电子秤的设计与实现

南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计 论文 学 院 电子与电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化 学 生 指导教师 完成日期 2014 年 5 月 南阳理工学院本科生毕业设计 论文 电子秤的设计与实现 Design and Implementation of Electronic Scales 总 计 25 页 表 格 0 个 插 图 17 幅 南南 阳阳 理理 工工 学学 院院 本本 科科 毕毕 业业 设设 计 论文 计 论文 电电子子秤秤的的设设计计与与实实现现 Design and Implementation of Electronic Scales 学 院 电子与电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化 学 生 姓 名 学 号 指 导 教 师 职称 评 阅 教 师 完 成 日 期 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology 电子秤的设计与实现 I 电电子子秤秤的的设设计计与与实实现现 摘 要 用单片机作为实现电子秤的中心控制单元 通过压力传感器对重力进行 A D 转换单元 再加以键盘和显示电路以及软件来实现 电子秤不仅称量准确并且快 速方便 最重要的是自动称重 数字显示对人们生活的影响越来越大 广受欢迎 本 课题由单片机作为主控制系统 称量物体重量部分包括压力传感器 A D 转换器及显 示单元 所以电子秤拥有了功能量多 性能价格比较高 功率损耗较低 控制系统方 案简单 方便携带 运行速度很快 自动测量精准及自动化等特点 关键词 重量 压力传感器 a d 转换器 数码管 Design and Implementation of Electronic Scales Electrical Engineering and Automation Specialty ZHU Yan qing Abstract MCU as the implementation of electronic scales central control unit via a pressure sensor on gravity for a d conversion unit coupled with a keyboard and display circuits and software Accurate electronic scales and weighing only quick and easy most importantly automatic weighing figures show the impact on people s lives more and more the most popular The issue by the microcontroller as the main control system weighing weight of the object portion includes a pressure sensor a d converter and display unit so the amount of electronic scales have multi function high performance and low cost low power consumption simple control system solutions easy to carry run fast precise automatic measurement and automation features Key words Weight sensor a d converter digitron 目 录 电子秤的设计与实现 II 1 引言 1 1 1 电子秤的研究背景 1 1 2 电子秤的国内外发展现状 1 1 2 1 电子秤国内外现状 1 1 2 2 电子秤的发展趋势 1 1 3 课题研究目的与意义 2 2 设计方案及元器件介绍 3 2 1 电子秤的基本工作原理 3 2 2 电子秤设计要求 3 2 3 电子秤系统各模块的方案选型 4 2 3 1 A D 转换器 4 2 3 2 传感器 4 2 3 3 电子秤主控制系统核心 4 2 3 4 显示器 5 3 硬件设计 6 3 1 电子秤硬件设计方案 6 3 2 单片机电子秤应用电路 6 3 3 电子秤 AD 转换芯片 HX711 及其电路 7 3 4 称重传感器 8 3 5 显示电路 10 3 6 电源电路 12 4 软件设计与结果 12 4 1 软件流程 12 4 2 Proteus 仿真软件 13 5 硬件下载与调试 14 结束语 17 参考文献 18 附录 19 致谢 25 电子秤的设计与实现 1 1 引言 1 1 电子秤的研究背景 秤是一种在实际工作和生活中经常用到的测量器具 随着计量技术和电子技术 的发展 传统纯机械结构的杆秤 台秤 磅秤等称量装置逐步被淘汰 电子称量装置 电子秤 电子天平等以其准确 快速 方便 显示直观等诸多优点而受到人们的青睐 和传统秤相比较 电子秤利用新型传感器 高精度 AD 转换器件 单片机设计实 现 具有精度高 功能强等特点 本课题设计的电子秤具有基本称重 键盘输入 计 算价格 显示 超重报警功能 该电子秤的测量范围为 0 5Kg 测量精度达到 5g 有 高精度 低成本 易携带的特点 电子秤采用数码管显示测量数据 比传统秤具有更 高的准确性和直观性 另外 该电子秤电路简单 使用寿命长 应用范围广 可以应 用于商场 超市 家庭等场所 成为人们日常生活中不可少的必需品 1 2 电子秤的国内外发展现状 1 2 1 电子秤国内外现状 目前 由于电子秤具有称量快 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 电子秤的发展动向为 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 2 2 电子秤的发展趋势 电子秤的发展过程与其它事物一样 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 电信号的电子衡器 这是由于电子衡器不仅能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 1 电子秤的设计与实现 2 1 小型化 新研制的电子平台秤结构充分体现了体积小 高度低 重量轻 即小 薄 轻 的发 展方向 对于低容量的电子平台秤和电子轮轴秤 可采用薄型或超薄型的圆形称重传 感器 这样不但降低了成本 而且提高了稳定性和可靠性 2 模块化 对于大型或超大型的承载器结构如大型静动态电子汽车衡等 己开始采用几种长 度的标准结构的模块经过分体组合 而产生新的品种和规格 这种结构不仅提高了产 品的通用性 互换性和可靠性 而且也大大地提高了生产效率和产品质量 同时还降 低了成本 增强了企业的市场竞争力 3 集成化 小型电子平台秤 专用秤 便携式静动态电子轮轴秤 静动态电子轨道衡等 都 可以实现秤体与称重传感器 钢轨与称重传感器 轨道衡秤体与铁路线路一体化 4 智能化 电子秤的称重显示控制器与电子计算机组合 利用电子计算机的智能来增加称重 显示控制器的功能 使电子秤在原有功能的基础上 增加推理 判断 自诊断 自适 应 自组织等功能 这就是当今市场上采用微机化称重显示控制器的电子秤与采用智 能化称重显示控制器的电子秤的根本区别 5 综合性 电子称重技术的发展规律是不断的加强基础研究并扩大应用扩展新技术领域 向 相邻学科和行业渗透 综合各种技术去解决称重计量 自动控制 信息处理等问题 例如在流量计量专业 如果采用称重法即质量流量法 只要将重量和时间测量准确大 流量的测量问题就迎刃而解了 现代商业系统还要求商用电子计价秤能提供各种销售 信息把称重与管理自动化紧密结合实现管理自动化 这就要求电子计价秤能与电子计 一算机联网把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统 6 组合性 在工业称重计量过程或工艺流程中 不少称重计量系统还要求具有可组合性 即 测量范围等可以任意设定 硬件功能向软件方向发展 软件能按一定的程序进行修改 和扩展 输入输出数据与指令可以使用不同的语一言和条形码 并能与外部的控制和 数据处理设备进行通信 1 3 课题研究目的与意义 随着自动化测试技术的发展 传统的称重系统在功能 精度 性价比等方面已难 以满足人们的需要 尤其在智能化 便捷式 对微小质量的测量方面更显得力不从心 本篇采用以 STC89C52 单片机为控制核心 结合高敏度的电阻式应变式压力传感器和 电子秤的设计与实现 3 高精度的 A D 转换器 设计称重系统的总体结构及软件 硬件 实现物体质量 控制 及显示报告的电气化与智能化 2 称重仪是电子衡器的一种 电子衡器是自动化称重控制和贸易计量的重要手段 对加强企业管理 严格生产 贸易结算 交通运输 港口计量和科学研究都起到了重 要作用 电子衡器具有反应速度快 测量范围广 应用面广 结构简单 使用操作方 便 信号远传便于计算机控制等特点 被广泛应用于煤炭 石油 化工 电力 轻工 冶金 矿山 交通运输 港口建筑机械制造和国防等各个领域 在工业现场和环境中干扰源是各种各样的 如噪音干扰 工频干扰等 抗工频干 扰能力成为衡量电子衡器性能的重要指标 为了具备这一性能 市场上的电子衡器的 电路普遍较复杂 相对地 成本也较高 而本课题研究电路简单 成本低 抗工频干 扰强 具有很好的推广价值 2 设计方案及元器件介绍 2 1 电子秤的基本工作原理 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 CPU 发出指令 从内存贮 器中读出送到显示器显示 一般地信号的放大 滤波 A D 转换以及信号各种运算处 理都在信号采集电路中完成 2 2 电子秤设计要求 主要是针对重量在 0 5kg 的小物体进行的电子测量 该系统是通过电阻应变式传 感器采集到被测物体的重量 该电阻应变式传感器会产生一个信号 然后经 HX711 传 感器转换 处理后的数据送给测量器的控制核心 STC89C52 进行处理 最后由数码管 显示最终结果 称重传感器感应被测重力输出微弱的毫伏级电压信号 该电压信号经过电子秤专 用模拟 数字 A D 转换器芯片 HX711 对传感器信号进行调理转换 HX711 采用了海 芯科技集成电路专利技术 是一款专为高精度电子秤而设计的 24 位 A D 转换器芯片 内置增益控制 精度高 性能稳定 HX711 芯片通过串行方式与单片机通信 单片机 读取被测数据 进行计算转换 在数码管上显示出来 电源系统给单片机 HX711 电 电子秤的设计与实现 4 路及传感器供电 2 3 电子秤系统各模块的方案选型 该系统有四个部分 用来采集信号的采集部分包括AD转换器 压力传感器 系统 控制核心部分即单片机系统 还有就是最后的显示部分 信号采集模块主要有传感器 和A D转换器组成 2 3 1 A D 转换器 模拟量转换成数字量的过程被称为模数转换 简称 A D Analog to Digital 转换 完 成模数转换的电路被称为 A D 转换器 简称 ADC Analog to Digital Converter 数字量 转换成模拟量的过程称为数模转换 简称 D A Digital to Analog 转换 完成数模转换的 电路称为 D A 转换器 简称 DAC Digital to Analog Converter 模拟信号由传感器转换 为电信号 经放大送入 A D 转换器转换为数字量 由数字电路进行处理 再由 D A 转 换器还原为模拟量 去驱动执行部件 为了保证数据处理结果的准确性 A D 转换器 和 D A 转换器必须有足够的转换精度 同时 为了适应快速过程的控制和检测的需要 A D 转换器和 D A 转换器还必须有足够快的转换速度 因此 转换精度和转换速度乃 是衡量 A D 转换器和 D A 转换器性能优劣的主要标志 2 3 2 传感器 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 首先这里传感器选用金钟电子衡器股份有限公司生产的 L PSII 10 型压力传感器 为双孔悬臂梁形式 是电子秤的专用产品 这里说下传感器的选型方法 可具体参考以下步骤 1 计算并确定转换系数 f 转换系数 f 是表明每一个检定分度值 V 中有多少 个示值单位 是用于把全部示值单位转换为 V 的 它是由初始公称试验温度20 时 进程负荷实验效据平均值确定的 2 计算参比示值 所谓 参比值 即是 理论示值 或 理想示值 3 计算各试验点EL 4 各试验点误差与最后一列最大允许误差相比较 5 将计算结果与系统对传感器的要求做出比较 以确定选型是否成功 2 3 3 电子秤主控制系统核心 STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器 STC89C52 使用经典的 MCS 51 内核 但做了很多的改进 电子秤的设计与实现 5 使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能 在单芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在 系统可编程 Flash 使得 STC89C52 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 具有以下标准功能 8k 字节 Flash 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 3 个 16 位定时器 计数器 4 个 外部中断 一个 7 向量 4 级中断结构 兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构 全双工 串行口 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 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 STC89C52单片机有多种封装形式 本设计中选用40DIP 封装 图 1 STC89C52 管脚图 2 3 4 显示器 本设计只需要显示出所称实物的实际重量 由于 LED 耗电省 使用寿命长 成本 低 亮度高等优点 再加上驱动简单 容易利用单片机对其进行控制和编程等特点选 用 LED 显示 最常用的输出设备特别是发光二极管显示器 LED LED 是一类可直接将电能转 化为可见光和辐射能的发光器件 具有工作电压低 耗电量小 发光效率高 发光响 应时间极短 光色纯 结构牢固 抗冲击 耐振动 性能稳定可靠 重量轻 体积小 成本低等一系列特性 发展突飞猛进 现已能批量生产整个可见光谱段各种颜色的高 亮度 高性能产品 单片机通常使用 7 段 LED 构成字形 8 还有一个小数点发光二 极管 以显示数字 符号及小数点 电子秤的设计与实现 6 3 硬件设计 3 1 电子秤硬件设计方案 单片机电子秤硬件设计方案 图 2 单片机电子秤硬件设计 该系统采用单片机作为主控制系统 主要目的在于称重之后的数字化显示和实现 精确的测量 故系统应该具有单片机工作所需的稳定的 5V 直流电源 又考虑到数字 化显示所用到的数码管中会出现某段被损坏而不被点亮的情况 系统具有开机自检功 能 就是开机后自动逐个扫描每一个晶体管 用来检查数码管各段是否完好 可以依 靠软件编程实现 信号采集部分是利用称重传感器检测压力信号 得到微弱的电信号 本设计为电 压信号 而后经处理电路 如滤波电路 差动放大电路 处理后 送 A D 转换器 将 模拟量转化为数字量输出 控制器部分接受来自 A D 转换器输出的数字信号 经过复 杂的运算 将数字信号转换为物体的实际重量信号 并将其存储到存储单元中 控制 器还可以通过对扩展 I O 的控制 对键盘进行扫描 而后通过键盘散转程序 对整个 系统进行控制 4 数据显示部分根据需要实现显示功能 电路电源部分主要是为电路提 供稳定方便的电源 将工频电压直接转换成所需的 5 伏电压 3 2 单片机电子秤应用电路 中央处理单元选用我们熟悉的单片机 即最后电路的核心采用最常用 好用和廉 价的 STC89C52 其外围电路简单 只需要加上晶振电路和电源就可以工作 主控制 器电路如图 3 所示 1 复位电路 单片机有一复位引脚 RST 高电平有效 在时钟电路工作之后 当外部电路使得 RST 出现 2 个机器周期 24 个振荡周期 以上的高电平 系统内部 复位 在上电时 由于振荡器需要一定的起振时间 该引脚上的高电平必须保持 10MS 以上才能保证有效复位 复位有两种方式 上电自动复位和手动复位 本系统 电子秤的设计与实现 7 采用手动复位 就是使用按键 按键按下时单片机进入复位状态 2 晶振电路 19 引脚 XTAL1 接外部晶振和微调电容的一端 与单片机片内 振荡电路一起 产生有外部晶振决定的振荡频率 由于 XTAL1 接内部反相放大器的 输入端 因此在使用外部时钟时 该引脚输入外部时钟脉冲 18 引脚 XTAL2 接外 部晶振和微调电容的另一端 XTAL2 接内部放大器的输出端 因此在使用外部时钟 时 该引脚接地 若要检查单片机的振荡电路能不能工作 可以使用示波器查看 XTAL2 端有没有脉冲信号输出 图 3 STC89C52 3 3 电子秤 AD 转换芯片 HX711 及其电路 HX711 采用了海芯科技集成电路专利技术 是一款专为高精度电子秤而设计的 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 9 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 电子秤的设计与实现 8 图 4 HX711 内部方框图 HX711 芯片应用于电子秤的一个参考电路图 该方案使用内部时钟振荡器 XI 0 10Hz 的输出数据速率 RATE 0 10 电源 2 7 5 5V 直接取用与 MCU 芯片相同的 供电电源 通道 A 与传感器相连 通道 B 通过片外分压电阻与电池相连 用于检测电 池电压 图 5 称重传感器及 HX711 转换模块电路 3 4 称重传感器 传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置 用传感器首 先要考虑传感器所处的实际工作环境 这点对正确使用传感器至关重要 它关系到传 感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命 乃至整个衡器的可靠性和安全性 因此 传感器外围电路的抗干扰能力是数据采集部分电路设计的关键环节 电子秤的设计与实现 9 称重传感器主要由弹性体 电阻应变片电缆线等组成 内部线路采用惠更斯电桥 当弹性体承受载荷产生变形时 输出信号电压可由式 1 给出 1 电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理 弹性体 弹性元件 敏感梁 在外 力作用下产生弹性变形 使粘贴在他表面的电阻应变片 转换元件 也随同产生变形 电阻应变片变形后 它的阻值将发生变化 增大或减小 再经相 0 应的测量电路把 这一电阻变化转换为电信号 电压或电流 从而完成了将外力变换为电信号的过程 RdRa RcRb Res Bridge Ein Eout 图 6 称重传感器原理图 由此可见 电阻应变片 弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少 的几个主要部分 下面就这三方面简要论述 一 电阻应变片 电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上 即成为一 片应变片 他的一个重要参数是灵敏系数 K 我们来介绍一下它的意义 设有一个金 属电阻丝 其长度为 L 横截面是半径为 r 的圆形 其面积记作 S 其电阻率记作 这种材料的泊松系数是 当这根电阻丝未受外力作用时 它的电阻值为 R R L S 2 当他的两端受 F 力作用时 将会伸长 也就是说产生变形 设其伸长 L 其横截 面积则缩小 即它的截面圆半径减少 r 此外 还可用实验证明 此金属电阻丝在变 形后 电阻率也会有所改变 记作 对式 2 求全微分 即求出电阻丝伸长后 他的电阻值改变了多少 我们有 R L S L S S L S2 3 电子秤的设计与实现 10 用式 2 去除式 3 得到 R R L L S S 4 另外 我们知道导线的横截面积 S r2 则 s 2 r r 所以 S S 2 r r 5 从材料力学我们知道 r r L L 6 其中 负号表示伸长时 半径方向是缩小的 是表示材料横向效应泊松系数 把 式 5 式 6 代入式 4 有 R R L L 2 L L 1 2 L L L L K L L 7 其中 K 1 2 L L 8 式 7 说明了电阻应变片的电阻变化率 电阻相对变化 和电阻丝伸长率 长度 相对变化 之间的关系 需要说明的是 灵敏度系数 K 值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一 个常数 它和应变片的形状 尺寸大小无关 不同的材料的 K 值一般在 1 7 3 6 之间 其次 K 值是一个无因次量 即它没有量纲 在材料力学中 L L 称作为应变 记作 用它来表示弹性往往显得太大 很不方 便 常常把它的百万分之一作为单位 记作 这样 式 7 常写作 R R K 9 二 弹性体 弹性体是一个有特殊形状的结构件 它的功能有两个 首先是它承受称重传感器 所受的外力 对外力产生反作用力 达到相对静平衡 其次 它要产生一个高品质的 应变场 区 使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变电信号的转换任务 三 检测电路 检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出 因为惠斯登电桥具 有很多优点 如可以抑制温度变化的影响 可以抑制侧向力干扰 可以比较方便的解 决称重传感器的补偿问题等 所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用 因 为全桥式等臂电桥的灵敏度最高 各臂参数一致 各种干扰的影响容易相互抵销 所 以称重传感器均采用全桥式等臂电桥 3 5 显示电路 发光二极管显示器是单片机应用产品中常用的廉价输出设备 11 它是由若干个发 电子秤的设计与实现 11 光二极管组成显示的字段 当二极管导通时相应的一个点或一个笔划发光 就能显示 出各种字符 常用的八段 LED 显示器的结构如图 7 所示 图 7 八段 LED 显示器 LED 数码显示器有两种结构 将所有发光二极管的阳极连在一起 称为共阳接法 公共端 comm 接高电平 当某个字段的阴极接低电平时 对应的字段就点亮 而将有 发光二极管的阴极连在一起 称为共阴接法 公共端 comm 接低电平 当某个字段的 阳极接高电平时 对应的字段就点亮 每段所需电流一般为 5 15mA 实际电流视具体 的 LED 数码显示器而定 动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器 对每一位显 示器而言 每隔一段时间点亮一次 因此 在实际使用时 特别是有微处理器的系统中 如果用多位的 LED 显示 一 般采取动态扫描方式 分时循环显示 即多个发光管轮流交替点亮 这种方式的依据 是利用人眼的滞留现象 只要在 1 秒内一个发光管亮 24 次以上 每次点亮时间维持 1ms 以上 则人眼感觉不到闪烁 宏观上仍可看到多位 LED 同时显示的效果 动态显 示可以简化硬件 降低成本 减小功耗 显示器的亮度跟导通的电流有关 也和点亮 的时间与间隔的比例有关 12 图 8 数码管模块 电子秤的设计与实现 12 如图 8 所示 显示部分采用 4 个八段共阴数码管 采用动态显示 利用驱动器 74HC573 驱动数码管显示数据 达到控制八段码的目的 段驱动器和位驱动器同时发 出有效信号才能点亮对应段 否则就呈现不亮状态 由单片机来控制点亮的时间 第 一位点亮后依次点亮后面各位 3 6 电源电路 本系统中需要给 STC89C52 芯片和 HX711 芯片供电 供电电压分别是 5V 和 5V 系统是 USB 接的 PC 机 5V 电压供电 所以供电电压较为稳定 只需要进行简单的滤 波就满足 STC89C52 供电要求 其供电电路如图 图中的 D3 为电源指示灯 此电源电 路输出的两种电压完全满足芯片的供电的需求 图 9 供电及程序下载电路 4 软件设计与结果 4 1 软件流程 本设计采用C语言编程 编译环境为keilUV2 13 Keil c51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统 和 汇编相比 C在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优势 因而容易上手 Keil c51软件提供C编译器 宏汇编 连接器 库管理和一个功能强大的仿真调试 器集成开发调试工具 是Windows界面 如果你使用C语言编程 那么Keil几乎就是你 的不二之选 即使不使用C语言而仅用汇编语言编程 其方便易用的集成环境 强大的 软件仿真调试工具也会容易理解 在开发大型软件时体现高级语言的优势 Keil c51能完成编辑 编译 连接 调试 仿真等整个的开发流程 开发人员可用 ide本身及其它编辑器编辑C或汇编源文件 然后分别有C51及C51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 电子秤的设计与实现 13 片机内 主程序软件流程如图10所示 图 10 主程序流程图 软件主要三个方面 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 程序采用模块化的结构 这 样程序结构清楚 易编程和易读性好 也便于调试和修改 4 2 Proteus 仿真软件 Proteus 是世界上著名的 EDA 工具 仿真软件 从原理图布图 代码调试到单片 机与外围电路协同仿真 一键切换到 PCB 设计 真正实现了从概念到产品的完整设计 是目前世界上唯一将电路仿真软件 PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计 平台 其处理器模型支持 8051 HC11 PIC10 12 16 18 24 30 DSPIC33 AVR ARM 8086 和 MSP430 等 2010 年又增加了 Cortex 和 DSP 系列处理器 并持续增加其他系列处理器模型 在编 译方面 它也支持 IAR Keil 和 MATLAB 等多种编译器 14 根据所学的知识运用 Proteus 画出原理图 由于电子秤运用的是 24 位 AD 转换芯 片 HX711 及其电路在 Proteus 中没有 只能用其他的模块代替 这里选用 ADC0832 代 替 ADC0832 主要是用其对电流的检测 D A 把检测到的电流值送给单片机进行相应 的处理 通过 LCD12864 显示出来 同时用简单的计算得出电压值 通过和 A D 进行 电子秤的设计与实现 14 相应的转换 实现对单片机进行相应的控制 然后通过滑动变阻器来模拟重力传感器 来改变 LCD 的显示结果 图 11 仿真原理图 图 12 调节电阻仿真显示结果 5 硬件下载与调试 提供例程在 keilUV2 环境下编译 如果是其他版本 uVision 只需将所有 c 和 h 文 件拷贝至新建项目 重新编译即可 当编译生成 hex 文件后 就可以下载并进行调试 了 下载程序 打开 STC 单片机下载软件文件夹 点击运行 STC ISP V480 exe 程序 出现如下界面 电子秤的设计与实现 15 图 13 下载软件 正确选择 MCU 类型为 STC89C52 得到初始化结果 图 14 初始化显示结果 电子秤的设计与实现 16 图 15 放上 50g 砝码显示结果 传感器称量的线性变化 零点漂移斜率都是造成称量误差的直接原因 由于温差 冲击力 浮尘等的原因 传感器承受载荷与其相应输出电压之间并非成直线关系 使 电子秤传感器的称量线性发生较大的变化 有时部分称量点误差较大 进行称量的线 性标准 即分段校准电子秤的称量 使产生的误差大大减少 还有电子秤在使用过程 中受到大小不同且多次往复冲击载荷的影响 传感器的受力情况非常复杂 致使传感 器的触点发生改变 使检定时的原始状态产生了变化 造成零点漂移 产生误差 本 设计因传感器线性斜率不同 因此对其进行程序校准 测量要尽量把称重物体放到电 子秤中间 这样可以减少误差 图 16 放上 50g 砝码去皮结果 把砝码先放到电子秤上 电子秤的得出砝码的重量 现在按下去皮按钮 重量显 电子秤的设计与实现 17 示为零 这时候把要秤的物体继续放到电子秤上就是物体的实际重量 不过这样称完 该物体后 要拿到砝码再按置零按键 这样就能秤其他物体了 图 17 去皮后手机的重量显示结果 电子秤的设计与实现 18 结束语 本次设计的主要技术指标主要有以下四点 称重范围 0 5KG 分度值 0 01KG 精 确度 0 01KG 数码管显示 其中在实现电路功能中主要存在的问题就似乎称重的分度 值和精确度 涉及到信号护理 转换和放大等许多方面 其外观通过数码管显示所有 数据结果 通过大量的资料阅读并结合本方案设计的特点 选用了 STC89C52 单片机作为系 统的控制部分 HX711 作为系统的转换模块 通过借阅资料设计了一个比较完整的运 行程序 经过了大量的实践 完善了电子秤的实际应用程序 不足之处是 键盘输入的价格方面存在一定的缺陷 输入价格比较繁琐 鉴于这 种情况可更改为 16X16 的矩阵键盘 这样就可以解决这一问题 从而达到了本次设 计的最终目的 既锻炼了实际的动手操作能力 同时达到了经济实用的要求 电子秤的设计与实现 19 参考文献 1 马忠梅 单片机的 C 语言应用程序设计 M 北京 航空航天大学出版社 2001 92 96 2 刘守义 单片机应用技术 M 西安 西安电子科技大学出版社 2004 48 53 3 蔡美琴 MCS 51 系列单片机系统及其应用 M 北京 高等教育出版社 1999 201 203 4 李学磊 压力传感器研究现状及发展趋势 M 山东农业大学出版社 2001 156 159 5 李建忠 单片机原理及应用 M 西安 西安电子科技大学出版社 2003 195 197 6 胡学军 单片机与控制技术 M 北京 北京航空航天大学出版社 2004 87 89 7 张国香 电子电路问答 J 北京 机械工业出版社 2005 78 91 8 崔凤英 串行 A D 在电子称上的应用 M 青岛科技大学出版社 2006 45 62 9 陈明荧 8051 单片机基础教程 J 北京 科学出版社 2003 96 103 10 Rhee W Design of high performance CMOS charge pumps inphase locked loops IEEE International Symposium on Cir cuits and Systems J 1999 35 38 11 宋文续 扬帆 传感器与检测技术 M 北京 高等教育出版社 2005 4 67 72 12 常健生 检测与转换技术 M 北京 机械工业出版社 2004 6 156 162 13 凌志浩 智能仪表原理与设计技术 M 上海 华东理工大学出版社 2003 8 336 339 14 李朝清 单片机原理及接口技术 M 北京 北京航空航天大学出版社 1996 124 127 15 George Lee Karina Ng Edmond Kwang Design of ring oscillator based voltage controlled oscillator Project Final Report R 2005 459 462 电子秤的设计与实现 20 附录 include include define SEG DATA P0 code unsigned char table 0 xC0 0 xF9 0 xA4 0 xB0 0 x99 0 x92 0 x82 0 xF8 0 x80 0 x90 0 xff 0 x00 unsigned char COM1 DATA 0 COM2 DATA 0 COM3 DATA 0 COM4 DATA 0 unsigned char flag 0 bit Flag ERROR 0 unsigned long HX711 Buffer 0 long Weight Maopi 0 Weight Shiwu 0 unsigned int Temp Buffer 0 sbit COM1 P1 7 sbit COM2 P1 6 sbit COM3 P1 5 sbit COM4 P1 4 sbit KEY1 P3 3 sbit HX711 DOUT P2 1 sbit HX711 SCK P2 0 函数或者变量声明 void Delay hx711 us void unsigned long HX711 Read void void Get Maopi MS 延时函数 12M 晶振下测试 void Delay ms unsigned int n unsigned int