基于单片机的高精度电子秤设计毕业设计

I 毕业设计（论文） 题 目 ： 基于单片机的高精度电子秤设计 目 录 绪论 . 3 1.1 称重技术和称重仪器的历史发展 . 3 1.2 电子秤的组成 . 4 1.2.1 电子秤的基本结构 . 4 1.2.2 电子秤的工作原理 . 4 1.2.3 电子秤的计量性能 . 5 1.3 本论文研究主要内容 . 5 1.3.1 基本内容 . 5 1.3.2 具体要求 . 5 2 高精度电子秤系统方案设计 . 6 2.1 系统方案设计 . 6 2.2 控制器选型 . 7 2.2.1 AT89S52 管脚 说明 . 7 2.3 数据采集模块选型 . 10 2.3.1 压力传感器原理 . 10 2.3.2 压力传感器选型 . 11 2.4 调理电路选型 . 13 2.5 显示器选型 . 14 3 硬件设计 . 15 II 3.1 电源电路设计 . 15 3.2 单片机控制电路设计 . 15 3.3 显示部分电路设计 . 17 3.4 系统超重报警指示电路设计 . 17 3.5 系统按键输入电路设计 . 18 3.6 系统总电路原理图 . 19 4 软件设计 . 21 4.1 主程序流程图 . 21 4.2 系统显示部分流程图 . 21 4.3 系统按键调整部分流程图 . 22 4.4 系统程 序 . 错误 !未定义书签。 结论 . 23 谢辞 . 24 参考文献 . 25 上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 1 页 共 32 页 基于单片 机的高精度电子秤设计 摘要： 称重技术自古以来就和人们的生活息息相关，其被广泛应用于工业、农业、交通、科研、内外贸易等各个领域，因此也成为了人们生活中不可缺少的一部分。随着科学技术的发展与人类生产力的不断提高，人们对计量准确度的要求也越来越高。因此，担任绝大多数称重任务的电子秤，现在也受到越来越多的重视。称重技术的技术水平直接影响着现代化和专业水平，以及社会经济效益的提高。近年来，电子称重技术取得了突飞猛进的发展，电子称重技术也发挥着越来越重要的作用，其应用领域也在不断地扩大。特别是由于商业用电子称具有精度高 ，反应灵敏，结构简单等特点，已经被广泛应用于工业和商业贸易，轻工食品，医药和卫生等各个方面。现如今，电子称正在逐步取代目前较常使用的机械秤。这就促使电子秤的研究需要进一步的深入。 本系统的设计主要从硬件电路设计，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。 关键词： 电子称；单片机；称重传感器； HX711 High precision electronic scale design based on MCU Abstract： Since ancient times, the weighing technology is closely related with peoples lives. It is widely used in various fields of industry, agriculture, transportation, scientific research, internal and external trade. So it has also become an indispensable part of peoples lives. With the development of science and technology and the continuous improvement of human productivity, measurement accuracy requirements are also increasing. Therefore, the electronic scales which takes the vast majority of weighing tasks, has also got more and more attention. The accuracy of weighing technology requirements are increasingly high, electronic products, technology level, directly influences the level of modernization and professions to improve the economic benefits of the society. In recent years, the electronic weighing technology achieved rapid development, electronic weighing in the metrology area also plays more and more important position, and its applications are constantly expanding. Especially, because of its commercial electronic with high accuracy, senstive reaction, simple structure, etc, have been widely applied in industry and commerce trade, light food, medicine and health, etc. At present, mechanical scales are gradually replaced by electronic, this has led to the further study of electronic. Electronic scales are one of the electronic weighing instruments. The design of this system gives its elaboration from 3 parts: Hardware circuit design, software program debugging and entity weld debugging. Hardware circuit reaches data processing by the control unit which based on AT89S52， and gathers data by weighting sensor ,then makes AD transform by HX711 to the data gathered, and the transformed data then transferred to AT89S52 for display processing, at last LCD1602 would show it out steadily without twinkling 上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 2 页 共 32 页 Key words： electronic scales； MCU； weighing sensor； HX711 上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 3 页 共 32 页 绪论 1.1 称重技术和称重仪器的历史发展 称重技术自古以来就受到全世界各地区人们的重视。在古代由于没有完善的称重技术，导致在商品贸易进行时没有统一的标准 ，在各行各业的劳动生产过程中也达不到一个固定的精确度，从而制约了生产力的发展。现在称重技术已经成为了一种计量手段被广泛应用于工业、农业、交通、科研等各个领域，与我们的日常生活紧密相连。 电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是关系到国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易等等领域所不可缺少的计量设备。通常，衡器产品技术水平的高低，将会直接影响到各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。 电子秤的发展过程经历了由简单到复杂，由粗糙到精密、再由机械到机电结合、最后到全电子化、由单一功能到多功能的过程。 尤其是近 30 年以来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都已离不开电子秤。这是由于电子秤不仅能给出质量或重量的信号，而且也能作为总系统中的一个检测和控制的单元，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。 近年来，电子秤已愈来愈多地参与到数据处理和过程控制中。现代称重技术和数据系统已经成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可缺少的组成部分。随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子秤的发展奠定了基础，国外如美国、西欧等一些国家在 2 0 世纪 6 0 年代就出现了 0 .1%称量准确度的电子秤，并在 7 0 年代中期约对 75%的机械秤进行了机电结合式的电子化改造。 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，推进了工业生产和管理过程中的自动化以及现代化。称重装置能够缩短作业的时间、能够改善操作的条件、还能够降低生产材料的消耗以及能产能源的浪费、提高产品质量的同时加强企业的经营管理。称重装置的应用已经非常普遍，几乎涵盖了国民经济的各领域，并且取得了显著的经济效益。 因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。在 50 年代中期，电 子技术被应用于推动了衡器制造业的发展。 60 年代初期出现机电结合式电子衡器以来，到现在的 40 多年里，电子衡器有了很大的改变。最初，我国的的电子衡器以机电结合型为主，现如今已经被全电子型和数字智能型的衡器所取代。如今电子衡器制造技术及应用有了新的发展趋势。电子称重技术更注重动态称重，而非静态称重：计量方法也趋向于数字测量，而非模拟测量；测量特点也是向多参数测量发展，取代单参数测量。快速称重和动态称重更是成为了研究与应用的重点。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、 模块化、集成化、智能上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 4 页 共 32 页 化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。 1.2 电子秤的组成 1.2.1 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。 1.2.2 电子秤的工作原理 当被称物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，上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 5 页 共 32 页 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。 1.2.3 电子秤的计量性能 电子秤的计量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=n d (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 1.3 本论文研究主要内容 1.3.1 基本内容 设计 并制作一款基于单片机的电子秤重系统 。 1.3.2 具体要求 本课题研究的内容是以单片机 AT89S52 为控制核心，实现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、时钟五大部分组成。单片机最小系统部分主要包括AT89S52 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标志及等级 电子秤分类 分度数范围 特种准确度 基准衡器 n 100000 高准确度 精密衡器 10000 n 100000 中准确度 商业衡器 1000 n 10000 普通准确度 粗衡器 100n 1000 上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 6 页 共 32 页 据。 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 0 5Kg，重量误差不大于 0.005Kg）； 2）系统应具备输 入单价，计算总价的功能； 2 高精度电子秤系统方案设计 2.1 系统方案设计 按照本设计功能的要求，系统由 6 个部分组成：数据采集、调理电路、电源、单片机、按键和显示器部分组成，系统设计总体方案框图如 2-1 所示。 图 2-1 系统总设计框图 数据采集部分将物体的重量转换成电信号输送至调离电路； 调离电路负责 前端信号，选用放大、信号转换等措施 来增加信号采集强度； 键盘输入装置增加了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； 显示方面采用具有字符图文显示功能的 LCD 显示器。 这样 不 仅 能 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 。 数据采集 调理电路 单片机 电源 显示器 按键 上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 7 页 共 32 页 2.2 控制器选型 按照本毕业设计的要求，将采用 AT89S52 单片机作为系统的主控制器。 AT89S52 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 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许 程序存储器 在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 2.2.1 AT89S52 管脚说明 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 图 2-2 AT89S52 引脚图 DIP 封装 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 80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上 Flash 允许 程序存储器 在系统可编程，亦适 于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统 可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash， 256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线， 看门狗定时器 ， 2 个数据指针，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 ， 片内晶振及 时钟电路 。另外， AT89S52 可降至 0Hz 静态逻 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。 P0 口： P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL 逻 辑电平。对 P0 端口写 “1”时， 引脚 用作高阻抗输入。 当访问外部 程序 和数据 存储器 时， P0 口也被作为上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 8 页 共 32 页 低 8 位地址 /数据复用。在这种模式下， P0 不具有内部上拉电阻。 在 flash 编程 时， P0 口也用来接收指令 字节 ；在 程序 校验时，输出指令字节。 程序 校验 时，需要外部上拉电阻。 P1 口： P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， p1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。 此外， P1.0 和 P1.1 分别作 定时器 /计数器 2 的外部计数输入（ P1.0/T2）和 定时器 /计数器 2 的触发输入（ P1.1/T2EX）。 在 flash 编程 和校验时， P1 口接收低 8 位地址字节。 引脚 号第二功能： P1.0 T2（ 定时器 /计数器 T2 的外部计数输入），时钟输出 P1.1 T2EX（定时器 /计数器 T2 的捕捉 /重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在 系统编程 用） P1.6 MISO（ 在系统编程 用） P1.7 SCK（ 在系统编程 用） P2 口： P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 输出缓冲器能驱动 AT89S52 引脚图 PLCC 封装 4 个 TTL 逻辑电平。对 P2 端口写 “1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ IIL）。 在访问外部 程序存储器 或用 16 位地址读取 外部数据 存储器 （例如执行 MOVX DPTR） 时， P2 口送出高八位上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 9 页 共 32 页 地址。在这种应用中， P2 口使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX RI）访问外部数据 存储器时， P2 口输出 P2 锁存器 的内容。 在 flash 编程和校验时， P2 口也接收高 8 位地址字节 和一些 控制信号 。 P3 口： P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， p3 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。 P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在 flash 编程和校验时，P3 口也接收一些 控制信号 。 端口 引脚 第二功能： P3.0 RXD(串行输入口 ) P3.1 TXD(串行输出口 ) P3.2 INTO(外中断 0) P3.3 INT1(外中断 1) P3.4 TO(定时 /计数器 0) P3.5 T1(定时 /计数器 1) P3.6 WR(外部数据 存储器 写选通 ) P3.7 RD(外部数据 存储器 读选通 ) 此外， P3 口还接收一些用于 FLASH 闪存 编程 和 程序 校验的 控制信号 。 RST：复位输入。当振荡器工作时， RST 引脚出现两个 机器周期 以上高电平将是 单片机 复位。 ALE/PROG：当访问外部 程序存储器 或数据 存储器 时， ALE（ 地址锁存 允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下， ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固 定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问 外部数据 存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。对FLASH 存储器 编 程 期间，该 引脚 还用于输入编程脉冲（ PROG）。如有必要，可通过对 特殊功能寄存器 （ SFR）区中的 8EH 单元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。该位置位后，只有一条 MOVX 和MOVC 指令才能将 ALE 激活。此外，该 引脚 会被微弱拉高， 单片机 执行外部 程序 时，应设置 ALE禁止位无效。 PSEN： 程序 储存允许（ PSEN）输出是外部 程序存储器 的读选通信号，当 AT89S52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个 机器周期 两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据 存储器，将跳过两次 PSEN 信号。 EA/VPP：外部访问允许，欲使 CPU 仅访问外部 程序存储器 （地址为 0000H-FFFFH）， EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位 LB1 被 编程 ，复位时内部会锁存 EA 端状态。如EA 端为高电平（接 Vcc 端）， CPU 则执行内部程序存储器的指令。 FLASH 存储器 编程 时，该 引脚上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 10 页 共 32 页 加上 +12V 的编程允许电源 Vpp，当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 Vpp。 XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 2.3 数据采集模块选型 2.3.1 压力传感器原理 最普遍的电子秤应用桥式 压力 传感器实现， 压力 传感器的输出电压直接与放在其上的重量成比例。图 2-3 是一个 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。 图 2-3 称重传感器的基本 电路 电桥线路如图 2-3 所示，它是以应变片或电阻元件作为电桥桥臂。可取 1R 为应变片、 1R 和 2R 为应变片或 1R 4R 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 IU 时，电桥的输出电压为 : 当 0OU 时，电桥处于平衡状态。因此，电桥的平衡条件为 4231 RRRR 。当处于平衡的电桥中各桥臂的电阻值分别有 1R 、 2R 、 3R 和 4R 的变化时，可近似地求得电桥的输出电压为 : 4321IO 4 KUU上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 11 页 共 32 页 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0OU 。 如果电桥的四个桥臂均接入相同的应变片，则有 : 式中， 1 4 分别为接入电桥四个桥臂的应变片的应变值。 2.3.2 压力传感器选型 系统采用 压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。 压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前 多用于加速度和动态力或压力的测量。压电器件的弱点：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。 电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。 导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换为 R/R 后，由于应变量及相应电阻变化 一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的 R/R 变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。 直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。 图 2-3 为一直流供电的平衡电阻电桥， inE 接直流电源 E： I4321 4231O URRRR RRRRU 44332211IO 4 RRRRRRRRUU上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 12 页 共 32 页 )(434211 RR RRR RE )( 4321 4231 RRRRRRRRE3421 RRRR )()()()()()( 22RRRRRRRRERRRRuoERR 图 2-4 传感器内部连接图 当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。 当忽略电源的内阻时，由分压原 理有： ADABBDo uuuu = （ 2.1） 当满足条件 R1R3=R2R4 时，即 （ 2.2） ou =0，即电桥平衡。式（ 2.2）称平衡条件。 应变片测量电桥在测量前使 电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。 若差动工作，即 R1=R- R,R2=R+ R,R3=R- R， R4=R+ R,按式（ 2.1），则电桥输出为 (2.3) 上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 13 页 共 32 页 Ek 应变片式传感器有如下特点： （ 1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。 （ 2）分辨力和灵敏度高，精度较高。 （ 3）结构轻小，对试件影响小， 对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。 （ 4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。 2.4 调理电路选型 本设计采用的是称重传感器专用模拟 /数字（ A/D）转换器芯片 HX771。 HX711 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 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。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。 上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 14 页 共 32 页 图 2-5 HX711 内部方框图 2.5 显示器选型 本设计采用 1602LCD 液晶屏作为显示模块。 1602LCD 液晶屏具有 微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点 ，且外围电路简单。 现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件 LCD 尺寸图如下图 2-4 所示： 图 2-6 1602LCD 尺寸图 LCD1602 可以显示 2 行 16 个字符，有 8 位数据总线 D0-D7，和 RS、 R/W、 EN 三个控制端口，工作电压为 5V，并且带有字符对比度调节和背光。 具体引脚说明如 表 2-1 所示。 表 2-1 LCD1602 液晶显示器引脚说明 LCD1602 液晶模块内部的字符发生存储器（ CGROM)已经存储了 160 个不同 的点阵字符图 上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 15 页 共 32 页 形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、 常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，它的读写操作、 屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。 3 硬件设计 3.1 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 3-1 所示。 图 3-1 电源接口电路 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，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。 3.2 单片机控制电路设计 系统主控电路由 AT89S52 单片机及晶振电路和复位电路组成，该电路作为整个系统功能实现的核心单元，其连接方式如图 3-2 所示 。 上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 16 页 共 32 页 图 3-2 单片机控制模块电路 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，可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线。 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 10 F 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 ,更好上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 17 页 共 32 页 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。 单片机的 31 脚（ EA）接 +5V 电源，表示允 许使用片内 ROM。 3.3 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 5 7 或 5 10 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 3-3 所示 图 3-3 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。 3.4 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 3-4 所示。 上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 18 页 共 32 页 图 3-4 报警指示电路 3.5 系统按键输入电路设计 按键输入 电路用来在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 3-5 所示。 上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 19 页 共 32 页 图 3-5 按键输入电路 电子称按键功能分配如表 3-1 所示： 7 8 9 去皮 4 5 6 清零 1 2 3 累计 0 计算 表 3-1 系统按键配置表 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。 3.6 系统总电路原理图 上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 20 页 共 32 页 上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 21 页 共 32 页 4 软件设计 4.1 主程序流程图 图 4-1 系统主程序流程图 4.2 系统 显示部分流程图 系统显示 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 3-2 所示。 上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 22 页 共 32 页 图 4-2 系统显示部分流程图 4.3 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 4-3 按键调整程序流程图 上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 23 页 共 32 页 结论 从上学期 末毕业设计的最初构想，到本学习末把构想的一点一点的细化完成，经过半年的摸索与努力，终于把毕业设计完成了。在忙于毕业设计的这一段时间，给我最大的感受是忙碌但又充实的。这次毕业设计是对我之前大学四年所学的知识的一个系统的梳理与总结，同时也是对自己所学知识的检验。尤其是这次毕业设计中对单片机与传感器技术的应用，让我了解到了自己所学的不足，通过复习与自学相结合的方式，让我对单片机以及传感器的相关知识有了进一步的掌握，对利用单片机进行控制系统的设计与开发有了切身的认识和体会，也对将来工作中所可能面临的各种问题有了一个 提前的认识和准备。 系统的分析与设计过程是对之前四年的学习生活一次很好的总结，能够让我进一步地学习和探索。控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析、系统设计、系统实施、系统运行与调试的过程来进行。尤其是系统的分析和设计，是非常辛苦的工作，但是它们同时也是一个充满乐趣的过程，看着最初的构想一步步地得到实现，自己在收获知识的同时也增加了成就感和自信心。在设计过程中，通过边学习、边实践，养成了很好的发现问题与解决问题的能力。遇到新问题需要不断地探索和努力。 此次毕业设计也是我第一次独立完成一个 耗时半年且工作量不小的任务，除了对所学知识的收获，另外也增加了我独立完成项目的经验与能力，了解了一个项目从构想到设计到实施的过程，并认识到了严格执行计划与合理的时间规划的重要性 本次毕业设计达到了很好的学以致用的目的，让我在实践的过程当中增长了知识、丰富了经验，提高了解决问题的能力。 上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 24 页 共 32 页 谢辞 四年的大学生活已经接近尾声，依稀记得刚入学时一张张陌生的脸庞略带迷茫的聚集一堂，似懂非懂地听着系主任与专业老师讲解本专业的学习重点与发展方向，但时间匆匆一晃，四年多的学习生活，随着本次论文的 完成，将划下一个完美的句号。 本次毕业设计在匡兴红老师的悉心指导和严格要求下业已完成。从最初课题的选择到不同器件的选型，直致论文的初稿与定稿都离不开匡兴红老师的努力付出，在我的毕业设计期间，匡兴红老师为我提供了许多专业知识方面的指导和一些富于创造性的建议，匡老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度使我深受感动，没有这样的帮助和关怀和熏陶，我不会这么顺利的完成毕业设计。在此向匡兴红老师表示深深的感谢和崇高的敬意！ 在临近毕业之际，我还要借此机会向在这四年中给予我诸多教诲和帮助的各位老师表示由衷的谢意，感谢他们四年来 的辛勤栽培。不积跬步何以至千里，各位任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业论文。 同时，在论文写作过程中，我还参考了有关的书籍和论文，在这里一并向有关的作者表示谢意。 我还要感谢给予过我帮助的各位同学以及我的各位室友，在毕业设计的这段时间里，你们给了我很多的启发，提出了很多宝贵的意见，对于你们帮助和支持，在此我表示深深地感谢！ 上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 基于单片机的高精度电子秤设计 第 25 页 共 32 页 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， 1999 2 中国机械工业教育协会 组编 .单片机原理与应用 .机械工业出版社， 2001 3 黄继昌 . 传感器工作原理及应用实例 A.人民邮电出版社， 1998 4 郭永贞 .数字电子技术 M.西安电子科技大学出版社， 2000 5 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， 2007 7 李广弟 .单片机基础 M,北京航 空航天大学出版社， 2001 8 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， 2004 10 张洪润 .电子线路与电子技术 M.清华大学出版社， 2005 11 童诗白，华成英 .模拟电子技术基础 M.高等教育出版社， 2006 12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