毕业设计（论文）-基于ATS8952单片机的电子秤测量系统的设计.doc

浙江财经学院本科生毕业论文（设计）此处为论文中文题目，要求居中填写主标题不超过24个汉字；可加副标题（副标题前加破折号），副标题与主标题间空一行的位置主标题：黑体，小二，居中副标题：楷体_GB2312，四号，居中阅后删除此文本框。本 科 生 毕 业 论 文（设计）题目： 基于AT89S52单片机的电子称量系统 的设计与实现学生姓名 陈哲学 号 07042001318指导教师 傅卫卫二级学院 信息学院专业名称 计算机科学与技术班 级 08计算机2班2012年4月I声明及论文使用的授权本人郑重声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下独立完成的。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果。论文作者签名： 年 月 日本人同意浙江财经学院有关保留使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。论文作者签名： 年 月 日此处为论文中文题目，要求居中填写主标题不超过24个汉字；可加副标题（副标题前加破折号），副标题与主标题间空一行的位置主标题：黑体，小二，居中副标题：楷体_GB2312，四号，居中阅后删除此文本框。基于AT89S52单片机的电子称量系统的设计与实现摘 要：该设计以51系列单片机AT89S52为控制核心，实现电子秤的基本控制功能。在设计系统时，为了更好地采用模块化设计法，分步的设计各个单元功能模块，系统的硬件部分可以分为数据采集、人机交互界面和系统电源三大部分。采用合适的压敏电阻传感器构成电桥进行重量参数到电信号的转换；采用合适的放大电路和ADC电路将电压信号调理成数字信号作为单片机系统的输入；采用16键键盘作为参数设定输入部件；采用AT89S52单片机最小系统作为数据处理部件；采用LCD作为测量参数显示部件。软件部分应用单片机C语言进行编程，实现了该设计的全部控制功能。该电子秤可以实现基本的称重功能（称重范围为03.0Kg，测量精度为5%）,并具有显示物品单价和总价功能。整个系统结构简单，使用方便，功能齐全，精度高，具有一定的开发价值。关键词： AT89S52单片机；单片机；A/D转换器；液晶显示electronic compass orientation systembased onAT89S52Abstract： The design is based on the microcontroller AT89S52 system as the core to carry out the basic control function of the electronics steelyard. While designing the system, I adopt the mold piece method to divide the hardware of the system into four parts: the minimum system, sampling circuit, I/O interface and the system power supply. The minimum system mainly includes the AT89S52 and the expanded exterior data memory. Sampling circuit is comprised of a pressure sensor, a differential measuring amplifier ADC0832 and a A/D converter LM358P. we complete the function of the key board input and the LCD manifestation. The software part applies a machine C language to carry out all control function. The electronic steelyard can weigh the scope as 03.0Kgs, and the weigh error margin is no bigger than 0.005Kgs. It also has many other functions, such as displaying the shopping detailed list, setting the date and ten kinds of unit prices of merchandise and overweighing alarm. The whole system is simple, well-found, convenient to use and has high accuracy and certain development value.Key words：AT89S52 microcontroller; A/D converter; LCD Manifestation目 录本 科 生 毕 业 论 文（设计） 基于AT89S52单片机的电子称量系统的设计与实现I1 绪论11.1课题背景11.2国内外研究现状及发展趋势11.3本文主要研究内容和章节安排22 系统分析与设计32.1电子秤称重原理介绍32.2电子秤系统描述32.3系统总体方案选择42.4单片机比较和选型52.5传感器的选择62.6显示屏的选择83系统的硬件设计与实现93.1基于AT89S52的主控电路模块93.2前端信号处理电路模块93.3显示输出模块113.4按键模块114软件系统设计与实现124.1主程序流程图125 系统测试与分析205.1 测试流程20 5.2 测试结果206 结束语21参考文献22附录 程序清单231 绪论1.1 课题背景电子秤是日常生活中常用的电子衡器，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。电子秤的设计首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。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电路的单片机中，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。 目前市场上使用的称量工具，或者是结构复杂，或者运行不可靠，且成本高，精度稳定性不好，调正时间长，易损件多，维修困难，装机容量大，能源消耗大，生产成本高。而且目前市场上电子秤产品的整体水平不高，部分小型企业产品质量差且技术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，有针对性地开发出一套有实用价值的电子秤系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善电子秤系统在应用中的不足之处，具有现实意义。1.2 国内外研究现状及发展趋势50年代中期电子技术的渗入推动了电子秤制造业的发展。60年代初期出现机电结合式电子秤以来，经过40多年的不断改进与完善，我国电子秤从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。电子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向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。但就总体而言，我国电子秤产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等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，其应用领域在不断地扩大。根据近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，电子衡器总的发展动向为：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、稳定性高、可靠性高；其应用性趋向于综合性、组合性。 目前市场上主流的电子秤根据使用功能的不同包括以下几个类型：电子天平、电子计数秤、电子计价秤、电子台秤、电子吊钩秤、定量包装秤以及条形码电子秤等。面对种类如此繁多的电子秤，目前市场上存在许多不合格的电子秤产品。不合格问题主要表现在以下三个方面： 1、温度试验项目不符合标准规定；2、湿热试验项目达不到标准要求； 3、抗电脉冲串试验和抗静电放电试验项目不合格。造成产品不合格的原因主要有以下几个方面12 ： 1、称重传感器的质量不达标，制约了电子秤产品整体质量的提高；2、关键元器件未进行筛选和通电老化，造成电子计价秤质量失控； 3、部分产品设计上抗干扰能力不强；4、产品检验把关不严。面对目前市场上电子秤产品的总体质量不高的局面，除了加强对电子秤产品的日常监督管理之外，还要从根本上推动技术的发展，促进电子秤产品质量的提高，更好地保护消费者的合法权盈。电子秤不仅要向高度、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、电子秤附加了计算机信息补偿处理装置，可以进行自诊断、自校正和多种补计算和夀理；2、具有犮重、净重显示等特种功能。电子秤有些已具备了动态称量模式, 即通过进行算术平均、积分处理和自动调零等方汕, 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的先进电子秤将会不断问世, 其应用范围也会更加拓宽。1.3 本文主要研究内容和章节安排 本文以电子秤的研发作为应用背景，对传感器、模数转换、单片机及其接口等技术进行了分析。全文共分为五章，各章的主要内容如下： 第一章扼要地介绍了电子秤的概念、特点与相关研究背景； 第二章论证了系统方案，包括对原理的阐述，各种优缺点的比较，属于理论分析部分； 第三章通过对各种芯片的介绍以及对电路功能的分析，对系统硬件进行了描述，给出了单片机的的控制方案； 第四章简单介绍了系统软件流程； 第五章对整个设计做了总结，归纳了存在的问题和进一步研究的方向。2 系统分析与设计22.1 电子秤称重原理介绍电子秤的工作原理：首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。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电路的单片机中，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。在实际应用中，为提高数据采集的精度并尽量减少外界电气干扰，还需要在传感器与A/D芯片之间加上信号调整电路。2.2 系统描述基于单片机的电子称量系统的设计目标是成为一个面向公众的、集多种服务于一身的开放式系统，该系统具备如下功能： (1)测量范围为0-3KG；测量精度为5%； (2)液晶显示：所称物体重量、商品单价和商品总价等； (3)具有去皮功能和金额累加计算功能； 除此之外，系统还应具备良好的可扩展性，以适应社会发展和公众需求的不断增长。 2.3 系统总体方案的选择方案一 数码管显示方案结构简图如下图所示： 图2.1 数码管显示方案此方案利用数码管显示物体重量，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机。由此设计出的电子秤系统，硬件部分简单，接口电路易于实现，并且在编程时大大减少程序量，在电路结构上只有简单的输出输入关系。缺点是：硬件部分简单，虽然可以实现电子秤基本的称重功能，但是不能实现外部数据的输入，无法根据实际情况灵活地设定各种控制参数。由于数码管只能实现简单的数字和英文字符的显示，不能显示汉字以及其他的复杂字符，不能达到显示购物清单的要求。又因为采用了具有模数转换功能的单片机，系统电路过于简单，系统硬件的扩展必受到限制，电子秤的功能过于单一，达不到设计的标准。方案二 在前一种方案的基础上进行扩展，增加一键盘输入装置，增加外界对单片机内部的数据设定，使电子秤实现称重计价的功能。 结构简图如下图所示：图2.2 带有键盘输入的结构简图此方案设计的电子秤，可以实现称物计价功能，在显示时能显示单价、购物总额以及简单的货物代码等。在显示重量时，如果数码管没有足够的位数，那么称量物体重量的精度必受到限制，所以此方案需要较多的数码管接入电路中。方案三 前端信号处理时，选用放大、A/D转换等措施，尤其在显示方面采用具有字符图文显示功能的LCD显示器。这种方案不仅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。结构简图如下图所示： 图2.3 LCD显示的方案目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出被测物体的重量。单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点。综合考虑各方面，被电子秤在具体设计时，采用了第三种设计方案。2.4 单片机比较和选型方案一：采用MSP430作为系统控制器的CPU方案。MSP430 系列单片机10是一个 16 位的单片机，采用了精简指令集（ RISC ）结构，具有丰富的寻址方式（ 7 种源操作数寻址、 4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度1。 方案二：采用FPGA（现场可编程门列阵）7作为系统的控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一快芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA的高速处理优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作1。方案三：采用ATMEL公司的AT89S52作为系统控制器的CPU方案11。AT89S52是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，基于单片机对6个单元模块进行监测和控制实行环环想连，系统更加紧密且容易控制8。同时还可提供以下标准功能： 128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路2。该单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。基于AT89S52功能完善，易于控制，技术新颖，本人拟定以AT89S52单片机作为系统控制器。2.5 传感器的选择传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。现代科技的快速发展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理，而传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知获取与检测信息的窗口；传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号。因此，传感器的地位与作用特别重要。方案一 压电传感器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。 方案二 电容式传感器电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它有结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容传感器可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。 虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素：（1）小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法至几十皮法。易受外界干扰，信号需经放大，并采取抗干扰措施。（2）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。 通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第一种方案。题目要求称重范围范围为0-3KG；测量精度为5%，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，所以传感器量程必须大于额定称重3Kg 。我们选择的是LM23-3型传感器，满足本系统的精度要求。2.6 显示屏的选择方案一 全部采用数码管显示，数码能显示时钟，以及被测物体的重量等信息。此方案显示直观，而且编程简单，但若要同时显示单价，金额售货员编号等诸多信息则需要要大量的数码管，而且不能显示中文。由此增加了电路的复杂程度，也加大了编程的难度。方案二 采用LCD液晶显示屏作为系统的输出显示。LCD液晶显示主要特点有显示质量高、功率小、数字式接口等7。因此在本系统中，我选择了LCD1602A作为系统显示屏。3 系统的硬件设计与实现3.1 基于AT89S52的主控电路模块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4。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3。主控电路图如下 图3.1 主控电路图3.2 前端信号处理电路模块LM358P放大器LM358P 是一种高增益运算放大器。其运放特点:高增益, 频率补偿, 运算 ;放大器数目:2 ;带宽:0.7MHz ;工作温度范围:0C +70C ;封装类型:DIP ;变化斜率:0.3 ;增益带宽:0.7MHz;输入偏移电压 最大:7mV ;额定电源电压, +:15V LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器， 适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工 作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益 模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 ADC0832A/D 转换芯片 ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种 8 位分辨率、双通道 A/D 转换芯片。由于它体积小，兼容性强，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。ADC0832 具有以下特点：8 位分辨率；双通道 A/D 转换；输入输出电平与 TTL/CMOS 相兼容；5V 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；8P、14PDIP（双列直插）、PICC 多种封装；商用级芯片温宽为0C to +70C，工业级芯片温宽为40C to +85C； 滤波放大电路10： 图3.2.2 信号滤波放大图3.3 显示输出模块电路中我们采用可以显示LCD1602A液晶屏，在电子称量系统中，由处理器处理数据后在液晶屏显示行驶方向，具体的电路可见图3.4.图3.4 显示输出模块电路图3.4 按键模块总体按键设置比较简单，共有16个微键按键。详细设计如图3.4。图3.4 按键模块图4 软件系统设计与实现4.1 主程序设计 主程序流程图给出了系统工作的基本过程，描述了信号的基本流向，起到一个向导的作用。图4.1 主程序流程图5 系统测试与分析为了确定系统与题目要求的符合程度，我对系统的关键部分进行了实际的测试。测试的目的是为了发现系统的错误以及不足之处，分析产生错误或不足的原因，通过对硬件器件的调整以及软件代码的修改，使得系统所能完成的功能趋于完善，与预期目标的符合程度越来越高。5.1 测试流程（1）首先在称体无负载的情况下确保显示器准确显示零；（2）然后秤台上放置不同量程内的重物，观察显示器是否准确显示重量，如有偏差，采样十五次求平均值；（3）零位稳定是影响电子秤精度非常重要的因素，因受温度或其它因素影响将引起零位不稳定，这种现象称为零漂。由于零漂的影响，零输入信号时，输出可能不为零，为消除这个零位漂移值，采用零位补偿技术，零位补偿就是把这个零位漂移值储存起来，每一数据采集时减去这个数值，得到的数值就是消除零漂的有效信号；5.2 测试结果刚开始电子秤测量误差较大，之后多次修改，现已基本能测出物体重量，误差不大于10%。制作和测量过程中还存在的一些问题如下：1、电子电路的设计中对各种影响因素的考虑不够完全，比如在对过电压情况的处理中未作防范措施。2、系统设计不够优化，有待改善。比如系统的超量程和欠量程信号直接由A/D转换器送入报警电路，没有先送入单片机处理后再送入报警电路。4、对各种硬件了解不够，选择上任有欠缺，如所选的单片机芯片，称重传感器可能不合适。5、动手能力不强，电子秤准确度不高。这些都是我以后要继续研究的内容。6 结束语本论文是在傅卫卫导师的悉心指导和热情的关怀下完成的，课题至始至终都含有