数字电子秤的设计与实现毕业设计.doc

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38 42 4 钱刘宸 轻松学习单片机 J 西北工业大学学报 2013 02 86 87 完完 成成 期期 限 限 指指导导教教师师签签名名 专业负责人签名 专业负责人签名 年年 月月 日日 数字电子秤的设计与实现 目 录 摘要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 2 设计思路 3 2 1 设计要求 3 2 2 设计方案的确定 3 2 3 电子秤的主要组成 5 2 3 1 电子秤的基本结构 5 2 3 2 电子秤的工作原理 6 2 3 3 电子秤的参数指标 6 3 元件选择及硬件电路的设计 8 3 1 元件选择 8 3 1 1 单片机的选择 8 3 1 2 传感器的选择 9 3 1 3 A D 转换器的选择 10 3 1 4 显示器的选择 11 3 2 硬件电路的设计 12 3 2 1 电源电路 12 3 2 2 主控电路 13 3 2 3 显示电路 15 3 2 4 超重报警电路 16 3 2 5 按键输入电路 16 3 2 6 HX711 转换电路 18 数字电子秤的设计与实现 3 3 硬件电路图与 PCB 板线路的绘制 19 3 3 1 Protel99SE 软件 19 3 3 2 原理图与 PCB 板线路的绘制 19 4 软件设计 21 4 1 软件编译环境 21 4 2 主程序流程图 21 4 3 按键模块流程图 22 4 4 显示模块流程图 23 5 实物的焊接与调试 24 5 1 实物的焊接 24 5 1 1 PCB 板制作 24 5 1 2 实物焊接 25 5 2 实物的调试 26 5 3 实物效果图 27 6 结束语 28 致谢 29 参考文献 30 附录 31 附录 I 原理图 31 附录 II 主程序 32 数字电子秤的设计与实现 数字电子秤的设计与实现 摘 要 单片机作为计算机发展的重要分支 信息处理速度不仅快而且处理能力特别强 是现代 绝大多数电子产品最重要的核心部分 本设计实物采用 AT89S52 单片机进行制作 设计成 的实物将能显示称量范围内物品的重量 调节物品的价格以及显示被秤物品的金额 充分体 现了单片机的优越性 本设计主要针对传感器 放大器 A D 转换器以及 LCD 液晶显示器等电子秤主要硬件 电路模块进行组合设计 对电子秤的信息采集处理 自动称重 信息显示等进行了简单设计 和实物制作 阐明了用单片机在电子秤设计中的工作原理以及各个主要模块中的数据采集 转换等内容 在软件方面 采用更为简洁 方便 高级的 C 语言程序设计 修改方便且不 易出现故障 关键词 电子秤 传感器 单片机 数字电子秤的设计与实现 I THE DESIGN AND IMPLEMENTATION OF DIGITAL ELECTRONIC SCALE ABSTRACT Single chip microcomputer as a important branch of the development of computer information processing not only fast and particularly strong processing capacity is the most important core part of most modern electronic products This design objects made of AT89S52 MCU design into physical can show the weight of the weighing scale items adjust the price of the goods as well as shown by the amount of the balance items fully embodies the advantages of single chip microcomputer This design mainly aimed at the sensor amplifier A D converter and LCD liquid crystal displays and other electronic scale combination design main hardware circuit modules The information collection and handling of electronic scale automatic weighing information display and so on has carried on the simple design and real production illustrates the working principle in design of electronic scale MCU and the main modules of data acquisition conversion etc In the aspect of software a more concise convenient and advanced C language program design modify convenience and not easy to fail KEY WORDS electronic scale sensors single chip microcomputer 数字电子秤的设计与实现 1 1 1 绪论绪论 物品称量是市场交易中很基本的内容 是商业领域最基本的衡具 在日常生活中 到处 必须用到称 尤其是现代超市和一些其他交易市场上 称是必不可少的测重工具 随着人们 生活水平的不断提高 商业行为也越来越现代化 人们对商品度量的速度和精度也提出了新 的要求 从 20 世纪 70 年代开始 在世界范围内掀起了一股 电子秤热 各先进工业国都 很重视传感器技术和电子秤的研究 开发和生产 传感技术已经成为重要的现代科技领域 电子秤及其系统生产已经成为了重要的新兴行业 数显电子秤是现今生活中常用的电子秤重衡器 在各大超市 物流配送中心 大中型商 场都可以见到 数显电子秤在结构和原理上取代了传统的机械式称量衡器 与传统的称量衡 器相比较 数显电子秤具有应用范围广 称量精度高 易于操作使用等优点 在工作原理 材料和结构上都是全新的计量衡器 数显电子秤的设计是通过压力传感器采集到被测物体的 确切重量并将其转换成相应的电压信号 输出的电压信号通常会很小 需要相应的放大电路 进行准确的线性放大 放大后的模拟电压信号经 A D 转换器转换成相应的数字信号量被送 入到主控电路的单片机中 再经过单片机控制译码显示器 就可以显示出被测物体的确切重 量 随着市场的需求以及技术性能的要求 电子秤的国内外发展现状和趋势主要有以下几个 方面 1 小型化 装载体积小 重量轻 高度低 近几年来新研制的电子秤结构充分体现了小型化发展方 向 对于低量程的电子平台秤 可采用将薄型的圆形传感器 直接嵌入钢板底面与称重传感 器外径相同的盲孔内 形成低外形的秤体结构 钢板就是秤体的台面 称重传感器既是传感 元件 又是承力的支点 这就极大地减化了秤体结构 减少了活动连接等环节 不但降低了 成本 而且还提高了稳定性和可靠性 2 集成化 对于某些电子衡器 例如小型电子平台秤 专用秤 静动态电子轨道衡等等 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 如秤体与称重传 感器一体化的便携式静动态电子轮轴秤 大多是用硬铝合金厚板制成 其结构原理是经过固 溶热处理强化的铝合金板 或通过在 4 个角上钻孔和铣槽分别形成 4 个悬臂梁型称重传感器 数字电子秤的设计与实现 1 这就使得秤体与称重传感器合二为一 以后者结构的 8t 便携式动态电子轮轴秤为例子 其 尺寸为 700mm 500mm 30mm 重量约为 24kg 3 模块化 对于大型的承载器结构 比如大型的静动态电子汽车衡 已经开始采用几种长度的标准 结构模块 经过分体组合 而产生新的品种和规格 这种模块化的分体式秤体结构 不仅提 高了产品的通用性 可靠性和互换性 而且也提高了生产效率和产品的质量 同时还降低了 成本 增强了企业的市场竞争能力 4 智能化 电子衡器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 使电子衡器在原有功能的基础上 增加推理 判断 自诊断 自适应 自组 织等一些智能功能 这就是当今市场上采用微机化称重显示控制器的电子衡器与采用智能化 称重显示控制器的电子衡器的根本区别 5 综合性 电子称重技术的发展规律就是不断的加强基础研究并扩大相应的应用 扩展新的技术领 域 向相邻学科和行业渗透 综合各种技术去解决称重计量 信息处理等问题 对某些商用 电子计价秤来说 只单单具备称重 计价 显示 打印这些功能还是远远不够的 现代商业 系统还要求它能提供各种销售信息 把称重与管理自动化紧密结合在一起 使称重 计价 进库 销售管理一体化 实现管理自动化 这就要求电子计价秤能与电子计算机联网 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中 不少称重计量系统还要求具有可组合性 就是指测量范围等可 以任意的设定 硬件能够依据一定的条件作某些相应的调整 硬件功能向软件方向发展 软 件能按一定的程序进行修改 现在市场上使用的称量工具 有些是结构复杂 有些是运行不可靠 成本高 精确稳定 性也不好 调整的时间长 维修困难 易损件多 能源消耗大 电子秤产品的整体水平不高 部分小企业的产品质量差且技术力量薄弱 缺乏产品的开发能力 电子秤产品处在低层次 所以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 数字电子秤的设计与实现 2 2 设计思路 新事物的产生必然会有新科技的推动 电子秤及其各种技术发展到今天有了特别巨大的 进步 一方面 各种电子元件的类型和功能有所增加 另一方面 现代社会要求测量必须达 到更高的准确度 更小的误差 更快的速度 更高的可靠性 2 1 设计要求 1 基本要求 设计并制作一款基于单片机的数字电子秤 2 具体要求 本设计的内容是以 AT89S52 单片机为控制核心 实现电子秤的基本策略及价格计算功 能 外围电路主要有电源模块 信号采集模块 信号放大积分模块 数据处理存储模块 显 示模块 电压报警模块六部分组成 单片机最小系统部分主要包括 AT89S52 单片机 经典 复位电路和晶振电路 信号采集模块由称重传感器 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 数据和直观的显示重量 单价 金额 3 主要设计功能如下 可实现电子称基本的称重功能 称重范围为 0 10Kg 重量误差不大于 5g 应具备显示重量 可以输入单价并能自动计算总价的功能 超出最大测量范围 10Kg 时应有报警指示功能 蜂鸣器报警提示 2 2 设计方案的确定 过查找资料和论证 结合所学知识 可通过以下方案来实现课题要求实现的指标 各方 案介绍如下所述 方案一 数码管显示 数字电子秤的设计与实现 3 数据采集AD 转换单片机处理LED 显示 图 2 1 数码管显示方案简图 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 接口电路易于实现 硬件部分简单 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 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 使电子称实现称重计价的功能 结构简图如图 2 2 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 但用数码管 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 对大部分字 符不能很好的显示 不仅称量物体重量的精度必受到限制 而且动态扫描时处理不好易出现 闪烁现象 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 前端信号处理时 选用放大 信号转换等措施来增加信号采集强度但会增加相 应的设计成本 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 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AD 转换单片机处理LED 显示 按键处理 数字电子秤的设计与实现 4 结构简图如下图 2 3 所示 数据采集 AD 转换单片机处理LCD 显示 按键处理 信号放大 图 2 3 带有键盘输入及液晶显示的结构简图 鉴于上述三种方案的优缺点 本系统在设计时充分考虑到系统的实用性及成本的可行性 的前提下 不仅能够达到设计要求 而且使硬件电路设计模块达到最简优化 最终采用方案 三来作为本次设计与制作的思路 2 3 电子秤的主要组成 通过以下部分的介绍 可以对电子秤的主要模块以及工作原理有一个大概的了解 2 3 1 电子秤的基本结构 电子秤是利用地球上的物体都受到重力作用来确定物体质量 重量 大小的测量仪器 也可用来确定与质量相关的其它量大小 参数 特性 不管依据什么原理制成的电子秤均由 以下三部分组成 1 称重传感部分 即由非电量 质量或重量 转换成电量的转换元件 它是直接与物体接触把支承力变换 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形式不同 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 应变传感器 电阻应变式 卢表面谐振式 或利用磁弹性 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 数字电子秤的设计与实现 5 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 率特性 稳定可靠 2 数据处理部分 数据处理部分就像人的中枢大脑 接收信息进行处理后再下达命令进行总的支配和控制 其具体来说主要是把电子秤从外围传来的各种信号 通过相应的逻辑关系 计算处理数据 再把处理好的数据传输到相应的模块进行显示和控制 现在市场上主要有各种芯片 如单片机 FPGA 还有各种专用的电子秤核心芯片 当 然由于专用芯片的技术性和专一性强 本设计不考虑用电子秤的专用芯片 此外 对电子秤 芯片的要求兼容性强 结构简单 工作可靠性强 易于编程操作等特点 3 键盘输入 显示和输出模块 键盘输入主要是通过键盘输入的数值改变不同物体价格的具体参数 使不通的物体对应 不同的价格 通过数据处理中心的处理 做出最终的结果 显示到显示器上 其主要有各种 按键组成 显示模块一般就是显示器 通常有数码管显示 液晶显示等 其中液晶显示又包含很多 种 如 1602 12864 等等许多 输出模块即模数转换 电源 调节器 补偿元件等 在数字式的测量电路中 通常包括 放大 滤波 变换 运算 计数 寄存 控制和驱动等环节 2 3 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 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 数字电子秤的设计与实现 6 2 3 3 电子秤的参数指标 电子秤的主要参数指标有 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 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 2 1 所示 表 2 1 不同准确度的电子秤和分数度 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 数字电子秤的设计与实现 7 3 元件选择及硬件电路的设计 以下主要介绍内容是电子秤的元件以及硬件电路模块 3 1 元件选择 不同的元件有不同的功能 本部分对功能的要求以及综合考虑到相同类型元件的优缺点 对元件的选择 参数 优缺点进行了详细的介绍 3 1 1 单片机的选择 单片机的选择在整个系统设计中至关重要 要满足大内存 高速率 通用性 价格便宜 等要求 鉴于以上考虑本课题选择 AT89S52 作为整个系统的主控芯片 AT89S52 是一个低功耗 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8k Bytes ISP In system programmable 的可反复擦写 10000 次的 Flash 只读程序存储器 器件采用 Atmel 公司的高密 度 非易失性存储技术制造 兼容标准 MCS 51 指令系统及 80C51 引脚结构 芯片内集成了 通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元 功能强大的微型计算机的 AT89S52 可为许多嵌 入式控制应用系统提供高性价比的解决方案 AT89S52 芯片具有以下特性 1 指令集和芯片引脚与 Intel 公司的 8051 兼容 2 8KB 片内在系统可编程 Flash 程序存储器 3 时钟频率为 0 33MHz 4 128 字节片内随机读写存储器 RAM 5 32 个可编程输入 输出引脚 6 2 个 16 位定时 计数器 7 2 个中断优先级 8 全双工串行通信接口 9 监视定时器 10 2 个数据指针 数字电子秤的设计与实现 8 AT89S52 单片机的 40 个引脚中有 2 个专用于主电源引脚 2 个外接晶振的引脚 4 个控 制与其它电源复用的引脚 以及 32 条输入输出 I O 引脚 AT89S52 单片机引脚图如图 3 1 所示 图 3 1 AT89S52 单片机引脚图 3 1 2 传感器的选择 压电传感器是一种典型的有源传感器 又称自发压电式传感器 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 数字电子秤的设计与实现 9 图 3 2 为一直流供电的平衡电阻电桥 Ein 接直流电源 E RdRa RcRb Ein Eout 图 3 2 电阻应变式传感器原理图 设各桥臂的初始电阻为 Ra Rb Rc Rd R 当弹性体承受载荷产生变形时 4 个桥臂电 阻分别产生微小变化 输出信号电压可由下式给出 RcRb2RRaRd2R RcRRaR RbRRdR EEinout 上式说明电桥的输出电压 Eout和四个桥臂的应变片感受应变量的关系 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 3 1 3 A D 转换器的选择 无线数据 HX711 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 该芯片集成了包括片内时钟振荡器 稳压电源等其它同类型芯片所需要的外 围电路 具有响应速度快 集成度高 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 芯片管脚图如图 3 3 所示 数字电子秤的设计与实现 10 图 3 3 HX711 管脚定义 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 40mV 通道 B 则为固定的 64 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 3 1 4 显示器的选择 本设计采用点阵字符型 LCD1602 液晶显示 液晶显示模块具有体积小 功耗低 显示 内容丰富等特点 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 但采用 LCD 液晶显示会造成设计成本增加 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调节 具体引脚说明如下表 3 1 所示 数字电子秤的设计与实现 11 表 3 1 LCD1602 液晶显示器引脚说明 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1VSS电源地9D2Data I O 2VDD电源正极10D3Data I O 3VL液晶显示偏压信号11D4Data I O 4RS数据 命令选择端12D5Data I O 5R W读 写选择端13D6Data I O 6E使能信号14D7Data I O 7D0Data I O15BLA背光源正极 8D1Data I O16BLK背光源负极 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 符图形 这些字符有 阿拉伯数字 英文字母的大小写 常用的符号 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 因此 用 LCD1602 能很好的满足设计要求 3 2 硬件电路的设计 以下部分内容是本设计最主要的内容 通过这部分的设计 电子秤设计的电路原理以及 怎么工作的将得到完整的呈现 3 2 1 电源电路 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 用单电源接口供电方式 USB 接口供电方便程序调试 该系统电源电路设计如图 2 4 所示 图 3 4 电源接口电路图 数字电子秤的设计与实现 12 3 2 2 主控电路 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 5 所示 图 3 5 主控电路图 复位是单片机的初始化操作 单片机系统在上电启动运行时 都需要先复位 其作用是 使 CPU 和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态 并从这个状态开始工作 因而 复 位是一个很重要的操作方式 但单片机本身是不能自动复位的 必须配合相应的外部复位电 路才能实现 本设计复位电路采用按键手动复位加上电复位来实现 K1 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 电容迅速放电 使 RST 引脚为高电平 当复位按键弹起后 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 初始复位不改变 RAM 包括工作寄存器 R0 R7 的状态 复位后单片机片内各特殊功 能寄存器的状态见表 3 2 表中 x 为不定数 数字电子秤的设计与实现 13 表 3 2 复位后单片机片内各特殊功能寄存器状态 复位时 ALE 和 PSEN 成输入状态 ALE PSEN 1 片内 RAM 不受复位影响 复位后 P0 P3 口输出高电平且使这些双向口皆处于输入状态 并将 07H 写入堆栈指针 SP 同时将 PC 和其余特殊功能寄存器清零 此时 单片机从起始地址 0000H 开始重新执行程序 所以 当单片机运行出错或者进入死循环时 可使其复位后重新运行 单片机工作是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的 这个脉冲是由单片机控制器 中的时序电路发出的 单片机的时序就是 CPU 在执行指令时所需控制信号的时间顺序 为 了保证各部件间的同步工作 单片机内部电路应在唯一的时钟信号下严格地按时序进行工作 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 C7 和 C10 的值通常选择为 30pF 左右 对频率有微调作用 晶振 Y1 选择 12MHz 为了减小寄生电容 更好地保证振荡器稳定 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 特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态 ACC00HTMOD00H PC0000HTCON00H PSW00HTL000H SP07HTH000H DPTR0000HTL100H P0 P30FFHTH100H IPxx000000BB00H IE0 x000000BSCON00H PCON0 xxx0000BSBUF不定 数字电子秤的设计与实现 14 单片机的 31 脚 EA 接 5V 电源 表示允许使用片内 ROM 3 2 3 显示电路 显示部分采用 LCD1602 液晶显示 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 6 所示 图 3 6 显示电路图 P1 的引脚 1 和引脚 2 为液晶 1602 地和电源引脚 3 脚为背光调节引脚 通常用 10K 电 位器接地 背光可通过电位器来调节亮度 接正电源时对比度最弱 接地时对比度最高 对 比度过高时会产生 鬼影 现象 由于可以不调节背光亮度 本设计电路采用 3K 电阻代替 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 5 P2 6 P2 7 端口 RS 为 寄存器选择端 高电平选择数据寄存器 低电平选择指令寄存器 R W 为读写信号线 高电 平时进行读操作 低电平时进行写操作 RS 和 R W 同为低电平时可以写入指令或者显示地 址 RS 为低电平 R W 为高电平时可以读入信号 RS 为高电平 R W 为地电平时可以写 入数据 EN 为使能端 当 EN 由高电平跳变成低电平时 液晶模块执行命令 7 14 脚为 8 位双向数据线接口 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 由于单片机 P0 口内部没有上拉电阻 要想液晶显示器正常稳定工作 必须给 P0 加一个上拉电阻 用 8 位排阻加入电路 数字电子秤的设计与实现 15 3 2 4 超重报警电路 报警指示电路由一种低电压 大电流 小信号的 PNP 型硅三极管 8550 驱动蜂鸣器来实 现 单片机 I O 口控制三极管的基极 当单片机的 I O 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 I O 口输出高电平时 三极管截 止 蜂鸣器停止报警 超重报警指示电路如图 3 7 所示 图 3 7 超重报警电路图 3 2 5 按键输入电路 键盘是微型计算机系统中最常用的人机对话输入设备 在单片机应用系统中 为了控制 系统的工作状态 以及向系统输入数据 应用系统需要单独设计专用的小键盘 在计算机系 统中 键盘有两种基本类型 编码键盘和非编码键盘 编码键盘本身除了按键以外 还包括 产生编码的硬件电路 使用虽然方便 但价格较高 在一般单片机应用系统中很少采用 非 编码键盘靠软件来识别键盘上的闭合键 由此得出键码 在单片机应用系统中普遍采用 若 每一个按键都占用一条 I O 口线 当按键数目较多时 就要使用大量的 I O 口线 为了减少 键盘与单片机接口时所占用 I O 口线的数目 通常设置两组互不连接的行线和列线 在行线 与列线的交叉处设置一个按键 本次设计即是利用单片机技术 采用中断查询的方法 设计 了一个 4 4 的键盘模块 无按键按下时 行线与列线不连接 有键按下时 行线与列线接通 并利用数液晶显示器显示相应的按键值 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 8 所示 数字电子秤的设计与实现 16 图 3 8 按键输入电路图 在这种行列式无编码键盘中 对按键的识别由软件完成 通常有两种方法 一是速度较 快的线反转法 二是传统的行扫描法 1 线反转法 这种方法通过两个步骤来实现 即 先让所连接的端口高四位为高 1 低四位为低 0 若矩阵键盘上有按键被按下 则高 四位中会有一个电平从 1 被翻转到 0 低四位则不会改变电平状态 然后即可确定矩阵键盘 上被按下的按键的所在行的具体位置 所连接的端口高四位为低 0 低四位为高 1 若矩阵键盘上有按键被按下 则低四位 中会会有一个电平 1 翻被转为 0 高四位则不会改变电平状态 然后即可确定矩阵键盘上被 按下的按键的所在列的具体位置 综合这两个步骤就可以判断出被按下的按键具体位置 2 行扫描法 和线反转法实现的步骤类似 同样一般也是两步来实现 即 将连接的全部行线置为低电平 然后检测所有列线的电位状态 只要某一列列线电 位为低电平 就表示矩阵键盘中这列有键被按下 并且在被按下的闭合的按键在低电平列线 与全部根行线相交叉的 4 个按键之中 反之 若所有列线电位均为高电平 则表示矩阵键盘 中没有按键被按下 经过前一可知按键处在判断的 4 个按键之中 在确认了有按键被按下后 就可进入 数字电子秤的设计与实现 17 到确定具体被闭合键的操作 然后再依次将所有行线电位置为低电平 即只有一根行线为低 电平 其余行线则为高电平 在确定了某根行线电位为低电平后 再逐行检测所有列线的电 平状态 若某根列线的电位为低电平 则被按下的按键就处在这根列线和低电平行线的交叉 处 CPU 对键盘的扫描可以采用程序控制的随机方式 CPU 空闲时扫描键盘 也可以采取 定时控制方式 每隔一定的时间 CPU 对键盘进行一次扫描 还可以采用中断方式 没当 键盘上有键闭合时 向 CPU 请求中断 CPU 响应键盘输入中断 对键盘扫描 3 2 63 2 6 HX711HX711 转换电路转换电路 前面元件选择中有讲 本设计采用的是一款专为高精度电子秤而设计的 24 位 A D 转换 器芯片 HX711 其电路图如 3 9 所示 图 3 9 HX711 转换电路图 如果将管脚 XI 接地 HX711 将自动选择使用内部时钟振荡器 并自动关闭外部时钟输 入和晶振的相关电路 这种情况下 典型输出数据速率为 10Hz 或 80Hz 如果需要准确的输 出数据速率 可将外部输入时钟通过一个 20pF 的隔直电容连接到 XI 管脚上 或将晶振连接 到 XI 和 XO 管脚上 这种情况下 芯片内的时钟振荡器电路会自动关闭 晶振时钟或外部 输入时钟电路被采用 此时 若晶振频率为 11 0592MHz 输出数据速率为准确的 10Hz 或 80Hz 输出数据速率与晶振频率以上述关系按比例增加或减少 使用外部输入时钟时 外 部时钟信号不一定需要为方波 可将 MCU 芯片的晶振输出管脚上的时钟信号通过 20pF 的 隔直电容连接到 XI 管脚上 作为外部时钟输入 外部时钟输入信号的幅值可低至 150mV 当数据输出管脚 SDA 为高电平时 表明 A D 转换器还未准备好输出数据 此时串口时 钟输入信号 SCK 应为低电平 当 SDA 从高电平变低电平后 SCK 应输入 25 至 27 个不等的 数字电子秤的设计与实现 18 时钟脉冲 其中第一个时钟脉冲的上升沿将读出输出 24 位数据的最高位 MSB 直至第 24 个时钟脉冲完成 24 位输出数据从最高位至最低位逐位输出完成 第 25 至 27 个时钟脉 冲用来选择下一次 A D 转换的输入通道和增益 参见表 3 3 表 3 3 输入通道和增益选择 SCK 脉冲数输入通道增益 25A128 26B32 27A64 SCK 的输入时钟脉冲数不应少于 25 或多于 27 否则会造成串口通讯错误 当 A D 转 换器的输入通道或增益改变时 A D 转换器需要 4 个数据输出周期才能稳定 SDA 在 4 个 数据输出周期后才会从高电平变低电平 输出有效数据 3 3 硬件电路图与 PCB 板线路的绘制 本部分内容主要对用到的软件以及原理图 PCB 图绘制的过程进行了详细的介绍 3 3 1 Protel99SE 软件 本设计在硬件电路的设计过程中 原理图和 PCB 的绘制采用 Protel99SE 软件 3 3 2 原理图与 PCB 板线路的绘制 采用 Protel99SE 绘制原理图和 PCB 的主要步骤如下 1 建立系统所需元件库 2 加载所建元件库到工程项目中 3 在原理图页面中放置所需元件并按照电气性能连接各元件 4 建立元件封装库并加载到工程文件中 5 绘制好电路后进行 ERC 电气检测并导入生成网络表 6 在工程中建立 PCB 文件并导入生成网络表 7 按照网络绘线提示绘制 PCB 最后完成 DRC 检测 按照如上步骤最终完成绘制的电路图与 PCB 图分别如图 3 10 所示 数字电子秤的设计与实现 19 图 3 10 PCB 图 数字电子秤的设计与实现 20 4 软件设计 硬件电路设计完成后 没有软件的运行是无法工作的 因此 必须对软件进行相应的设 计和介绍 4 1 软件编译环境 系统软件设计采用 C 语言编程 编译环境为 Keil UV3 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 语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优势 因而易学易用 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 另 外重要的一点 只要看一下编译后生成的汇编代码 就能体会到 Keil c51 生成的目标代码效 率非常之高 多数语句生成的汇编代码很紧凑 容易理解 在开发大型软件时更能体现高级 语言的优势 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 IDE 本身或其它编辑器编辑 C 或汇编源文件 然后分别有 C51 及 A51 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 主程序流程图 软件部分主程序 见附录II 流程图如图 4 1 所示 数字电子秤的设计与实现 21 开始 初始化 置零键按下调零程序 A D转换 数据处理 显示 图 4 1 主程序流程图 电源通电后 单片机开始进行初始化 清零键按下后 单片机开始进行调零程序处理 然后进行清零操作 当有被秤物体放上秤盘后 A D 转换器会把称重传感器传过来的模拟信 号转换成数据信号传给单片机 单片机经过信息处理后 由液晶显示器把信息显示出来 4 3 按键模块流程图 键盘电路设计成 4 4 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 4 2 所示 开始 LCD初始化 界面字符显示 按键按下 调用LCD显示 清零键按下 N Y N 图 4 2 按键模块流程图 数字电子秤的设计与实现 22 电源通电后 LCD 液晶显示器上会显示有初始化状态下的单价信息 此时 会进行动 态扫描 动态扫描是一直进行的 如若没有按键按下 液晶显示页面不会有变化 当有按键 按下时 会启动中断服务 调用中断程序 根据中断程序的判断可以确定按下的是具体哪个 按键 从而显示该按键的功能 4 4 显示模块流程图 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 4 3 所示 开始 显示初始化页面 有无按键 显示按键功能 检测重物 显示总价信息 返回 Y 图 4 3 显示模块流程图 电源通电后 液晶显示器页面处于初始化状态 若有按键按下 显示按键的功能 要么 按下的是数字键更改单价 要么按下的是清零键使被秤物体的重量和总价信息置零 在这个 过程中 单片机会一直扫描称重传感器传过来的信息 如果有被秤物体 则会在显示器上显 示出物体的重量 单价 总价信息 如若没有按键按下和被秤物体 则液晶显示器上显示信 息不会有变化 数字电子秤的设计与实现 23 5 实物的焊接与调试 这部分是最后一步 但也是最关键的一步 电子秤能不能正常工作 很大部分原因与此 步有关 5 1 实物的焊接 在 PCB 板制作和焊接的过程中要认真 细心 有耐心 5 1 1 PCB 板制作 把系统的电路原理图设计好以后 下一步工作就是进行实物制作了 而实物制作的第一 步就是对电路进行排版布线 虽然 Protel99SE 软件有自动布局布线的功能 但是 我还是选 择了手动布线 虽然可能布的不是很漂亮 但是很多问题是只有亲自动手了 才会发现问题 PCB 板制作遇到以下几个方面 1 电路原理图的布局 在器件布局的过程中应注意以下几点 一个模块及其附属的一些分离元器件应尽量放到一起 不同的电路模块尽量划分清晰 使得在调试过程中多电路的检查能够一目了然 较容易发热的元器件尽量放到电路的边缘 有利于散热 2 布线 PCB 布线的好坏对系统性能有直接的影响 在高频电路表现的尤为突出 所以 在进行 电路布线时还需注意以下几点 模拟地和数字地应分开接地 避免数字信号和模拟信号会相互干扰 每一根走线 能短则短 不要为了盲目追求少跳线而绕远路 因为线越短电阻越小 干扰也会越小 电源线和地线尽量从电路板的边缘走线 且电源线尽量画的比一般线宽略粗一些 走线在改变方向时应该走 45 角或曲线 避免直角的拐角 3 打印与转印 打印时要注意油纸不能折叠 打印的设置必须准确 只留下底层的走线和焊盘 而在转 数字电子秤的设计与实现 24 印时首先覆铜板要刷洗干净 以免在转印时油墨不能完全的转印 其次 转印机必须预热到 机器发出提示音 这表明 转印机已经准备好转印了 第三 转印机的转印速度档位应放在 正常 档位 板子的类型应放在 印刷板 档位 第四 在转印时 注意油纸上的走线图 必须能够完整的