基于单片机的电子秤设计.doc

基于单片机的电子秤设计 The Design of Electrnoic Scale Based on Signle Chip Microcomputer 毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺 所呈交的毕业设计 论文 是我个人在指导教师的指 导下进行的研究工作及取得的成果 尽我所知 除文中特别加以标注和致谢 的地方外 不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果 也不包含我 为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料 对本研究 提供过帮助和做出过贡献的个人或集体 均已在文中作了明确的说明并表示 了谢意 作 者 签 名 日 期 指导教师签名 日 期 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解安阳工学院关于收集 保存 使用毕业设计 论文 的规 定 即 按照学校要求提交毕业设计 论文 的印刷本和电子版本 学校有 权保存毕业设计 论文 的印刷本和电子版 并提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其它复制手段保存论文 在不以赢利为 目的前提下 学校可以公布论文的部分或全部内容 作者签名 日 期 目 录 摘要 I Abstract II 引言 1 第一章 绪 论 2 1 1 选题目的及意义 2 1 2 电子称重系统现状 2 1 2 1 国外的研究现状 2 1 2 2 国内的研究现状 3 1 3 电子秤的计量性能 3 第二章 系统方案设计 4 2 1 系统硬件方案设计与论证 4 2 2 设计内容 5 第三章 硬件电路与电源电路设计 6 3 1 硬件电路 6 3 1 1 单片机的概述 6 3 1 2 单片机引脚功能 6 3 1 3 控制模块电路设计 7 3 1 5 按键模块电路设计 8 3 1 6 显示模块电路设计 8 3 1 7 报警电路设计 10 3 1 8 模数转换模块 11 3 1 9 压力传感器模块 12 3 2 电源电路 12 第四章 系统软件设计 13 4 1 系统应用程序组成及编译环境 13 4 2 子程序设计 13 4 2 1 称重 模数转换模块程序设计 13 4 3 主程序设计 15 第五章 实物制作与调试 16 5 1 实物制作 16 5 2 调试过程 16 致谢 18 参考文献 19 附录 20 附录 A 原理图 20 附录 B PCB 图 21 附录 C 实物工作图 22 附录 D 系统程序 23 基于单片机的电子秤设计基于单片机的电子秤设计 摘要摘要 电子秤计量准确 快速方便 更重要的是自动称重 数字显示 对人们生活的影 响越来越大 因而广受欢迎 此次设计的电子秤以单片机为中心控制单元 软硬件结合 硬件电路由控制模块 按键模块 显示模块 称重模块 模数转换模块组成 控制模块以单片机 STC89C52RC 为控制单元 实现数字信号的处理 矩阵按键模块用于单价的输入及对转换后数字信号 处理的控制 显示模块采用 LCD128X64 芯片显示数据 称重模块采用电阻应变式压力传 感器 N430 对压力信号进行采集 模数转换模块采用模数转换芯片 HX711 将压力传感 器采集到的模拟量转换成数字信号 软件部分采用 C 语言编写 对按键模块 显示模块 称重模块进行了编程 最终实现去皮 自动称重 输入单价及修改单价 计算金额的功 能 关键词关键词 电子秤 单片机 称重传感器 压力传感器 The Design of Electronic Scale Based on Single Chip Microcomputer Abstract The electronic scale measures accurately fastly and conveniently What is more important is that it can weigh automaticly and display digitally Its impact on people s lives becomes more and more large therefore it is popular The design of the electronic scale uses the single chip as its center control unit with the combination of software and hardware The hardware circuit is made up of the single chip microcomputer minimum system module keys module display module weighing module analog to digital conversion module The single chip microcomputer minimum system module uses STC89C52RC MCU as control unit and realizes processing the digital signal the matrix key module is used for the input of the unit price and the control of the converted digital signal the implementation is made up of LCD128X64 liquid crystal display modules the weighing module adopts resistance strain type pressure sensor N430 which collects the pressure signal the Analog to digital conversion module uses electronic scale special 24 bit ADC core HX711 converting the analog of the weighing sensor into digital signals The software part is written by C language programming the key module display module weighing module And realizes peeling weighing automaticly inputting and modifying the unit price and the function of calculating amount finally Keywords Electronic scale Single chip microcomputer Weighing sensor Pressure sensor 引 言 称重技术自古以来就被人们所重视 作为一种计量手段 广泛应用于工农业 科研 交通 内外贸易等各个领域 与人民的生活紧密相连 电子秤是电子衡器中的一种 衡 器是国家法定计量器具 是国计民生 国防建设 科学研究 内外贸易不可缺少的计量 设备 衡器产品技术水平的高低 将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的 提高 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 推进了工业生产的自动化和管理的现代化 它起到了缩短作业时间 改善操作条件 降低能源和材料的消耗 提高产品质量以及加强企业管理 改善经营管 理等多方面的作用 称重装置的应用已遍及到国民经济各领域 取得了显著的经济效益 电子秤是称重技术中的一种新型仪表 广泛应用于各种场合 电子秤与机械秤比较 有体积小 重量轻 结构简单 价格低 实用价值强 维护方便等特点 可在各种环境 工作 重量信号可远传 易于实现重量显示数字化 易于与计算机联网 实现生产过程 自动化 提高劳动生产率 从世界水平看 衡器技术已经经历了四个阶段 从传统的全 部由机械元器件组成的机械称到用电子线路代替部分机械元器件的机电结合秤 再从集 成电路式到目前的单片机系统设计的电子计价秤 我国电子衡器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 现今电子衡器制造技术及应用得到了新发展 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 常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器 所取代 使得传统的电子测量仪器在远离 功能 精度及自动化水平定方面发生了巨大 变化 并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统 使得科学实验和应用工程的自动 化程度得以显著提高 按照设计的基本要求 系统可分为五大模块 控制模块 按键模块 显示模块 称 重模块 模数转换模块 系统的大部分功能都需要软件来控制 此次设计的电子秤 价 格便宜电路简单 损坏后便于维修 本次设计的电子秤在实际使用时达到以下要求 1 电子秤称重范围 0 5Kg 精度 1g 2 液晶显示所称量物品的重量 输入的单价及金额 3 矩阵按键实现单价的输入与修改 第一章 绪 论 1 1 选题目的及意义 称重技术自古以来就被人们所重视 作为一种计量手段 广泛应用于工农业 科研 交通 内外贸易等各个领域 与人民的生活紧密相连 随着科技进步 电子电路和计算 机的发展给称重测量产业带来了巨大的影响 常规的称重仪器被更先进的智能称重仪器 所取代 电子称重仪器在功能和精度及自动化水平等方面有了巨大进步 使得应用工程 和科学实验等领域的自动化程度得以显著提高 作为测量重量的仪器 智能电子秤具有测量精确 反应速度快 能够实时测量和监 控的优点 其在原理和结构上取代了杠杆原理的机械式称重工具 相对机械称重仪器 电子秤具有称重精度高 体积小 应用广泛和易操作等优点 在工作原理 结构外形 布局和材料上都是全新的称量仪器 现在市场使用测量重量的仪器 质量水平低 成本高 维修困难 特别是一些小型 企业 没有健全的设备 缺乏开发能力生产的电子秤的质量差易损坏 所以针对上面的 问题设计出一套高应用价值的电子秤 从而解决这些问题 改善电子秤应用中的不足 具有现实意义 此次设计的电子秤精度高 电路简单 结构清晰便于维修 可以很大程 度上减少用户的损失 1 2 电子称重系统现状 1 2 1 国外的研究现状 随着第二次世界大战后电子技术渗入衡器制造业 在 1954 年使用了带新式打印机的 倾斜式秤 在 1960 年开发出了与衡器相联的专门称重打印机 当时带电子装置的衡器其 称量工作是机械式的 但与称量有关的显示 记录 远传式控制器等功能是电子方式的 电子称的发展过程与其他事物一样 也经历了由简单到复杂 由粗糙到精密 由机械到 机电结合再到全电子化 由单一功能到多功能的过程 特别是近 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 都离不开能输出信号的电子 衡器 这是由于电子衡器不仅给出质量或重量信号 而且也能作为总系统中的一个单元 承担着控制和检验功能 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的处理和控制过程中 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或缺的组成部分 随 着称重传感器各项性能的不断突破 为电子称的发展奠定了基础 国外如美国 西欧等 一些国家在 20 世纪 60 年代就出现了 0 1 称量准确度的电子称 并在 70 年代中期约对 75 的机械称进行了机电结合式改造 1 2 2 国内的研究现状 我国的衡器在 20 世纪 40 年代以前还全是机械式的 40 年代开始发展了机电结合式 的衡器 50 年代开始出现了以称重传感器为主的电子衡器 80 年代以来我国通过自行研 究引进消化吸收和技术改造 已由传统的机械式衡器步入集传感器 微电子技术 计算 机技术与一体化的电子衡器发展阶段 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 各种规格的电子称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 电子称的发展动向为 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 1 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 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 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 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100 n 1000 第二章 系统方案设计 2 1 系统硬件方案设计与论证 在设计系统时 针对各个模块实现的功能来设计电子秤的方案有以下几种 方案一 数码管显示结构简图如图 2 1 所示 压力传感器信号放大AD 转 换 单片机处理LED 显示 图 2 1 数码管显示 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 使电子称实现称重计价的功能 结构简图如图 2 2 所示 压力传感器信号放大AD 转换单片机处理LED 显示 按键处理 图 2 2 带有键盘输入的结构简图 方案三 前端信号处理时 选用放大 滤波 降噪等措施来增加信号采集强度 显示 方面采用具有字符图文显示功能的 LCD128X64 显示器 这种方案不仅加强了人机交换的 能力 所称量的物体的重量 单价金额等信息可以显示出来 此方案还增加了语音报读 功能 方便用户使用 结构简图如下图 2 3 所示 压力传感 器 信号放大AD 转换单片机 处理 LCD 显示 按键处 理 语音报读 图 2 3 带有键盘输入及液晶显示的结构简图 方案一的缺点是 硬件部分简单 虽然可以实现电子称基本的称重功能 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 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它的复杂字符 方案二的缺点是 局限于数码管的功能 在显示时只能显示单价 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 这样在处理输入输出接口时 需要另行扩展足够多的 I O 接口供数码管使用 比较麻烦 方案三在方案一和方案二基础上增加按键处理 LCD 显示 语音报读 可以方便实 现单价的输入与修改 LCD12864 可以显示商品单价 重量 金额信息供用户查看 语音 报读商品信息可以减免人工报读可以降低使用客户劳动量 可以避免人工报读报错增加 报读的准确性 也可以相应的扩大市场竞争力 2 2 设计内容 本次电子秤称重系统主要包括以下五个模块 控制模块 称重模块 模数转换模块 显示模块和按键模块 设计的电子秤具体工作原理如下 首先是通过压力传感器采集被 测物体的压力信号并将其转换成电压信号 输出的电压信号通常很小 需要通过前端信 号处理电路进行准确的线性放大 放大后的电压信号经模数转换转换成数字信号被送入 到主控电路的单片机中处理之后送入液晶显示 液晶显示出被测物体的单价 重量与金 额 按键模块用于单价的输入与修改及模数转换后数字信号处理的控制 本设计增加了 一个过载报警提示 当物品的重量超过压力传感器的额定值时驱动蜂鸣器报警 第三章第三章 硬件电路与电源电路设计硬件电路与电源电路设计 3 1 硬件电路 3 1 1 单片机的概述 STC89C52RC 是一种低功耗 高性能 8 位微控制器 具有 8K 的可编程 flash 存储器 使用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 内 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 STC89C52RC 可降至 0Hz 静态逻辑操作 支持 2 种可选择节电模式 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 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 位 CPU 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 因此在设计时选择了 STC89C52RC 单片机作为解决方案 STC89C52RC 具有以下标准功能 8K 字节闪烁存储 器 256 字节读写存储器 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 STC89C52 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 允许读写存储器 定时器 计数器 串口 中断继续工作 掉电保护方式下 读写存储器内容被保存 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 3 1 2 单片机引脚功能 VCC 电源 其中P1 P2 P3口作为8位具有内部上拉电阻的双向IO口 P0口用作8位漏极开路双 向IO口时要外接上拉电阻 外接存储器时 作为扩展电路低8位地址和总线复用口 另外 P3口除了作为一般的IO口外 更重要的用途是它的第二功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断0 P3 3 INT1 外部中断1 P3 4 T0 定时器0外部输入 RST 复位输入 当晶振工作时 RST 引脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复位 EA VPP 访问外部程序存储器控制信号 为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部程序存 储器读取指令 EA 必须接 GND 为了执行内部程序指令 EA 应该接 VCC 在闪烁编程 期间 EA 也接收 12 伏 VPP 电压 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 3 1 3 控制模块电路设计 单片机上电时 当振荡器正在运行时 只要持续给出 RST 引脚两个机器周期的高电 平 便可完成系统复位 外部复位电路是为提供两个机器周期以上的高电平而设计的 系统采用上电自动复位 上电瞬间电容器上的电压不能突变 RST 上的电压是 VCC 上的 电压与电容器上的电压之差 因而 RST 上的电压与 VCC 上的电压相同 随着充电的进行 电容器上的电压不断上升 RST 上的电压就随着下降 RST 脚上只要保持 10ms 以上高电 平 系统就会有效复位 复位电路的实现可以有很多种方法 但是从功能上一般分为两种 一种是电源复位 即外部的复位电路在系统通上电源之后直接使单片机工作 单片机的起停通过电源控制 另一种方法是在复位电路中设计按键开关 通过按键开关触发复位电平 控制单片机的 复位 本设计使用了第二种方法 控制模块电路如图 3 1 所示 图 3 1 控制模块电路 3 1 5 按键模块电路设计 矩阵式键盘也称行列式键盘 用于按键数较多的场合 它由行线和列线组成 一组 为行线一组为列线 按键位于行列的交叉点上 首先设置所有的行线为低电平所有列线 为高电平 当有键按下时相应列线电平被拉低 之后设置所有行线为高电平 所有列线 为低电平 当有键按下时相应的行线电平被拉低 根据以上两步便可定位是哪个键被按 下 对它赋以不同键值 在程序中可以对它设定不同功能 矩阵电路用于单价的设定与 修改 去皮 计算总价功能的控制 单片机在扫描按键过程中根据不同键值执行相应的 指令 矩阵按键电路如图 3 2 所示 图 3 2 矩阵按键电路 3 1 6 显示模块电路设计 显示由 LCD128X64 执行 带中文字库的 128X64 是一种具有 4 位 8 位并行 2 线或 3 线串行多种接口方式 内部含有国标一级 二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块 其显示分辨率为 128 64 内置 8192 个 16 16 点汉字 和 128 个 16 8 点 ASCII 字符集 利用该模块灵活的接口方式和简单 方便的操作指令 可构成全中文人机交互图形界面 可以显示 8 4 行 16 16 点阵的汉字 也可完成图形显示 低电压低功耗是其又一显著特 点 由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比 不论硬件电 路结构或显示程序都要简洁得多 且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块 基本特性 1 低电源电压 VDD 3 0 5 5V 2 显示分辨率 128 64 点 3 内置汉字字库 提供 8192 个 16 16 点阵汉字 简繁体可选 4 内置 128 个 16 8 点阵字符 5 2MHZ 时钟频率 6 显示方式 STN 半透 正显 7 驱动方式 1 32DUTY 1 5BIAS 8 视角方向 6 点 9 背光方式 侧部高亮白 色 LED 功耗仅为普通 LED 的 1 5 1 10 10 通讯方式 串行 并口可选 11 内置 DC DC 转换电路 无需外加负压 12 无需片选信号 简化软件设计 13 工作温度 0 55 存储温度 20 60 128X64 管教功能如表 3 1 所示 表 3 1 128X64 管教功能 管教号管脚名称管教功能描述 1VSS电源地 2VCC电源正 3V0对比度 亮度 调整 4 RS CS RS H 表示 DB7 DB0 为显示数据 RS L 表示 DB7 DB0 为显示指令数据 5R W SID R W H E H 数据被读到 DB7 DB0 R W L E H L DB7 DB0 的数据被写到 IR 或 DR 6E SCLK 使能信号 7DB0三态数据线 8DB1三态数据线 字符显示的 RAM 的地址与 32 个字符显示区域有着一一对应的关系 其对应关系如 表 3 2 所示 表 3 2 字符显示的 RAM 的地址与 32 个字符显示区域 80H81H82H83H84H85H86H87H 90H91H92H93H94H95H96H97H 88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH 9DB2三态数据线 10DB3三态数据线 11DB4三态数据线 12DB5三态数据线 13DB6三态数据线 14DB7三态数据线 15PSBH 8 位或 4 位并口方式 L 串口方式 16NC空脚 17 RESET复位端 低电平有效 18VOUTLCD 驱动电压输出端 19A背光源正端 5V 20K背光源负端 98H99H9AH9BH9CH9DH9EH9FH 显示电路用于显示开机画面 显示商品相应单价重量金额内容 R2用于液晶亮度的 调整 液晶显示电路如图 3 3 所示 图 3 3 液晶显示电路 3 1 7 报警电路设计 当压力传感器过载时 P17 输出低电平三极管 S8550 导通驱动蜂鸣器报警 单片机报 警电路如图 3 4 所示 图 3 4 单片机报警电路 3 1 8 模数转换模块 模数转换模块原理 HX711 是一款专为高精度电子秤而设计的 24 位模数转换芯片 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 该芯片与后端单片机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 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 引脚功能如表 3 3 所示 表 3 3 引脚功能 管教号名称性能描述 1VSUP电源稳压电路供电电源 2 6 5 5V 2BASE模拟输出稳压电路控制输出 3AVDD电源模拟电源 2 6 5 5V 4VFB模拟输入稳压电路控制输入 5AGND地模拟地 6VBG模拟输出参考电源输出 7INA 模拟输入通道 A 负输入端 8INA 模拟输入通道 A 正输入端 9INB 模拟输入通道 B 负输入端 10INB 模拟输入通道 B 正输入端 11PD SCK数字输入断电控制和时钟输入 12DOUT数字输出串口数据输出 13XO数字输入输出晶振输入 14XI数字输入外部时钟或晶振输入 15RATE数字输入输出数据速率控制 16DVDD电源数字电源 2 6 5 5V 3 1 9 压力传感器模块 通过电阻参数的变化来实现物理量测量的传感器统称为电阻式传感器 电阻应变式 传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻的变化 实现电测非电量的传感器 传感器 由在不同的弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成 当被测物理量作用在弹性元件上时 弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化 通过转换电路将阻值的变化转变成电量 输出 电量变化的大小则反映了被测物理量的大小 电阻应变片把机械应变信号转换成电阻变化后 由于应变量及其应变电阻变化一般 都很微小 既难以直接精确测量 又不便直接处理 因此必须采用转换电路把应变片的 电阻变化转换成电压变化 具有这种转换功能的电路称测量电路 电阻应变片是电阻应 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 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 综合考虑 本设计采用 N430 电阻应变式传感器 其最大量程为 5Kg 精度 1g 称重 传感器由组合式 S 型梁结构及金属箔式应变计构成 具有过载保护装置 由于惠斯登电 桥具诸如抑制温度变化的影响 抑制干扰 补偿方便等优点 所以该传感器测量精度高 温度特性好 工作稳定等优点 广泛用于各种结构的动 静态测量及各种电子仪表 3 2 电源电路 此次设计中模数转换模块需要稳定的 5V 电源 5V 电源设计原理如图 3 5 所示 220V 交流电经变压器后输出 15V 交流电 经整流桥堆整流后变成直流电 经电解电容滤 波又经 LM7805 稳压芯片稳压后变成 5V 直流电源 5V 电源电路如图 3 5 所示 图 3 5 5V 电源电路 第四章 系统软件设计 4 1 系统应用程序组成及编译环境 本系统设计采用 C 语言编程 编译环境为 Keil UV2 Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机软件开发系统 Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强 大的集成开发调试工具 全 Windows 界面 Keil C51 可以完成编辑 编译 连接 调试 仿真等整个开发流程 开发人员可用编辑器编译连接生成单片机可执行的二进制文件 HEX 然后通过单片机的烧写软件将 HEX 文件烧入单片机内 软件主要分三个方面 一是初始化系统 二是按键检测 三是数据采集 数据处理并进行显示 这三个方面的 操作分别在主程序中来进行 程序采用模块结构 这样程序结构清楚 易编程和易读性 也便于调试和修改 4 2 子程序设计 子程序分模块进行设计 这样设计结构清晰 子程序包括显示模块 按键模块 模 数转换模块 称重模块 显示模块中包块液晶读写控制及液晶初始化 按键模块包括判 断是否有按键按下及给相应按键进行赋键值 不同键值赋予不同功能 模数转换模块包 括模拟信号如何转变成数字信号及数字信号的处理 称重模块给出了不同数字信号如何 转变成相应重量值 及如何将相应重量值显示出来 去皮功能是如何实现的 子程序分 模块进行编写供其它子程序和主程序调用 4 2 1 称重 模数转换模块程序设计 HX711 是电子秤专用模数转换芯片 串行通讯线由管脚 PD SCK 和 DOUT 组成用来 输出数据 选择输入通道和增益 当数据输出管教 DOUT 为高电平时 表明 AD 转换器 还未准备好输出数据 此时串口时钟输入信号 PD SCK 应为低电平 当 DOUT 从高电平 变低电平后 PD SCK 输出 25 个时钟脉冲 代表将信号放大 128 倍 此时模数转换后的数 据由 DOUT 引脚送入单片机 HX711 可以产生 VAVDD 和 AGND 电压即 711 模块上的 E 和 E 电压 VAVDD VBG R1 R2 R2 4 1 VBG 为模块上的基准电压 1 25V R1 20k R2 8 2k 因此得出 VAVDD 4 3V 在 4 3V 供电电压下 5Kg 传感器最大输出电压是 4 3V 1mV V 4 3mV 经过 128 倍放大后 最大输出电压为 4 3mV 128 550 4mV 经过 AD 转换后输出的 24bit 数字值最大为 550 4mV 224 4 3V 2147483 程序中通过 HX711 Buffer HX711 Read 获取当前的 AD 转换值 假设重物为 AKg 测量出来的 AD 值为 y 5Kg 传感器输出 送给 AD 模块的电压为 AKg 4 3mV 5Kg 0 86A mV 经过 128 倍增益后 0 86A mV 128 110 08 A mV 转换为 24bit 数字值为 110 08 A mV 224 4 3V 429496 7296A 所以 y 为 429496 7296A 因此得出 A y 429496 7296Kg y 4300g 模数转换程序流程图如图 4 1 所示 开始 选择通道 启动 A D 转 换 读取转换值 完成转换 结束 Y N 4 1 模数转换程序流程图 4 3 主程序设计 本设计采用 C 语言编程 主程序中完成系统变量的定义及初始化过程 主程序控制 单片机执行系统开机画面的显示 之后无限循环扫描按键 根据键值调用相应子程序执 行称重 去皮 单价的输入与修改及计算总价 之后将相应的信息送入液晶显示 当重 量超过压力传感器的额定值时驱动蜂鸣器报警 主程序流程图由图 4 2 所示 是 开始 初始化 扫描按键 液晶显示 根据键值执行指令 开机画面 判断是否有键按下 是否超重 报警 否 图 4 2 主程序流程图 第五章 实物制作与调试 5 1 实物制作 在实物制作过程中遇到了很多困难起初是原理图设计工作 不同的元器件在不同的 元器件库中 需要将相应的库安装到软件中 有一些元器件库里面没有需要自己动手画 元器件画好后需要画相应元器件的封装 画封装的时候需要根据元器件的实际定义不同 引脚的位置与距离 在原图设计过程中起初不会设计矩阵按键电路和蜂鸣器报警电路 查阅资料后明白了矩阵按键电路和蜂鸣器报警电路的工作原理 最后顺利完成了原理图 的设计 原理图设计好后在设计 PCB 时在选择元器件时一定要选好元器件的封装 封装 选择不对 对元器件的调试工作存在很大影响 在此次设计中我选择的按键封装出错 导致在焊接后按键接线错误 导致第一次制作失败 焊接时要注意元器件的方向 不能 将元器件插错插反 焊接好后仔细检查一遍 之后上电调试 5 2 调试过程 元器件焊接好后 接上电源电路不能正常工作 我首先检查硬件电路设计是否出错 硬件电路没有出错于是我又仔细检查画好的 PCB 这些都没有错误 于是仔细细检查焊接 的电路 发现焊接过程中两个焊盘的距离太小 焊接时两个焊盘连在一起 用小刀将焊 盘之间的焊锡刮掉 上电后系统仍不能正常工作 我开始怀疑元器件是否已经损坏 之 后将原器件接到单片机开发板上将程序烧进去 发现元器件可以工作 仔细检查自己的 电路板 发现按键接法错误 由于画 PCB 时按键封装选择错误 导致按键四个管脚连接 在一起 用小刀把错误的电路划断后系统能够执行显示开机画面但是按键不能工作也不 能称重 比较原理图和 PCB 发现由于封装选择错误导致 PCB 制作错误 最后用跳线连接 后运行系统按键可以正常使用 系统不能执行称重 当不同的物品放在秤盘上时 显示 的重量总是 0Kg 不会改变 仔细检查压力传感器电路 没有错误 于是去检查称重模块 程序 发现由于程序中显示子程序部分没有加 0 即将要显示的数字转换成字符 添加后运 行系统 系统可以实现称重功能 系统具有单价输入与单价输错返回功能 设定可以输 入三位单价 当第一位单价输入错误时 可以执行单价输错返回 当第二三位单价输错时 单价输错返回功能失效 按键电路没有错误 所以是程序中有错 仔细检查后发现子程 序中一个变量赋值错误导致单价输错返回功能失效 修改后运行系统 单价输错返回功 能可以执行 仔细执行 检查系统的其它功能 并没有错误 结 论 随着集成电路和计算机技术的迅速发展 使电子仪器的整体水平发生巨大变化 传 统的仪器逐步的被智能仪器所取代 智能仪器的核心部件是单片机 因其极高的性价比 得到广泛的应用与发展 从而加快了智能仪器的发展 而传感器作为测控系统中对象信 息的入口 越来越受到人们的关注 传感器好比人体 五官 的工程模拟物 它是一种 能将特定的被测量信息 物理量 化学量 生物量等 按一定规律转换成某种可用信号 输出的器件或装置本次设计中的电子称就是在以上仪器的基础上设计而成的 因此 只 有充分了解有关智能仪器 单片机 传感器以及各部分之间的关系才能达到要求 经过几个月的努力 按照毕业设计进度要求如期完成了电子秤控制系统的硬件设计 任务及制作 在毕业设计的过程中 碰到了很多困难 但是在老师的指导 同学的帮助 以及自己的努力下 最终将这些困难解决了 也学到了很多东西 此次制作的电子秤最 大称重 5Kg 精度 1g 称量准确 准确度等级为中准确度 达到了商业衡器标准 且价 格便宜 结构简单便于维修 由于时间紧迫和能力不足本打算添加的语音报读功能没有 设计出来 电子秤的发展方向为 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 而且向多功能的方向发展 目前影响电子秤质量的因素有 温湿度检验项目达不到标准要求 关键元器件未进行筛选和通电老化 面对目前市场上 电子秤产品的总体质量不高的局面 除了要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提高 致 谢 作为大学四年来最后一门重要的课程 毕业设计终于在自己的辛勤努力和老师的大力 帮助下顺利完成了 一路走来 从最初的理解设计要求 查阅资料 到最后的系统调试 完成答辩 短短几周的时间里 我收获了很多 毕业设计的顺利完成 是与老师的辛勤辅导和同学的大力帮助分不开的 在此 谨 向在毕业设计中给予我帮助的指导老师致以深深地谢意和敬意 同时 我也要感谢在设 计中给予我帮助的同学 他们为我的设计出谋划策 帮我开拓思路 没有他们的帮助 我也不会很顺利地完成这次设计 他们在我的设计中所体现出来的优点和他们这种团结 的精神值得我学习和发扬 为此 我向他们表示深深地感谢 最后 特别感谢在百忙之中抽出宝贵时间对本次设计进行评阅的各位老师 由于本 人才疏学浅 能力有限 设计中难免有错误和不当之处 在此谨望各位老师提出宝贵意 见和批评指正 以期进一步提高和完善 参考文献 1 张志良 单片机原理与控制技术 M 北京机械工业出版社 2004 2 门刚 精通 ProterDXP 模块范例篇 M 中国青年出版社 2000 3 胡永生 单片机应用系统设计与实现 M 福建科学技术出版社 1998 4 毕满清 电子技术实验与课程设计 M 北京机械工业出版社 2007 5 叶致诚 唐冠宗 电子技术基础实验 M 高等教育出版社 1988 6 潘新民 王燕芳 微型计算机控制技术 M 电子工业出版社 1998 7 汤竞南 沈国琴 51 单片机 C 语言开发与实例 J 人民邮电出版社 1999 8 谭浩强 C 语言程序设计 M 清华大学出版社 2005 9 徐维祥 刘旭敏 单片微型机原理与应用 M 大连理工大学出版社 2003 10 吴义彬 继电器用户使用手册 J 国防工业大学出版社 2004 11 吴水平 温室自动喷灌控制系统设计与研究 M 湖南农业大学出版社 1993 12 明赐东 调节阀的应用 M 北京化学工业出版社 2006 13 蔡振江 单片机原理及应用 M 北京电子工业出版社 2008 14 何克忠 计算机控制系统分析与设计 M 清华大学出版社 1988 15 胡汉才 单片机原理及其接口技术 M 北京清华大学出版社 1996 16 徐惠民等 单片微型计算机原理 接口及应用 M 北京邮电出版社 2000 17 胡健 单片机原理及接口技术实践教程 M 北京机械工业出版社 2004 18 潘新民 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39 VCC 40 U1 12 S1 SW PB 10uF C3 2K R4 30pF C1 30pF C2 GND VCC GND LS1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 P3 Q1 S8550 VCC GND 300 R3 10K R2 VCC 1 2 P2 SCK GND 1 2 3 4 5 6 7 8 9 P5 排排 VCC GND GND VCC GND VCC DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 RD RS RW E RST RD RST BAOJING BAOJING DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 DOUT SCK DOUT VBUS 1 D 2 D 3 GND 4 Top J1A 1 440128 0 GND VCC RS RW E K1K2K3K4 K5K6K7K8 K9K10K11K12 K13K14K15K16 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 D1 S2 FUI WEI FUI WEI X1 X2 X1 X2 GND 1 2 3 4 5 6 7 8 P1 1 2 3 P4 P13 P14 P15 P13 P14 P15 1 2 3 4 P6 P24 P25 P26 P27 P24 P25 P26 P27 1K R1 附录 B PCB 图 附录 C 实物工作图 附录 D 系统程序 include include nop 包含 nop 函数的头文件 define uint unsigned int define uchar unsigned char IO 口定义区 sbit LCD RD P2 1 高电平并口 8 位数据 sbit LCD EN P2 6 液晶使能控制 sbit LCD RW P2 5 液晶读 写控制 sbit LCD RS P2 4 液晶读 写控制 sbit HX711 DOUT P2 7 24 位数据串行输入 sbit HX711 SCK P2 0 移位脉冲 sbit Buzzer P0 6 unsigned long HX711 Buffer 0 unsigned long Weight Maopi 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