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1、基于单片机的电子称设计摘 要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。本系统针对电子称的自动称重、数据处理等进行了设计和制作。为了阐明用单片机是如何对采样数据进行处理，对数据的采集和转换、计算问题进行了研究，讨论了单片机控制系统中关键的计算问题。关键词 电子称 单片机 称重传感器 Electrnoic Scale Design Based On MCUAbstract: Intelligent Electronics said the k
2、ey to SCM as the central control unit, through the weighing sensor analog-digital conversion unit, in the accompanied keyboard, display circuit and powerful software to component. Said not only accurate measurement of the electronic, fast and convenient, more importantly, automatic weighing, statist
3、ics show that by the majority of users. Intelligent Electronics said that as easy to carry, easy to use, the impact on peoples lives more and more. This system is known for the electronic automatic weighing and data processing of research. To illustrate how to use the MCU is sampling data processing
4、, data acquisition and conversion, computational problems studied. Discuss the key SCM system calculation. Key words: electronic scale MCU Load senso目 录第一章绪论11.1电子秤的研究背景11.2电子秤的现状及前景1第二章 元器件介绍22.1发光二极管22.2单片机STC89C5222.3A/D转换器32.4传感器3第三章 硬件设计43.1电子秤硬件设计方案43.2 称重传感器的选择及测量原理43.3电子秤专用24位AD转换芯片HX711及其电路
5、63.4 电原理图93.4.1单片机电路93.4.2显示电路93.4.3矩阵键盘电路103.4.4声光报警器电路113.4.5电源电路11第四章 软件编程134.1软件流程图134.2主程序14第五章 PCB印制板175.1 PCB板的设计17结束语18参考文献19致谢20附录21第一章 绪论1.1电子秤的研究背景秤是一种在实际工作和生活中经常用到的测量器具。随着计量技术和电子技术的发展，传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。和传统秤相比较，电子秤利用新型传感器、高精度AD转换器件、单片机设
6、计实现，具有精度高、功能强等特点。本课题设计的电子秤具有基本称重、键盘输入、计算价格、显示、超重报警功能。该电子秤的测量范围为0-10Kg，测量精度达到5g，有高精度，低成本，易携带的特点。电子秤采用液晶显示汉字和测量记过，比传统秤具有更高的准确性和直观性。另外，该电子秤电路简单，使用寿命长，应用范围广，可以应用于商场、超市、家庭等场所，成为人们日常生活中不可少的必需品。1.2电子称的现状及前景目前，由于电子衡器具有称量快、读数方便、能在恶劣条件下工作、便于与计算机技术相结合而实现称重技术和过程控制的自动化特点，已被广泛应用于工矿企业、能源交通、商业贸易和科学技术等各个部门、随着称重传感器技术
7、以及超大规模集成电路和微处理器的进一步发展，电子称重技术及其应用范围将更进一步的发展，并被人们越来越重视。电子衡器产品量大面广、种类繁多，从通用的各种规格的电子秤到大型的电子称重系统，从单纯的称重、计价到生产过程检测系统的一个测量控制单元，其应用领域不断地扩大。根据近些年来电子称重技术和电子衡器的发展情况及电子衡器市场的需求，电子秤的发展动向为：小型化、模块化、智能化、集成化；其技术性能趋向于速率高、准确度高、可靠性高；其应用性趋向综合性、组合性。 第二章 元器件介绍2.1发光二极管发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光
8、，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。 发光二极管的反
9、向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R可用下式计算：R（EUF）IF式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流。发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极。有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子
10、设备中用作信号显示器。把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示09十个数目字。2.2单片机STC89C52STC89C52是一种低功耗，高性能CMOS8位控制器，具有8K在系统课编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提高灵活超有效的解决方案。具有以下标准功能：8K字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，另外STC89X52可降至0Hz静
11、态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。2.3A/D转换器模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信
12、号相对于参考信号的大小。2.4传感器传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。第三章 硬件设计3.1电子秤硬件设计方案单片机电子秤硬件设计方案如图3-1所示：图3-1 单片机电子秤硬件方案称重传感器感应被测重力，输出微弱的毫伏级电压信号。该电压信号经过电子秤专用模拟/数字（A/D）转换器芯片hx711对传感器信号进行调理转换。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，内
13、置增益控制，精度高，性能稳定。HX711芯片通过2线串行方式与单片机通信。单片机读取被测数据，进行计算转换，再液晶屏上显示出来。矩阵键盘主要用于计算金额。当被测物体重量得到后，用户可以通过矩阵键盘输入单价，电子秤自动计算总金额并在液晶屏显示。电源系统给单片机、HX711电路及传感器供电。3.2 称重传感器的选择及测量原理传感器是测量机构最重要的部件。称重传感器本身具有单调性，其主要参数指标是灵敏度、总误差和温度漂移。(1) 灵敏度称重传感器的电灵敏度为满负荷输出电压与激励电压的比值，典型值是2mV/V。当使用2 mV/V灵敏度和5 V激励电压的传感器时，其满度输出电压为10 mV。通常，为了使
14、用称重传感器线性度最好的一段称重范围，应当仅使用满度范围的三分之二。因此满度输出电压应当大约为6mV。当电子秤应用于工业环境时，在6mV满度范围内测量微小的信号变化并非易事。(2) 总误差总误差是指输出误差和额定误差的比值。典型电子秤的总误差指标大约是0.02%，这一技术指标相当重要，它限制了使用理想信号调节电路所能达到的精确度，决定了ADC分辨率的选择以及放大电路和滤波器的设计。(3) 漂移称重传感器也产生与时间相关的漂移。目前常用的称重传感器有电阻应变式压力传感器、电容压力传感器、压电式压力传感器。选用时应按稳定行、精度登记、寿命和安装环境要求考虑，其主要特点如下：(1) 电容式压力传感器
15、稳定性较差，精度和灵敏度较高，寿命较短，对环境要求苛刻，不易长距离传输。(2) 压电式压力传感器稳定性好，精度和灵敏度高，寿命长，但大量程的压力传感器尚待进一步研究。(3) 电阻应变式压力传感器稳定性较好，精度和灵敏度较高，寿命较长，对测量环境要求不太严格。综上所述，选用电阻应变式压力传感器作为电子秤称重传感器是最为合适的。电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片（转换元件）受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，供后续电路测量和处理。电阻应变式传感器测
16、量原理如图3-2所示。图3-2 电阻应变式传感器测量原理当垂直正压力P作用于梁上时，梁产生形变，电阻应变片R1、R3受压弯拉伸，阻值增加；R2、R4受压缩，阻值减小。电桥失去平衡，产生不平衡电压，不平衡电压与作用在传感器上的载菏P成正比，从而将非电量转化成电量输出。R1、R2、R3和R4组成惠更斯电桥，将2对电阻应变片的阻值变化转变成输出电压，其工作原理如图3-3所示。 图3-3 测量电桥原理3.3电子秤专用24位AD转换芯片HX711及其电路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。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片
17、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 则为固定的32 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
18、复位功能简化了开机的初始化过程。 HX711内部方框图如图3-4所示。其外部管脚如图3-5所示。图3-4 HX711内部方框图图3-5 HX711外部管脚图图3-5为HX711芯片应用于计价秤的一个参考电路图。该方案使用内部时钟振荡器(XI=0)，10Hz的输出数据速率(RATE=0)。电源（2.75.5V）直接取用与MCU 芯片相同的供电电源。通道A与传感器相连，通道B通过片外分压电阻与电池相连，用于检测电池电压。 本课题设计的HX711电路如图3-6所示：图3-6 HX711电路 3.4 电原理图3.4.1单片机电路本课题设计的电子秤的单片机应用电路如图3-7所示：图3-7 STC89C5
19、2单片机电路图中DOUT和PDSCK为单片机与HX711的AD转换电路交换数据的通信线。beep为蜂鸣器报警信号线，alert为报警灯信号线，RXD和TXD为串口通信线，也可以用于单片机程序的串行ISP下载。 3.4.2显示电路图3-8 LCD显示电路液晶屏电路如图3-8所示。LCD_CS、LCD_RES、LCD_RS、LCD_SDA、LCD_SCK为液晶模块与单片机接口的控制线。CS_ZK、SCK_ZK、SO_ZK和SI_ZK为字库和单片机接口的控制线。该液晶为晶讯联公司的128*64汉字屏JLX12864G-086-PC显示信息。该显示模块既可以当成普通的图像型液晶显示模块使用（即显示普通
20、图像型的单色图片功能），又含有JLX-GB2312 字库IC，可以从字库IC 中读出内置的字库的点阵数据写入到LCD 驱动IC 中，以达到显示汉字的目的。3.4.3矩阵键盘电路矩阵键盘电路如图3-9所示：图3-9 矩阵键盘电路图中4*4矩阵键盘可以显示0-9数字、小数点和五个功能键。键盘行扫描信号为ROW1ROW4，列扫描信号为COL1COL4。行信号为输入信号，低电平有效；列信号为输出信号。当没有键按下时，即使行扫描输入低电平信号，列信号仍为高电平；当行扫描为低电平并且有键按下时，相应的列输出低电平。该低电平信号可以定位至按下键的位置。3.4.4声光报警器电路声光报警电路如图3-11所示。图
21、3-11 声光报警电路当测量重量超过量程时，beep和alert给出低电平信号，驱动蜂鸣器鸣响，报警灯亮。3.4.5电源电路本设计采用USB接口供电，电源电压5V。同时，USB接口通过内含PL2303芯片的转换电路对单片机进行程序编写。其电路原理如图所示。图3-12 供电及程序下载电路第四章 软件编程4.1软件流程图本设计主程序使用了定时器，用来实现每0.5秒称重一次的功能，流程图如图4-1所示。键盘扫描程序如图4-2所示。 图4-1 时钟中断程序流程图 图4-2 键盘扫描程序流程图主程序软件流程如图4-3所示。 图4-3 主程序流程图 4.2主程序#include #include #inc
22、lude #include lcd.h#include hx711.h#include keyboard.h/定义量程系数#define RATIO 1287/1000 /1574/1000 /2114/1623/定义标识volatile bit FlagTest = 0;/定时测试标志，每0.5秒置位，测完清0volatile bit FlagKeyPress = 0; /有键按下标志，处理完毕清0volatile bit FlagSetPrice = 0; /价格设置状态标志，设置好为1。sbit LedA = P22; /管脚定义 sbit beep = P10;sbit alert =
23、 P11;int Counter; /显示用变量uchar idata str16 = 000000;int i, iTemp; /称重用变量unsigned long idata FullScale; /满量程AD值/1000unsigned long AdVal; /AD采样值unsigned long weight; /重量值，单位gunsigned long idata price; /单价，长整型值，单位为分 unsigned long idata money; /总价，长整型值，单位为分uchar keycode; /键盘处理变量uchar DotPos; /小数点标志及位置voi
24、d int2str(int, char *);void Data_Init();void Port_Init(); void Timer0_Init();void Timer0_ISR () ;void INT1_Init();void KeyPress(uchar);void To_Zero();void Display_Price();void Display_Weight();void Display_Money();void int2str(int x, char* str) /整型转字符串的函数，转换范围0-65536 int i=1; int tmp=10; while(x/tmp
25、!=0) i+; tmp*=10; tmp=x; stri=0; while(i1) str-i=0+(tmp%10); tmp/=10; str0=tmp+0; void To_Zero() FullScale=ReadCount()/1000; price=0;void Display_Price() unsigned int i,j; display_GB2312_string(5,44, ); i = price/100; /得到整数部分 j = price - i*100;/得到小数部分 int2str(i,str1); /显示整数部分 if (i=1000) display_GB2
26、312_string(5,44,str1); else if (i=100) display_GB2312_string(5,52,str1); else if (i=10) display_GB2312_string(5,60,str1); else display_GB2312_string(5,68,str1); display_GB2312_string(5,76,.); /显示小数部分 int2str(j,str1); if (j=10) display_GB2312_string(3,60,str1); else display_GB2312_string(3,68,str1);
27、display_GB2312_string(3,76,.); int2str(j,str1); if (j10) display_GB2312_string(3,84,00); display_GB2312_string(3,100,str1); else if (j999999) /超出显示量程 display_GB2312_string(7,44,-); return; i = money/100; /得到整数部分 j = money - i*100;/得到小数部分 int2str(i,str1); /显示整数部分 if (i=1000) display_GB2312_string(7,4
28、4,str1); else if (i=100) display_GB2312_string(7,52,str1); else if (i=10) display_GB2312_string(7,60,str1); else display_GB2312_string(7,68,str1); /显示小数点 display_GB2312_string(7,76,.); /显示小数部分 int2str(j,str1); if (j= 200) FlagTest = 1; Counter = 0; /按键响应程序，参数是键值/返回键值：/ 7 8 9 10(清0)/ 4 5 6 11(删除)/ 1
29、2 3 12(未定义)/ 14(未定义) 0 15(.) 13(确定价格)void KeyPress(uchar keycode) switch (keycode) case 0: case 1: case 2: case 3: case 4: case 5: case 6: case 7: case 8: case 9: /目前在设置整数位，要注意price是整型，存储单位为分 if (DotPos = 0) /最多只能设置到千位if (price0x8000) weight=0; weight=10000*weight/FullScale; weight=weight*RATIO; /如果
30、超量程，则报警 if (weight = 10000) beep = 0;alert = 0;display_GB2312_string(3,60,-);display_GB2312_string(7,44,-); /如果不超量程 else beep = 1;alert = 1;/显示重量值 Display_Weight(); /如果单价设定好了，则计算价格 if (FlagSetPrice = 1) money = weight*price/1000; /money单位为分 /显示总金额 Display_Money(); else display_GB2312_string(7,44, );
31、 /清测试标志 FlagTest = 0; /获取按键 keycode = Getkeyboard(); /有效键值0-15 if (keycode16)&(FlagKeyPress=0) FlagKeyPress = 1; KeyPress(keycode); FlagKeyPress = 0; delay(20); 第五章 PCB印制板5.1 PCB板的设计印制电路板的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局、内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。优秀的版图设计可以节约生产成本，达到
32、良好的电路性能和散热性能。简单的版图设计可以用手工实现，复杂的版图设计需要借助计算机辅助设计（CAD）实现。图5-1 PCB板结束语智能电子秤以具有良好的可靠性、准确性、技术先进性和结构简单等特点，受到广大用户的青睐。在商业活动中用途越来越广，给人们的经济生活带来了便利。采用A T 89C52 单片机设计的电子计重秤, 无论是计量精度, 还是稳定性都满足国家对 级电子秤的要求, 它具有较好的标定校准方法, 性能稳定, 操作简单, 价格低廉。同时通过硬件的少量扩展和软件的修改, 能设计出性能优越的计价秤、电子台秤等, 满足各行各业对现代电子衡器的需求。电子称重技术是现代称重计量和控制系统工程的重
33、要基础之一。近年来，随着计算机和称重传感器技术的迅速发展，现代科学技术的相互渗透，电子称重技术及应用又有了新发展。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想多参数测量发展特别是对快速称重和动态称重的研究与应用，已为世界各国所关注。可以说电子称重技术的发展水平，已成为衡量一个国家科学技术水平和工业发达程度的重要标志之一。 参考文献1 丁元杰，单片微机原理及应用北京：机械工业出版社，20102 宋文续，扬帆传器与检测技术北京：高等教育出版社，20053李群芳，肖看单片机原理与应用北京清华大学出版社，20054朱承高，电工及电子技术手册北京高等教育出版社，20055高峰，单片微型应用系统设计及实用技术北京机械工业出版社，20046 李朝清，单片机原理及接口技术北京：北京航空航天大学出版社，20107刘守义,单片机应用技术西安电子科技大学出版社，20088 任元，吴勇， 常用电子元器件简明手册 北京：工业
