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浙江科技学院信息与电子工程学院 2014 届本科毕业设计（论文） - - 摘要摘要 设计一个基于单片机的电子秤。这个系统的核心部件是 STC89C52 单片机。 这个电子秤的主要分硬件和软件部分，硬件电路构成有测量电路模块，差放电路 模块，A/D 转换模块，单片机模块、显示模块。测量电路利用传感器将物体的重 量信号转换成相应大小的电信号，之后这个电信号会经过差动放大电路使这个电 信号的电压值放大到可以被 AD 转换模块正确而且快速的识别处理，放大之后经 过 AD 转换变成数字信号每个信号对应一个物体的重量，最后这个信号流经单片 机进行信息处理再从显示屏显示输出。系统通过读取矩阵键盘输入的数字显示总 价和单价，并可以储存 5 次称重的数据。这些硬件电路配合软件部分经过调试外 加测试，这系统各个性能目标已达到设计要求，可以投放使用。 关键词：单片机；传感器；液晶显示屏 浙江科技学院信息与电子工程学院 2014 届本科毕业设计（论文） - I - ABSTRACT Design a microcontroller based electronic weigher.Core components of this system is STC89C52 microcontroller.The main points of this electronics hardware and software components,measuring circuit has a circuit configuration of hardware modules,differential amplifier circuit module, A / D converter module, microcontroller module, display module.Measured by a sensor circuit to convert the weight signal into an electrical signal corresponding to the object size,after this the electrical signal through the differential amplifier circuit so that the voltage value of the electrical signal is amplified to the AD converter module can be correctly and fast recognition process,then amplification through the AD converter into a digital signal for each signal corresponds to the weight of an object,this signal flow through the microcontroller for information processing and then output from the display.System by reading the digital display matrix keyboard input price and the price,and can store five times the weighing data.These hardware with the software part of the circuit after commissioning additional testing,this system has various performance goals to meet the design requirements,able to put to use. Keywords: microcontroller；Sensor；Display 浙江科技学院信息与电子工程学院 2014 届本科毕业设计（论文） - II - 目录目录 摘要I ABSTRACTII 目录.III 第 1 张 引言.1 1.1 背景.1 1.3 设计指标.2 1.4 电子秤原理.2 1.5 设计思路.3 第 2 章 系统方案分析与选型.4 2.1 传感器选择.4 2.2 放大和 A/D 转换电路选择4 2.3 显示电路选择.4 第 3 章 电子秤系统的硬件设计.6 3.1 单片机模块.6 3.1.1 功能特点6 3.1.2 单片机引脚定义6 3.2 传感器模块.8 3.3 AD 转换模块.10 3.3.1 HX711 介绍 10 3.3.2 AD 采样电路 12 3.4 键盘输入模块.12 3.5 显示模块.13 3.6 声光报警模块.14 第 4 章 系统软件设计和调试.16 4.1 软件简述.16 4.2 程序流程图.16 4.3 下载程序.17 4.4 上电运行18 4.5 键盘操作说明.18 浙江科技学院信息与电子工程学院 2014 届本科毕业设计（论文） - III - 4.6 常用使用步骤.18 4.7 调试系统.18 总结.20 致谢.21 参考文献.21 附录一 电子秤总原理图.22 附录二 主程序.23 浙江科技学院信息与电子工程学院 2014 届本科毕业设计（论文） - 0 - 第第 1 张张 引言引言 1.1 背景背景 称量技术从古代就被人们所注重，做为一种计量手段，普遍用于工业、农业、 科研、交通运输等方方面面，与百姓的生活牢牢的连接在一起。电子秤是一种衡 器，衡器是国家法定的计量仪器，是人民生活中必须的的设备。衡器产品的技术 水平的高低，将很大程度地影响各个行业的工作效率和效益。称量仪器不只能够 测量显示重量，而且也是工业控制和贸易管理系统中不可分割的部分，它推动了 整个产业生产的自动化和现代化，起到了缩小了作业时间、下降能源损耗、提高 产品质量和强化企业管理、改良经营管理等多个方面的功用。称重装置的应用已 普遍到国民经济的方方面面，或得了明显的功效。电子秤是称量工具中的一种新 式仪器，普遍使用在各个方面。电子秤与机械秤相比较有很多的优势，可在给类 不同环境下正常工作，重量信号可远传，重量显示数字化，容易和个人计算机联 网使用，到达生产过程的自动化，提高劳动效率。例如，在超市的应用的电子标 签我们肯定已经听说了。一张小小的标签包扩了：价格、品名、重量等一些重要 信息，全部列在这小小的标签上，使用电子标签的大大加快销售速度，页方便了 客户的使用。顶尖条型码标签称有着许多的优秀的功能比如使用了物联网技术， 网络传输功能使管理更加简便。因此称量技术的研究和衡器产业的发展每个国家 都非常的重视。50 年代中期电子技术的插足，加快了衡器产业的成长。自从 60 年代初发明了机电联合式电子衡器以来，伴随科技的快速发展壮大，微电子和计 算机等当今电子科学技术的成就给传统的电子衡器产业带来了强大的冲击和影响。 经过 50 多年的改进和完善，衡器技术在不断的前进。从全球的衡器技术看，其 曾经经过了 4 个阶段，从传统的全数由机械式元件组成的机械称到用电子元件替 代了一部分机械元件的机电联合秤，再从集成电路到当今的单片机设计的电子秤。 我国电子衡器的发展已近告别了机械称的年代买进了电子称量的年代了。当今电 子称量技术的获得了崭新的发展，称量技术从静态称量向动态称量转型；称量方 法从模拟称量向数字称量发展；衡量标准从单参数测量向多参数测量转型，一般 的测量仪器和控制系统被更先进技术含量跟高的仪表所取代，使得传统的电子衡 量仪表在作用范围、精度及自动化程度等方面发生了庞大的转变，并出现了种种 智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化水平得以明显的提高。 浙江科技学院信息与电子工程学院 2014 届本科毕业设计（论文） - 1 - 1.2 研究内容研究内容 首先通过称重传感器称量检测到被称物体的重力并将它转变陈电信号。但是 由于输出的电信号常常非常的小，必须进过电压或者电流的前级放大处理，当然 必须要做到线性放大。经过处理后点电信号在通过 AD 转换电路，将模拟信号转 化数字信号，在通过微控制器即单片机将这些数字信号和用户在键盘中输入的信 号一起做综合性处理，从而得到想要到得数据通过显示屏显示出来，方便用户查 看。这个系统的硬件电路就可以分为以下几个部分：数据采集模块，信号放大和 模数转换部分，中央处理部分，人机界面显示和输入部分。一个称重传感器构成 了数据采集模块，信号放大和转换模块主题是由一个 AD 转换器和一个差分放大 器构成，中央处理模块就是一个单片机芯片，单片机在根据烧写的软件外加键盘 输入模块输入的信号综合处理到的数据，然后显示模块即显示屏显示处理完成的 内容。另外为了保护电子称，称重时由于物体过重导致，秤的寿命减少或者坏掉， 外加了超重报警功能。 1.3 设计指标设计指标 （1）单片机类型的选择，显示模块和模数转换模块的选择和调试； （2）将传感器得到的模拟信号经过 AD 转换器转变成数字信号，称重的显示 的重量的最小单位是 0.001kg(整体误差基本小于1%左右)，并且可以根据用户 设定的单价自动计算总金额并且显示在显示屏上。更快的刷新当前的重量，从而 使用户能够放上称重物体就能读出重量； （3）这个系统的难点就是咋么确保 AD 转换和转换后对应的重量数值的正确 性; （4）用户自己手动设置所称物体单价，根据单价计算出当前重量的总价; （5）方便用户使用加上上电去皮除皮，归零等一些扩展功能; （6）当所称物体大于这个传感器的的重量的时候声光报警器将会报警，提 示用户被测物体过重，以免损害传感器; 1.4 电子秤原理电子秤原理 当一个物体被放置在为电子秤的称重传感器上，其重量将通过物体所受到的 重力传递到称重传感器上，随后传感器的应变片发生形变从而使电阻改变最后导 致输出的电流或电压也随之改变，该电信号和称重物体的重量有一定的函数关系 浙江科技学院信息与电子工程学院 2014 届本科毕业设计（论文） - 2 - （成线性关系） 。这个信号在经过放大电路放大数倍（原来由于信号太微弱，A/D 转换器无法识别放大之后就能正确识别） ，经过滤波电路去掉噪声干扰，滤波之 后由 A/D 转换器进行转换，再由中央处理器单片机对转换后的数字信号进行判断， 分析，处理，然后发送到显示电路上显示出来。 1.5 设计思路设计思路 根据电子秤的原理大致可以分为三个大的模块，数据采集模块（物体重力， 传感器，放大电路，A/D 转换） ，控制器模块（单片机）和人机交互模块（显示屏， 键盘，pc 机） ，如图 2.1。 从称重传感器和信号前级放大和滤波到 A / D 转换器部分为数据采集模块。 在测量期间，由称重传感器来测量物体的重量然后转换成电信号（这个信号的电 压值和物体受到的力成线性关系） ，再通过前级处理把来自传感器的信号经过放 大和滤波，被放大滤波后的电信号，通过模数转换器（由于信号的电压值和物体 的重量是称线性关系，所以这个模式转换器输出的数值量在点单片机中的编程也 比较简单，以后的校准调试也比较方便）转换为数字信号。 控制器模块是将采集到的数字信号和人机界面中得到的信号通过处理模块 （单片机）综合处理从而计算物体的重量和所需金额的判断和显示。这一块的软 件设计要求相对来说比较高的，大部分系统的功能将需要软件来完成和实现。 液晶显示屏和键盘构成了人机交互界面。这个界面可以显示重量信息和用户 直接个单片机机输指令，整个系统正确高效的运行。 图图 2.1 系统整体框图系统整体框图 浙江科技学院信息与电子工程学院 2014 届本科毕业设计（论文） - 3 - 第第 2 章章 系统系统方案方案分析与选型分析与选型 2.1 传感器选择传感器选择 在设计中，传感器是一个十分重要的元件，因此对传感器的选择也显的特别 的重要，不仅要注意其量程和参数，还有考虑到与其相配置的各种电路的设计的 难以程度和设计性价比等等。 传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、 可能产生的最人偏载及动载等因素综合评价来确定。一般来说，传感器的量程越 接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但在实际使用时，由于 加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等 载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿 命。传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素后，经过大量的 实验而确定的。本设计要求称重范围 0-10kg，重量误差不大于 1%。 为保证电子秤称量结果的准确度，克服传感器在低量程段线性度差的缺点。 传感器的量程应根据皮带秤的最大流量来选择。在实际工作中，要求称重传感器 的有效量程在 20%80%之间线性好，精度高。重量误差应控制存1%之间，又 考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，根据设计需要， 确定传感器的额定载荷为 10kg，允许过载为 150%F.S，精度为 0.1%，最大量程时 误差1%g，可以满足本系统的精度要求，综合考虑，本设计采用 HL-8 型电阻应 变式传感器。 2.2 放大和放大和 A/D 转换电路选择转换电路选择 由于从传感器中得到的信号很微弱，因此我们必须要提供一个放大电路。另 外从传感器中得到信号有共模干扰，所以我们得选用差分放大电路。根据这个传 感器的型号一般增益要有 100 倍左右。 A/D 转换电路是决定电子秤精度的重要模块，因此我们选用位数较高的芯片 一般大于 20 位的。最后综合考虑选用 HX711 芯片的采样周期是 0.05ms，位数是 24 为可以达到我们电子秤设计指标。 2.3 显示电路选择显示电路选择 根据要就我们这款显示电路必须可以显示中文和数字，不够一般都把汉子和 数字都转化为字符来显示，一般的数码管和液晶显示屏没有这些功能。因此我们 浙江科技学院信息与电子工程学院 2014 届本科毕业设计（论文） - 4 - 选择的显示屏是点阵显示屏。里面内带了中文汉子字库，不必要我们为汉子编程。 最后综合考虑选择 JLX12864G 这款芯片。 浙江科技学院信息与电子工程学院 2014 届本科毕业设计（论文） - 5 - 第第 3 章章 电子秤系统的硬件设计电子秤系统的硬件设计 3.1 单片机模块单片机模块 3.1.1 功能特点功能特点 STC89C52 单片机是一个低功率的微型控制器，他拥有 8K 字节的可编程内出 程序存储器。选用了超级经典的 51 内核，但也做了相当多的改动使得具备了以 前的 51 单片机不可能具有的能力。在一个单片机的芯片上，有 8 位的中央处理 器和内部程序存储器可以用来编程和执行，使的单片机能够为嵌入式控制应用系 统提供了很大的灵活性，和超有效解觉方案。这款单片机主要拥有以下这些元件 和功能：8K 字节的内部数据存储器，512 字节内部程序（进程）存储器 ，32 个 I / O 口（P0，P1，P2，P3，各 8 个） ，看门狗定时器，复位电路，四个外部中断 等等一些高效的功能。为了更好的进行数据传输选用了全双工串行口。此外，这 款单片在空闲模式下， CPU 停止工作，容许数据存储器，定时器/计数器，全双 工串行口，中断电路等都要继续保持工作状态。在掉电保护模式，数据存储器的 内容将被保护和存储，振荡器将被冻结，所有的工作都将停止，直到下一个中断 或硬件复位。 3.1.2 单片机引脚定义单片机引脚定义 STC89C52 芯片外部引脚如图 3.1 所示： 图图 3.13.1 单片机引脚图单片机引脚图 这里介绍下这个系统中要用到的单片机引脚和对应的功能： 40 脚 VCC：引脚接电源电压给整个单片机系统内部供电；; 20 脚 GND：这个引脚接地； 18 脚是 P1 口：P1 口内部由于有上拉电阻，不需要在外部再接一个上拉电 浙江科技学院信息与电子工程学院 2014 届本科毕业设计（论文） - 6 - 阻，直接可以做为输入输出口使用。在这个系统中这个 P1 口的 8 个脚和声光报 警器和模数转换器相连和一部分的液晶显示屏相连； 2128 脚是 P2 口：P2 口内部由于有上拉电阻，不需要在外部再接一个上拉 电阻，直接可以做为输入输出口使用。在这个系统中这个 P2 口的 8 个脚和液晶 显示器的的控制输入线相连，这些脚都是做输出口使用； 1017 脚是 P3 口：P3 口内部由于有上拉电阻，不需要在外部再接一个上拉 电阻，直接可以做为输入输出口使用。在这个系统中这个 P3 口的 8 个脚和 4*4 矩阵键盘的控制输出线相连，这些引脚就只做输入口使用。另外 P3 口的每个引 脚都有另外的一些功能，由于在这个系统中我们不需要用到，因此也不做多的解 释额； 9 脚是 RST ：这个脚的功能就是当受到高电平脉冲的时候使单片机的系统复 位，单片机内部的程序重头开始运行； 31 脚/ EA / VPP ：这个引脚是决定了单片机工作时的所需的程序是从哪个 程序存储器中调用的。当这个引脚接低电平的时候，表示单片机从外部程序存储 器中读取程序。这种时候一般都是所要调用的程序的大小大于了内部程序存储器 的大小。这里我们的程序还是比较小的，不需要接外部程序存储器，所以这个引 脚接高电平； 10 脚和 11 脚：这两个引脚是单片机烧写程序所需要的引脚，10 脚 RXD 负责 接收数据，11 脚负责发送数据。这两个脚就能完成单片机的程序更新和烧写功能。 18 脚和 19 脚：这两个引脚是接外部晶振电路，这个电路比较简单就是有一 个 12M 的晶振和 2 个在 22uF 左右的相同电容量的电容构成的电容； 另外一下这些引脚是这个系统没有用到的： 32 脚到 39 脚是 P0 口：P0 口的 8 个引脚由于内部有没有上拉电阻，所以 做输入输出口使用的时候必须接外部的上拉电阻。这些引脚还有一个 P1 P2 P3 口没有的功能就是可以接外部程序存储器和外部数据存储器。在这个系统中没有 必要接外部数据存储器和外部数据存储器。因此为了使结构简单点（不用接多余 的上拉电阻）就没有使用这些 P0 口； 30 ALE/PROG 脚和 29 /PSEN 脚：这 2 个引脚是外部数据存储器和外部程序存 储器工作的选通信号，这这系统没有接外部数据存储器和外部程序存储器，因此 这 2 个引脚没必要使用可以悬空。 浙江科技学院信息与电子工程学院 2014 届本科毕业设计（论文） - 7 - 3.2 传感器模块传感器模块 传感器被定义为：在一定的范围能够感应的被测量从而而自己也随之改变， 之后导致电流也随之改变当然这个改变室友规律的（和这个压力有关系）一种设 备。一般来说，传感器主要是由 2 部分组成的：敏感元件、转换元件，敏感元件 可以感受到外接细微的变化从而导致自己本身也随着这个环境变化而变化，转换 元件可以把敏感元件变化的量通过电信号的方式表现出来。这个电信好适合传输 和测量。由于现代科学技术的快速的发展令人类社会进入了信息时代。所谓的信 息时代就是人们的社会活动将主要依靠信息资源开发和获取，传输和处理等等。 而传感器的使用是自动检测和控制系统的第一道工序，是获取和检测信息的窗口， 就像人的眼睛一样。在研究和监测系统的接口位置一般都是传感器所在地，科研 和生产过程中的所有想要或得的信息，可以很容易地经过传感器或得并且将其转 换为电信号并对其进行传输和处理。因此，传感器的地位和作用是非常重要的。 电子称用到的传感器是称重传感器。称重传感器盘踞了电子秤整个系统中的 一个非常重要的位置，可以说是整个电子称的核心部件，它的性能在非常大程度 上确定了电子秤的好坏，精度和稳定性。一般情况下称重传感器产生的误差是总 误差的 50%70%，如果（如高温，高湿）等极其恶劣的环境下，该比例将会变得 更大，电子称的总误差就将变得非常的大甚至是不能使用了。 称重传感器有很多种，大体上可根据常用的几种工作原理区分开来：电阻应 变式传感器，电容式传感器，压电式传感器等等。 这个系统选用的传感器是 HL-8 型电阻应变式称重传感器其参数性能如表 3.1 所示。这种传感器是由于外部受到一个压力的影响导致内部的应变片发生了 形变从事使电阻发生改变，最后应为接入的电压发生改变所以最后输出的电信号 随着压力的变化也是线性变化。 表表3.13.1 HL-8HL-8型电阻应变式称重传感器其参数性能型电阻应变式称重传感器其参数性能 量程（KG） 3， 15 综合误差（%F.S） 0.05 额定输出零点漂移（%F.S/10） 0.15 灵敏度（mv/v） 1.00.1 零点输出（mV/V） 0.1 非线性（%F.S） 0.05 输入阻抗（） 100050 重复性（%F.S） 0.05 输出阻抗（） 100050 浙江科技学院信息与电子工程学院 2014 届本科毕业设计（论文） - 8 - 应变片是最最常用的传感检测元器件。当用应变片要检测的时候，应变片应 该牢固地连接到称量台的的表面上，由于称量台受到力而发生了改变，应变片也 将随之改变，这个电阻也就发生了变化从而导致电流和电压发生变化。在经过一 系列的放大，模数转换和信号处理最终在液晶显示屏上显示。 应变片受到外力作用发生形变，从而使电阻发生了变化这个变化可以记为 R，当让这个电阻的初始值我们记为 R，这个电阻的相对变化我们就可以记做 R/R，在满足一定的条件下，R/ R 和 是满足一下关系的： (1)K R R 所以推出 （2）RKR 由次可得 （3）RK R 1 0 从中得出电阻是线性变化的，随之电压也是线性变化的，由此得出这个电压 和形变量成线性关系，但是这个形变量和物理的重量也是称线性关系的，最后得 出电压改变是和物理的重量成线性关系。 定义: （4）RRK 这个 K 是应变片的灵敏因子。这个 K 表示被黏贴在试件表面的应变片在他的 轴向受到一个单方向的应力的时候，引起的电阻的相对变化与轴向所发生的新变 量称正比。应变片吧形变的量转化成R/R 后，但是应变片的形变一般都是很小 很小的导致电阻的变化也是很小很小的，所以在电阻只有很小的变化是难以精确 测量的，并直接处理时非常难的也很不方便。因此呢，我们必须通过一个电路来 滞后（%F.S） 0.05 绝缘电阻（M） 2000(100 VDC) 蠕变（%F.S/3min） 0.05 推荐激励电压（V）510 零点漂移 （%F.S/1min） 0.05 工作温度范围（）-10+50 零点温度漂移 （%F.S/10） 0.2 过载能力（%F.S） 150 浙江科技学院信息与电子工程学院 2014 届本科毕业设计（论文） - 9 - 提高这个相对变化量精度，一般我们都是通过惠更斯电桥吧电阻的相对变化量转 化为电信号的变化量这样可以是精度得到较大的提升。 如果在惠斯登电桥上接上 4 个应变片如图 3.2 所示 ，两个受到拉力而形变， 2 个受到压力而形变，将 2 个应变方向相同的接入到相对的桥臂上。桥臂接入 4 个相对的应变片是，务必符合下列几个前提：相邻桥臂的应变片形变状态必须要 相反，相对桥臂的应变片的形变状态一定是同样的。这些条件用一句话来说可以 被称为：“相邻相反，相对相同” 此时满足一下关系： (5) R R E R RRE R RRE U 22 0 这种差动电桥不仅仅减少了转化误差提高了精度，而且这个电路使的整个传 感器的灵敏度大大提升为一般单应变片的电路的 4 倍，而且还额外提供了一个温 度补偿功能。 图图 3.23.2 惠更斯电桥惠更斯电桥 3.3 AD 转换模块转换模块 3.3.1 HX711 介绍介绍 这个电子秤系统选用的是 HX711 模数转换芯片，HX711 利用了海芯科技有限 公司的集成电路专利技术，这是一个为了具有高精度要求的电子称所设计的专业 电子秤的 24 位的模数转换器。与同类型的其他芯片相比较，这款芯片集成了大 量的元器件和功能包括比较稳压电源，片内时钟振荡器和少许同类型的其他芯片 所需要的外围电路。这块芯片拥有很多强大的特点比如：抗干扰能力强，延时迟 浙江科技学院信息与电子工程学院 2014 届本科毕业设计（论文） - 10 - 滞时间短等等优点。使用这款芯片可以大大减少电子秤的总成本，提高电子称的 整体性能，精度和可靠性等等。这块芯片的内部结构框架图如图 3.3 所示。 图图 3.3HX7113.3HX711 内部结构内部结构 这个芯片和后续的单片机连但是其