在12V与系统电源之间设计以7805芯片为核心的稳压电路。电源如下图3-6所示：图3-6 电源图第四章 软件部分4.1程序主框图
30、 系统的总体设计主要目标是把由桥式传感器所传播的微弱的电压信号经A/D转换器转换成数字信号，然后传入单片机，经过程序处理后，传到显示器显示重物重量。 总体设计流程图如图4-1： 初始化 A/D转化补偿值=A/D转化值 显示重量个十百千分离 显示为零 读取重量补偿值=A/D转化值+1是否小于补偿值是否按键NYYN 图4-1系统总流程图4.2 A/D数据采集框图 A/D数据采集子程序主要是采集压电传感器的输出小信号，前24个ADSK脉冲采集24位串行二进制数据，接下来的13个ADSK脉冲选择下次A/D采集的通道和增益，本设计采用1个ADSK脉冲，选择通道A，增益为128。其流程图如图4-2所示。
31、开始 读取重量 计算重量 显示数据 结束 分解数据 重量为零是否小于 补偿重量YN开始2q / L462q / Lh-1h-12q / L462q / Lh-1h-12q / L462q / Lh-1h-12q / L462q / Lh-1h-12q / L462q / Lh-1h-12q / L462q / Lh-1h-12q / L462q / Lh-1h-12q / L462q / Lh-1h-1A/D端口初始化46x =1H / m46x =1H / m46x =1H / m46x =1H / m46x =1H / m46x =1H / m46x =1H / m46x =1H / m选
32、择下次采集通道和增益x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8输出数据编码x = 0x = 0.4xH / mH / mH / mH / mx = 0.4x = 0x = 0.4xH / mH / mH / mH / mx = 0.4返回x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x =1x =1x =1x =1x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x =1x =1x =1x =1采集24位串行数据x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8
33、x = 0.8 图4-2 A/D数据采集子函数流程图 图4-3重量取读显示流程图 4.3重量显示框图A/D转换器就执行模数转换工作，是数据处理部分的核心。主要分为启动、读取数据、延时等待转换结束、读出转换结果、存入指定内存单元、继续转换或退出几个步骤。HX711,通道 A 模拟差分输入可直接与桥式传感器的差分输出相接。由于桥式传感器输出的信号较小，为了充分利用 A/D 转换器的输入动态范围，该通道的可编程增益较大，为 128 。这些增益所对应的满量程差分输入电压分别20mV 。共模电压应大于1V.重量取读显示流程图如图4-3所示。 4.4按键处理框图因为单片机读取端口的数据很快，很多时候非正常
34、触动也会被单片机识为有按键按下来处理，解决这个问题一般通过软件消抖的方法，流程图如下图4-4。 按键扫描 延时10MS 处理 退出是否有键按下是否有键按下YYNN重复4次显示四位 数码管关第一个LED开第一个LED 延时将显示存储第一个数赋值给P0 图4-4按键处理流程图 图4-5 显示流程图4.5 数码管显示框图 动态显示相关概念： 所谓动态显示，实质上就是各个不同的LED显示器按照一定的顺序轮流显示。它利用了人眼的“视觉暂留现象”，只要多个LED显示器的选通扫描速率足够快，人眼就观察不到数码管的闪烁现象。显示程序流程图如图4-5所示。结束语 本次毕业设计是在指导老师徐淑明的指导下完成的。忙
35、碌了两个多月，我的毕业设计课题也终将告一段落。编译程序时点击运行，也基本达到预期的效果，虚荣的成就感在没人的时候也总会冒上心头。但由于能力和时间的关系，总是觉得有很多不尽人意的地方，可是，我又会有点自恋式地安慰自己：做一件事情，不必过于在乎最终的结果，可贵的是过程中的收获。以此语言来安抚我尚没平复的心。毕业设计，也许是我大学生涯交上的最后一个作业了。想籍次机会感谢在校期间四年以来给我帮助的所有老师、同学，你们的友谊是我人生的财富，是我生命中不可或缺的一部分。我的毕业指导老师徐淑明老师，虽然我们是在一开始，并不是非常熟悉，但他却给我不厌其烦的指导，并提供了很多与该研究相关的重要信息，培养了我们对科学研究的严谨态度和创新精神。这将非常有利于我们今后的学习和工作。在此表示衷心的感谢！ 本次毕业设计还得到了课题组的各位老师的大力协助，在此一并表示我们的感谢！参考文献1王
