基于单片机HX711电子称设计

泸州职业技术学院毕业设计报告简易电子秤学生姓名所在系 电子工程系班级专业 应用电子技术指导教师2016 年 12 月 20 日毕业设计任务书学生姓名 专业班级 14 级应用电子 1 班 学号设计题目 电子秤的设计与制作课题针对的职业岗位和用途 电子工程师岗位，培养学生简易电子产品的设计思路与制作能力课题所针对的职业岗位的业务和技能要求能通过网络等途径查阅专业文献资料，能阅读、理解所查阅的专业文献资料，并能将文献方案迁移、应用到到所设计的电路中；熟练制作小规模电子线路产品；工作任务及要求设计并制作一个电子秤。基本要求：1、能用简易键盘设置单价，能够同时显示重量和金额；2、重量显示：单位为克；最大称重为 500g，重量小于 50g，误差小于 0.5g，重量在 50g 以上的，误差小于 1g。扩展要求：具有去皮功能，去皮范围不超过 100g，超过所测重量时能够报警。进度安排201.6.10.20-2016.10.30 拟定毕业设计实施计划；2016.11.1-2016.11.10 确定实施方案，完成电路设计与仿真；2016.11.11-2016.11.20 购买元件，完成实物制作与调试；2016.11.21-2016.12.10 撰写论文以上内容由指导教师填写参考资料1 施汉谦，宋文敏电子秤技术M 北京：中国计量出版社， 19913 李军，贺庆之检测技术及仪表M 中国轻工业出版社4 曲波，肖圣兵，吕建平工业常用传感器选型指南M清华大学出版社5 顾理敏，宋玮 电子称M 北京：计量出版社，19826 张锡富传感器M 机械工业出版社指导教师签字教师姓名：签字： 年 月 日学生接受任务签字接受任务时间： 年 月 日签字：教研室审核意见审核意见：签字： 年 月 日院系审核意见审核意见：签字： 年 月 日摘要I摘要随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求，为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，在本设计中将智能化、自动化用在了电子秤系统中。此电子秤很大程度上满足了应用需求，具有很大的应用前景。本文在分析当前电子秤的主流设计方案的基础上，以单片机 MCS-51 系列的STC89C52 芯片为信息处理核心，提出了基于电阻应变片为传感电路的电子秤设计方案。论文详细分析了系统整体设计思路、硬件电路和系统软件的设计方法和流程。最后介绍了系统的硬件调试和软件调试方法，并给出了调试结果。关键词：电子秤、STC89C52、电阻应变片目录II目录第一章 绪论 .11.1 选题的背景和意义 .11.2 研究现状 .11.3 主要研究对象 .1第二章 总体设计方案 .22.1 设计思路 .22.2 控制模块方案论证 .22.3 A/D 转换和运放模块方案论证 .32.4 电阻应变片传感器方案论证 .42.4 电阻应变片式传感器的结构和原理 .52.5 键盘模块方案论证 .62.6 显示模块方案论证 .6第三章 电子秤硬件设计 .83.1 设计整体结构 .83.2 STC89C52 最小系统 .83.3 A/D 转换电路 .93.4 键盘电路 .123.5 显示电路 .12第四章 电子秤软件设计 .134.1 主程序的设计 .134.2 子程序的设计 .144.2.1 键盘扫描程序 .144.2.2 A/D 转换子程序的设计 .154.2.3 显示电路子程序的设计 .164.2.4 数据处理子程序的设计 .16第五章 系统调试 .185.1 软件调试 .185.2 硬件调试 .185.3 结 论 .215.4 致 谢 .22参考文献 .23第一章 绪论1第一章 绪论1.1 选题的背景和意义电子秤是日常生活中常用的称重器材，广泛应用于超市、大中型商场、物流配送中心。电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。相比传统的机械式称量工具，电子秤具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点，在外形布局、工作原理、结构和材料上都是全新的计量衡器。1.2 研究现状电子秤不仅要向高精度、高可靠方向发展而且更需向多种功能的方向发展。据悉目前电子秤的附加功能主要有以下几种:1.电子秤附加了处理机构计算机信息补偿装置可以进行自诊断、自校正和多种补偿计算和处理。2.具有去皮重显示等特种功能。电子秤有些已具备了动物称量模式即通过进行算术平均、积分处理和自动调零等方法消除上述的误差。3.附加特殊的数据处理功能。目前的电子秤有附加多种计算和数据处理功能以满足多种使用的要求。今后随着电子高科技的飞速发展电子秤技术的发展定将日新月异。同时功能更加齐全的高精度、高智能的先进电子秤将会不断问世其应用范围也会更加拓宽。电子秤的设计首先是通过电阻应变片为称重传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。经放大后的模拟电压信号经 A/D 转换电路转换成数字量被送入到主控微处理器中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。1.3 主要研究对象本文主要是设计的内容是简易电子秤，它用单片机作为处理核心，信号由电阻应变片为称重传感器感受后经放大器放大和模数转换后输入到单片机处理，1、能用简易键盘设置单价，能够同时显示重量和金额；2、重量显示：单位为克；最大称重为 500g，重量小于 50g，误差小于 0.5g，重量在 50g 以上的，误差小于 1g。3、具有去皮功能，去皮范围不超过 100g，超过所测重量时能够报警。第二章 总体设计方案2第二章 总体设计方案2.1 设计思路电子秤设计的整体方案是：传感器采集到因压力变化产生的电信号，但是一般这样产生的电信号很小，需要利用放大电路将其放大，放大的电信号再通过A/D 转换器转换为数字信号后送入到微处理器中处理，微处理器处理后输出信号控制显示器显示出来。同时还需要键盘对物品单价等信息输到微处理器内部，还需要有过载报警装置。根据本次设计要求，其整体设计方案如图 1 所示。图 1 电子秤整体设计方案图2.2 控制模块方案论证控制部分是电子秤的核心部分，它需要接收转换后的传感器信号，同时也能扫描接收到键盘的输入信号，计算价格后控制显示器的输出，当超过称重量量程时还要控制报警装置报警。主控制器可以选择单片机，也可以选择 FPGA；结合成本等综合因素，实际应用的多以单片机为主控制器。因此，本次设计我们选择了单片机控制作为主控制器。基于单片机的电子秤设计主要有以下两个方案。方案一：以单片机 STC89C52 作为主控制器：STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 的在系统可编程闪烁存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51产品指令和引脚完全兼容。片上 flash 允许程序存储器在线可编程，也适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8，PU 和在系统上可编程闪烁存储单元，使得STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。方案二：以单片机 STM32 作为主控制器：STM32 系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的。其中 STM32F1 系列有：STM32F103“增强型”系列 STM32F101“基本型”系列STM32F105、STM32F107“互联型”系列。第二章 总体设计方案3增强型系列时钟频率达到 72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为 36MHz，以 16 位产品的价格得到比 16 位产品大幅提升的性能，是 32 位产品用户的最佳选择。两个系列都内置 32K 到 128K 的闪存，不同的是 SRAM 的最大容量和外设接口的组合。时钟频率 72MHz 时，从闪存执行代码， STM32 功耗36mA，是 32 位市场上功耗最低的产品，相当于 0.5mA/MHz。从理论上讲，二者都能作为本次设计的主控器，但根据题意的要求，8 位的单片机就能满足本次设计要求，本着简单实用、高性价比的原则，我们选择了STC89C52RC 作为控制器。2.3 A/D 转换和运放模块方案论证称重传感器采集的压力信号是模拟量，且传感器应变产生的电信号也比较弱，通常只有几十 mV；单片机系统内部运算时用的都是数字量。因此对于单片机而言我们无法直接操作模拟量，必须将传感器产生的微弱信号进行放大处理，再将处理过的模拟量转换为数字量，提供给微处理器处理。模数转换器就是将输入的模拟信号转换成数字信号。现在模数转换的基本方法有十几种，常用的有计数法、逐次比较法、双斜积分法和并行转换法。由于逐次比较法模数转换具有速度快、分辨率高等特点，而且采用这种方法的 ADC 芯片成本较低。方案一：采用 ADC0832 集成芯片外加运放电路ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种 8 位分辨率、双通道模数转换芯片，其输入输出电平与 TTL/CMOS 相兼容，电源供电时输入电压在 05V 之间，工作频率为 250KHZ 转换时间为 32S ，一般功耗仅为 15mW；由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。图 3 为 AD0832 双列直插式封装引脚图。 但 ADC0832 内部没包含放大器，需在外围制作一个放大电路。如图 2 所示： C1HGND4I5O6LK7VA图 2 ADC0832 引脚图方案二：采用电子秤专用模拟/数字芯片 HX711。第二章 总体设计方案4HX711 是一款专为高精度称重传感器而设计的 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 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部件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。如图 3 所示：图 3 HX711 芯片从成本和性能方面比较，ADC0832 比 HX711 集成芯片贵，并且还需要额外的运算放大电路配合。HX711 内部集成了放大增益模块，集成度高、响应速度快、抗干扰性强，还能有效降低电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。其性价比比 ADC0832 集成芯片好，因此，本次设计我们选用了 HX711 集成芯片。2.4 电阻应变片传感器方案论证电阻应变片式传感器是以应变片为传感器元件的传感器。它具有以下优点：1.精度高，测量范围广；2.使用寿命长，性能稳定可靠。3.结构简单、尺寸小、重量轻，因此在测量时，对工件工作状态及应力分布影响小；4.频率响应特性好。应变片响应时间约为 100ns；5.可在高低温、高速、高温、强烈振动、强磁场、核辐射和化学腐蚀等恶劣环境条件下工作；6.应变片种类繁多，价格便宜。电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械形变时，它的电阻值相应发生变化。应变片式电阻传感器应用很广。本设计采用的是梁式力传感器，该第二章 总体设计方案5传感器结构简单、灵敏度高。适用于小压力测量。2.4.1 电阻应变片式传感器的结构和原理电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。由电阻应变片和测量电路两部分组成。常用的电阻应变片有两种：电阻应变片和半导体应变片，本设计采用的是电阻应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线珊上面有覆盖层，起保护作用。由变换测量电路将电阻的变化转化为电压变化后输出。如图 4 所示：图 4 实验图通常可以用电阻应变片以单臂电桥、双臂电桥和全桥的方式构成测量电路。通过实验对比三种测量电路发现，在做单臂电桥实验时，正负之间出现了比较大的误差，而在做双臂电桥以及全桥实验时，误差很小。可见是定值电阻 R2 的接入给电路带来的影响，尤其是当四个定值电阻都换成应变片的时候（全桥测量），正负的测量值几乎没有差别。从最后的结果来看，全桥的灵敏度最高，双臂次之，单臂最低。且基本呈现出以下关系，即全桥灵敏度约为双臂 2 倍，双臂约为单臂的 2 倍。这和理论值是基本相符的。可见，电桥的工作臂系数越大，则电桥的灵敏度越高。据以上比较与分析，我们选做全桥的应变片传感器。第二章 总体设计方案62.5 键盘模块方案论证键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。操作者通过键盘向系统发送各种指令或置入必要的数据信息。键盘由许多键组成，每一个键相当于一个机械开关触点，当键按下时，触点闭合，当键松开时，触点断开。单片机接收到按键的触点信号后作相应的功能处理。因此，相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号。方案一：专用芯片式设计专用键盘处理芯片一般功能比较完善，芯片本身能完成对按键的编码、扫描、消抖和重键等问题的处理，甚至还集成了显示接口功能。列如 Intel8279 是一种为8 位微处理器设计的比较成熟的通用键盘/显示器接口芯片。专用键盘处理芯片的优点很明显，可靠性高，口简单，使用方便，适合处理按键较多的情况。但在很多应用场合，考虑成本因素，可能并不是最佳选择。 方案二：矩阵式键盘设计矩阵式键盘又叫行列式键盘。用 I/O 口线组成行、列结构，按键