《基于单片机的数字电子秤设计与调试研究14000字（论文）》

基于单片机的数字电子秤设计与调试研究TOC\o"1-2"\h\u6543摘要 121707第1章绪论 2178381.1课题研究背景 240171.2课题研究的目的及意义 336671.3国内外研究现状 49312第2章系统设计 6298362.1主控芯片选型 6134382.2称重传感器的选择 7278942.2A/D转换器的选择 8321542.5键盘按键选型 9298822.6显示屏选型 10201332.6系统总体设计 105040第3章硬件电路设计 11230693.1单片机STC89C52及其电路 11236393.2压力传感器模块 13211433.3HX711A/D转换器模块 15165733.4矩阵键盘模块 17277853.5LCD显示模块 1829673.6报警电路模块 1930601第4章软件设计 2018074.1开发环境 2046984.2软件设计方案 2126390第5章调试与实验 23226485.1系统硬件调试 23315525.2系统软件调试 2474375.3测试实验 243180第6章总结与展望 2698356.1总结 26114666.2展望 2613957参考文献 28摘要随着现代社会的发展，人们对称重技术以及称重计量器件的要求不断提高。目前，我们在市面上常见的称重衡器主要是电子秤，它们在很大程度上方便了人们的日常生活，已经成为商品市场中不可或缺的衡量器具。近几年，随着我国电子技术的发展，尤其是传感器和单片机的发展，一大批各式各样的新式电子秤应运而生，几乎可以满足人们对不同实物称重的要求。本文设计和制作了一种当下普遍使用的基于单片机的数字电子秤。在整个系统的设计上，主要分为几个大的模块，其中称重物的质量信息由压力传感器接收，由单片机作为控制器，为了实现基本功能，还有显示部分和按键部分。对于硬件设计，首先进行器件选型，然后设计出各个模块电路，绘制原理图，对整体电路进行布局，最终完成硬件设计。对于软件部分，先梳理逻辑，画出流程图，再编写各部分程序，最后完成软件设计。本文论述了电子秤各部分及整体的基本工作原理，给出设计过程，在设计完成后进行调试测验，最终得到不错的结果。本设计各部件简单，操作难度不高，成本不大，可以满足现实要求。关键词：电子秤；称重传感器；A/D转换器；单片机第1章绪论随着社会的进步和商品交易市场的不断扩大，电子秤在人们的生活中发挥着重要的作用，和其他器件一样，也经过了不断的创新发展，设计上从简单走向复杂，称量精度由粗略到高精度，产品结构从机电结合再到实现全电子化，功能上从只能实现单一称重功能到更加智能化。产业化的电子秤实现了称量的“迅速化、标准化和自动化”。为了满足更多的需求，电子称的发展更趋于多样化，现时的电子秤并不仅仅只满足于基本的称重功能。新式电子秤不仅具有更加精确的称重计量功能，还往往添加了诸如语音播报、智能健康检测、计时、万年历、蓝牙连接等符合现代化气息的功能，这样使得电子秤出现在越来越多的场所，并且它们发挥着难以取代的作用。由于电子称的快速发展使其应用也理所应当的更加广泛，逐渐渗透到医疗、教育、科研、农业、交通和国内外贸易等各个领域。近年来随着科学技术的迭代更新，人们对于单片机的应用不断走向成熟，而由单片机衍生的产物包括电子秤也在进行着不断的更新。1.1课题研究背景随着现代人们生活水平的不断提高和科技生活的的发展，简单易操作的设计、低廉的造价、功能的多样性以及称量精度的可靠性等多个方面的优点使得电子秤获得大众的认可。不仅仅是在商品交易中，一些智能电子秤（体重秤）甚至可以检测出使用者的身体各项指数，这与当前人们日益追求高质量健康生活的初衷所契合。1.1.1现状分析近几年单片机和电子科技的高速发展，让单片机作为处理器的各种电子产品层出不穷，它们的身影出现在日常生活的方方面面，小到日常家电，如电动牙刷、智能台灯、电风扇等，大到导弹装置、飞机乃至航天设备的部分控制仪表。而现代智能电子秤的快速发展也当然离不开单片机技术的推动，正是得益于单片机的熟练应用，电子秤的多样化设计也顺理成章，单片机与电子称的结合，使电子秤实现全电子化和智能化成为现实，告别传统称重器具读取数据困难和不准确的难题。1.1.2选题背景作为全球第二大经济体，我国时时刻刻与世界其他国家之间进行着贸易往来，经济增速虽有放缓但仍逐年增长，在贸易交易过程中，自然少不了称重仪表，这样使得包括电子秤在内的众多测量仪表的需求不断增加。在后疫情时代的现在，国家大力倡导地摊经济，随处可见的商铺、一条条地摊长龙如雨后春笋般涌现，同样的在超市商场和集市中我们都能看到各式各样的秤量器具，其中最多的就是电子秤。如今随着生活的不断提高，人们对称重工具自然有了更多的期待，而微机技术和传感器的进步使这容易实现。鉴于当前众多电子秤的不便于携带，操作繁琐和设计上的欠佳，人们很重视适用于大众的、小型的、精确、易于读数、价格亲民的小型电子称重仪器的研究和发展。本设计采用STC89C52RC单片机结合新型压力传感器的设计方法，与LCD显示屏，HX711，矩阵键盘等硬件模块相结合，基本做到了上述要求。1.2课题研究的目的及意义称重衡量从古至今都具有很高的研究价值。几千年前人们就会制作天平并应用。这些早期的天平虽然结构简单，但仍然作为衡器发挥了不可或缺的作用，极大的促进了历史的进步。目前，在我国应用了千年之久的杆秤已被国家明令淘汰并快在人们的视线消失。而到了近现代，称重技术广泛应用于农业（这早在中国古代就已常见），手工业（手工业生产中的计件计量）、交通（检测车辆的载重信息）、科研（精准把控含量等对称重指标要求比较严格）、医疗（患者体重以及身体组织的测量）等领域和物流（根据物重判断邮寄费用）、内外贸易（检测贸易进出口量）等行业，与人们生活环环相扣，可以说无处不在。它关乎到一个国家的民生国计、经济发展和科技进步。衡器水平的的发展状况，将在很大程度上直接或者间接的影响其他行业的现代化水平和社会各行业效率的增加。称重衡量器具不单单是一种反映物体质量的测量仪表，而且更是众多领域必不可少的重要组成部分：在工业生产领域，推动着生产的自动化、标准化和高质量化，没有精密称重仪器的支撑和技术支持，标准将无从衡量，高质量也只能成为空谈；在医学领域，应用称重器具对药物剂量的把控常常关乎患者的生命安危；在军事领域，对装备重量的把控同样近乎苛刻。这样就不难解释为什么很多国家对称重衡量的研究投入大量人力物力。1.3国内外研究现状电子称重仪器品类众多，在生活中与消费者利益切实相关，在各个国家之间的贸易往来中充当重要工具，因此得到普通民众和各国政府的高度重视。在我国，电子称重仪器被列为强制管理的仪表[1]。称重器具从严格意义上来说是衡器行业的一部分[2]；而就产业方面来说，应当归类为信息类仪表行业。中国的仪器仪表生产行业种类相对来说齐全，结构合理，具有不错的技术，现如今已能够规模化生产[3]。目前，就技术上来说，我国称重器具发展尚处于比较落后的阶段，近乎于发达国家在上世纪90年代后期的水平[4]。低中档产品总体上来说实现产业化，且门类相对齐全，质量水平逐步提高并且在近几年趋于稳定。在填补国内大市场需求的前提下，还能够规模化出口。但在一些高端仪器仪表的研发和生产方面，国内鲜有企业和个人参与，大部分还是依靠进口发达国家，称重仪器行业同样如此[5]。称重传感器是制作电子秤必不可少的一个部件，它的主要作用是检测受力情况并把它以电信号形式传出[6]，称重传感器的发展水平基本可以反映一个国家在称重仪器上的水平。应用的传感器种类很多，但主要技术标准有三个方面，一是精确度，二是长久使用情况下的稳定性，三是可靠性[7]。在精确度方面，要求达到0.2%左右；稳定性方面，要求正常使用的条件下不会出现超差；在可靠性方面，要求寿命超十年以上（正常使用），且能够在极端环境下使用[8]。从上世纪七八十年代至今，欧美、日本等发达国家在称重传感器方面居于全球领先地位。主要表现在技术上高水平化，基本实现上述三个技术指标；品种多样化，能够满足不同行业对称重仪器的需求；产业和产品规模化，出口至各发展中国家[9]。而正是称重传感器的各个性能和技术的持续突破，才有了以后称重仪器仪表的长足发展和进步。一些发达国家早在上世纪60年代，就研制出精确度高达0.1%的电子秤。随后在70年代，将大部分机械式秤重器具实行电子化改造，成为机电结合的称重仪器。我国现阶段的称重传感器就类别来说，同发达国家没有太大差别。近三十年间，随着我国不断引进和吸收发达国家在称重传感器方面的先进工艺，设计出了一大批适合我国发展需要的称重产品。我国静态秤的传感器产品，早已超过OIML规定的Ⅲ级秤标准，精确度也达到规定要求。而动态秤的传感器产品可以达到我国0.5级的标准，只有为数不多的产品能做到0.2级的标准[10]。总体来说，我国称重传感器发展起步较晚，与世界先进水平相比有很大的差距，无论是在技术上还是在工艺上都有很大的进步空间。单片机从上世纪70年代诞生以来，经历了三个比较大的发展阶段[11]。90年代，电子产品如潮水般涌现，使得微控制器得到很大的发展并应用于各个领域。单片机与仪器仪表的结合，是近现代电子技术飞速发展的重要体现。采用微控制器让仪器仪表实现更加强大和多样的功能[12]：第一，使得仪器仪表数字化；第二，智能化，减少大量人为的操作，更多的是让机器处理信息检测，数据处理等多个环节；第三，小型化，单片机等微控制器集成大量的电路于一体，在减少自身体积的情况下能更好的适应各个系统。现代智能电子秤的快速发展也当然离不开单片机技术的推动，正是得益于单片机技术的成熟应用，电子秤的多样化设计也顺理成章，单片机与电子称的结合，使电子秤实现全电子化和智能化成为现实[13]。近年来随着科学技术的迭代更新，人们对于单片机的应用不断走向成熟，而由单片机衍生的产物包括电子秤也在进行着不断的更新。文献[14][15]是两篇外文文献，测重于讲解电子秤在今后的发展方向。在仪器构造上，要实现微型化和组合化，这样便于携带且降低使用时空间和场合的限制；在外形方面，首先要美观并符合现代审美，其次要人性化；在性能方面，首先要实现高精度，其次是高稳定性，在这基础上向高可靠性迈进；在功能方面，要顺应时代，能与其他电子设备如计算机等实现互通互联；在品类上，齐头前进，多样发展，能满足市场需求。第2章系统设计本电子秤设计的主要任务是这样的：首先，称重范围在5公斤以内；其次，要求分度值为1%千克。在设计之初，预想的是要在实现称量的基本功能外，增加计价、去皮、超重报警等功能。为了达到这一预期，要对硬件电路各部分进行合理的选择，在实现各模块功能的同时，对整体有一个合理的把控。本章节主要展现对几个大模块元器件的比对，通过比较，最终采用最贴合本设计的型号。2.1主控芯片选型在系统的控制器部分，主要可以考虑三种型号的单片机，即AT89系列、STC89系列和STM32系列。其中前两种是很常见也是应用最多的，下边对这两个系列单片机进行简要对比。相较于AT89系列，STC89C52加入了A/D数模转换，功能更多，且集成度更高；STC89C52可以直接在线编程，即包含有ISP功能，不需要烧写器，在实际操作中，只需要用软件就可以将在keil中编辑的程序录进单片机系统，不需要复杂繁琐的步骤，这极大简化了程序调试过程，而AT89系列则需要通过编程器编程，实际操作起来繁琐；STC89C52具有6T模式，速度更快，AT89系列是12T模式，速度较为缓慢；AT89系列只有T0和T1两个定时器，而STC89C52有三个，且增加了定时器2的SFR。而至于选择方案中的STM32系列单片机，具有更高的集成度和运算速度，各方面性能都比前两种要好得多，但是鉴于自己认知水平有限，对该系列单片机不甚熟悉，如果要运用此单片机，需要进行深度学习，会耗时耗力，且在运用不熟练的情况下不敢保证基本功能的实现。对此，通过上述对于目前常用的单片机型号进行对比，我最终选择了STC89C52单片机来进行本系统的设计，这是当下比较常见且兼容性良好的单片机。且基本能满足本设计的所有要求。2.2称重传感器的选择称重传感器对于各类电子秤来说是很重要的一环，处于核心地位，它相当于人类的感觉器官，能准确接收称重物体的质量信息并传给大脑（控制器），如果没有这一环，电子秤就发挥不了称量作用。所以选择好正确的传感器类型就显得极其重要。在进行传感器的选择时，为了使用最契合设计系统的型号，往往要结合众多因素来考虑：第一，根据设计需要，选择的称重传感器要接近设计要求的称量最大值（往往只大不小），同时要考虑传感器的荷载，秤自身的重量，以及震动撞击条件下的瞬时荷载，确保传感器的可使用期限和稳定性。第二，关于称重传感器精确度方面的指标，主要有灵敏度、滞后性和非线性。所以在选择传感器时，更多的看重电子秤的精确度和实用性，而不是去过分寻求高品位。第三，要注意阅读传感器说明书，重点查看传感器的安装形式是否合乎设计，另外结构和受力情况通常也要关注。常见的称重传感器有如下几种：（1）电阻应变式：该类称重传感器是众多称重仪器采用的一种，应用范围很广。它主要由两个部分组成：第一，弹性体部分，该部分主要感受外力发生形变；第二，电阻应变片部分，该部分可视为转换电路。这样的简单结构，使它安装很方便且容易检修，所以被大多数衡器使用。电阻应变式称重传感器的转换组件由金属材料构成，这种电敏性良好的元件可以更好产生应变效应，所以能够称量的范围很广，小到几十克，大到数千吨。此外，计量精度极高，响频特性优秀，可以在复杂环境正常使用。凡事都有两面性，电阻应变式称重传感器具有的缺点也很明显，滞后性、输出时常非线性，会出现零漂等，但是上述缺点可以使用措施矫正。（2）电容式：该类传感器严格来说是一个参数能够改变的电容器，能将测量压力的变化转变成电容量的变化。优点：第一，因为是电容式传感器，故温度适应性良好好；第二，同样的结构不复杂，易于制作；第三，静电吸引力不大，所以不用担心静电引力带来的误差。第四，动态响应性好。缺点是：第一，输出阻抗过高，导致负载能力很差，从而产生不稳定性，有时甚至不能正常工作；第二，传感器灵敏度低，测量精度不高；第三，因为易产生电场边缘效应故输出易非线性。（3）数字式该类传感器是一种力电转换设备，它可以将测量物重力转化成电信号。它是一种集数模转换技术和微处理器的新型传感器。优点：第一，输出信号强，更适应于远距离传输；第二，调试比较简单，适应性能强，抗干扰性良好，总体性能稳定；第三，线性特征良好，测量准度高。缺点是：产品使用寿命低，工作环境（如温度）受限，制造和维修成本不低，价格昂贵。（4）板环式该类传感器特点是受力分布均匀，测量灵敏度高，整体为弹性体，结构简易，而且应力作业稳定，适用于各种汽车衡，轨道衡，平台秤等比较大型的器具。综上，电阻应变式称重传感器自身结构简易、响频特性好、工作条件受限小，价格实惠，最重要的是能实现设计上的小型化，故本设计选择电阻应变式称重传感器。2.2A/D转换器的选择在电子秤的工作原理中，有很重要的一步是将压力传感器的信号经过处理再传输给单片机。而压力传感器感受到的是压力这一模拟量，单片机只能够接收并处理数字信号，所以需要将压力模拟量转换为数字信号，A/D转换器的设计初衷正是为了完成此转换过程。所以A/D转换模块对整个系统的重要性不言而喻，这一模块如果处理不好的话整个系统设计将变得无意义。现在常用的的ADC即模数转换器有很多种类，主要有以下几种：（1）并行比较型A/D转换器：如TCL55。该类转换器转换速度极快，它由四个部分组成，电阻分压器，主要作用是给下一级比较器提供参考电压；比较器，将输入电压与各参考电压作比较；缓冲器，起缓冲作用；编码器，经过编码器编码，得到数字量输出。此类转换器的缺点是：抗干扰性能不好，受制作工艺的影响，分辨率一般不高，故并行比较式数模转换器大部分用于视频AD转换器。但是这类仪器转换速率一般较快。（2）逐次比较型A/D转换器：如TCL0831。该类转换器通常有四个部分，比较器，数模转换器，逐次比较SAR，逻辑控制单元。基本原理是，按照顺序给每一位输入电压和转换器内部AD转换器已知电压进行对比，直至每一位都比较完毕，所以一共需要n次比较，并最终输出数字值。这样的转换器内部电路并不复杂。优点是：转换速度快，功率是损耗低。在成本方面，如果设计系统要求的分辨率不高（小于12位）的话价格不贵，而如果设计系统要求的分辨率高（大于12位）的话价格会很高。（3）积分型A/D转换器：如TCL7135。积分型转换器从根本上来说就是运用积分器将输入的电压信号转换成数字信号。工作时分位两个阶段：第一个阶段即上升阶段，将输入电压加在积分器输入端，随后保持这一过程于一段时间内；第二个阶段，将特定的电压（反向）加到积分器上，随后仍然保持施加反向电压，直到积分器输出为0。这样经过两次积分，把输入的电压转换成时间间隔，并在这段时间内通过计数器来计数时钟脉冲，最终实现转换过程。优点是高分辨率，能够达到22位，此外功耗不高，价格低廉。缺点转换率低。（4）Σ-Δ型A/D转换器（也叫采样转换器）：如AD7705。Σ-Δ型ADC含两个主要部分，即调制器与滤波器。与积分型转换器的工作原理相似，都是，将输入电压转换成脉冲宽度信号，通过数字滤波器后单片机可以得到数字值。因为数字部分便于实现单片化，这样分辨率可以很高，能做到24位。此外转换速率高于积分型，因此大部分应用在音频和测量仪器上。此转换器缺点也很明显，高速型的价格比较昂贵，在相同的转换速率下功耗较其他转换器高。（5）HX711A/D转换器，HX711应用海芯科技的电路集成工艺，同样的高分辨率转换器，是24位的芯片。和其他相同类别的芯片不同，HX711芯片集成度很高，含有一整块电路结构，有稳压源，使电路模块更稳定；有晶振，可以自动产生交变电流信号；还有其他外围电路等，这是该芯片在同类芯片里的优势之一。优点是响应速度很快；抗干扰能力强；当应用在电子秤设计中能在很大程度上降低整机成本，也能使系统的整体性能提高。通过对上述五种转换器的比较，考虑设计上的经济化，基本上排除第二和第四两种转换器，它们共性是如果要实现高速转换，成本会提高。而第三种转换器转换速率较低，对于电子秤设计，因为要实时传递信号，不作过多考虑。由于电子秤称重传感器输出的信号很微弱，且电压量变化极小，要采用高分辨率转换器，最终本设计方案选择HX711AD转换芯片。2.5键盘按键选型矩阵键盘是实现本设计人机交互功能的重要部分，称重物品的单价，以及附加去皮和清零功能的实现都要矩阵键盘，此次设计选用四乘四矩阵式键盘，该键盘按键设计精巧，耐用且成本很低，虽然与独立按键相比，电路设计复杂，使用难度大一点，但该种矩阵键盘的优势是能够节省出更多的串行口，以便于系统其他功能更好的实现，使单片机串口资源得到更好的利用。2.6显示屏选型点阵屏显示方式：LED点阵在远处观看时没有什么大的问题，但是若是在近距离观看，会有很大的颗粒感，分辨率远远不够；能耗高，发热量大，长时间工作可能烧坏电路；电路连接较麻烦，增加了编程的难度；体积庞大，要加很多元件，不符合电子称这种小型化的设计。LCD屏显示方式：LCD1602显示屏正好补足了LED点阵的不足，分辨率很高，和我们平常使用的计算器显示屏清晰度相仿，且能在设定区域显示出称重结果和编辑一些英文字母。同时连接比较方便，程序也较LED点阵屏容易编写，价格合理，很适合本次设计系统的要求。经过对比，本设计选择LCD屏。2.6系统总体设计经过本章前面的论述，结合自身的理解。本课题将采用模块化设计方法，将本系统划分为信号采集模块、数据控制处理模块和人机交互模块三个主要部分，具体原理：首先利用信号采集模块即压力传感器收集信号，然后转成电信号，通过放大器将电信号放大，然后转换为数字信号，最后把该信号送入单片机进行处理。得出被测物品的重量和总价，在LCD显示屏上显示出来。且能通过矩阵键盘修改单价，单价信息能够储存。电子秤硬件包括六大模块，第一个模块即压力传感器模块、第二个为放大器模块、第三个A/D转换器模块、第四个单片机模块、第五个矩阵键盘模块、第六个LCD显示器模块等组成。各主要模块及关系如图1所示。图1电子秤硬件结构框图第3章硬件电路设计3.1单片机STC89C52及其电路3.1.1STC89C52单片机概述STC89C52是由STC公司生产的单时钟单片机，作为一款被广泛应用的微控制器它具有低功率损耗和高性能的优势。STC89C52内核使用经典的MCS-51，指令代码和传统8051没有差别，与老式51单片机相比做了很多改进，不仅运算速度提升了将近十倍，且添加了不少功能。STC89C52有8K可供编程的Flash存储器，8位的CPU使得系统更加灵巧，为嵌入式系统设计贡献了灵活有效的方案。3.1.2STC89C52单片机特点STC89C52单片机是传统8051单片机的加强版，指令代码与老式51单片机无差别，工作时接＋5V电压，设计电路可直接与电脑相连并供电；工作频率：0～40兆赫兹，实际电路中工频能够达到48兆赫兹；应用程序存储空间8K字节；片内含有512字节RAM；内置EEPROM，即使在突然断电的情况下，数据也不会丢失；含有看门狗，防止程序执行陷入跑飞和死循环；有四路外部中断；工作温度范围为0到70度；PDIP封装。3.1.3STC89C52单片机管脚及封装图2STC89C52引脚图STC89C52单片机有DIP、PLC和PQFPC三种封装形式，本设计52单片机采用40DIP封装，管脚如图2所示。3.1.4STC89C52单片机最小系统（1）晶振电路单片机的正常工作离不了时钟电路，所以在单片机设计系统中，晶振是普遍存在的。十八和十九引脚是8051系列单片机上用来接晶振的两个引脚，从电气特性上来看，晶振电路可以认为是把一个12兆赫兹的晶振与8051单片机十八和十九引脚相连接，并在外部并联两个电容元件，两个电容的另外一个端口接地。一般晶振电路并联的负载电容选择12.5PF或者15PF，考虑到元件引脚可能产生等效电容，这里我选择的两个电容都为30PF。电路图如图3所示。图3晶振电路复位电路在单片机设计系统里，复位电路是必不可少的，它相当于我们使用的计算机的重启功能，当电脑在运行过程中出现卡死，不能进行任何操作时，往往需要手动重启，强制关闭掉所有正在运行的程序，当系统重启完毕后才能再执行我们的任务。单片机有时候在程序运行的时候，也会出错，这样就造成系统处于跑飞或者死循环。这时候，就需要按下复位键，结束上述两种状态，重新运行程序。图4复位电路如图4所示，当进行复位操作时，必须给RST引脚持续供电，且要满足大于复位规定的时间，一般为两微秒。通过上面的介绍，单片机的最小系统可以设计成如图5所示。图5单片机最小系统3.2压力传感器模块本设计采用的是电阻应变式称重传感器，有三个重要部分，即弹性物体、应变片和检测电路。它的原理是：当把称重物放在电子秤秤盘上，对于压力传感器模块来说即弹性体上，此时因为压力的作用，弹性元件随即产生形变，又由于力的作用与它相连的电阻应变片也跟着产生形变，形变会产生阻值变化，最后经过检测电路把这一电阻值的变化转换为电信号，这样就完成了外力作用到电信号的转变过程。下面是对这三个部分的简单介绍。（1）电阻应变片电阻应变片元件构造很简单，即将金属电阻丝粘贴在基底上，基底需要用易形变的有机材料制成。灵敏系数k是电阻应变片的重要参数之一，它仅与制作电阻丝的材料有关，而与应变片的形状和大小无关。k的意义如下：一段泊松系数为μ电阻丝，设其长度为L，横截面近似为圆形且半径是r，横截面积为S，电阻率记为ρ，它在正常条件下（常温不受外力）的电阻值记为R，则有(3.1)当两端受力的作用时，会产生形变，设其伸长L,横截面半径减少r，电阻率变化为ρ。对式(3-1)作微分处理，以求出电阻值该变量，有(3.2)用式(3.1)比上(3.2)，得(3.3)由横截面积，则，所以(3.4)由材料力学得(3.5)把(3.4)和(3.5)代入(3.3)，有(3.6)上式表明了应变片电阻相对变化和电阻丝长度相对变化的关系。（2）弹性体弹性体一般无固定形状，它是一种贴合设计需求的结构件。有两个作用：第一个是承受外力，使称重传感器达到稳定的平衡状态，第二个是产生应变场，这样可以使应变片更好的完成压力信号到电信号的转换。（3）检测电路检测电路的功能就是将信号转变的过程，它的原理是将应变片的电阻变化转成电压进而输出。检测电路主要运用惠斯通电桥，它的结构十分简单，但因为精确和灵敏度都很高，所以常常应用于检测仪表，此外也被广泛应用在医学诊断和自动控制领域。当惠斯通电路被应用在称重检测电路中时，它能够减小温度变化带来的影响，同时能够抑制侧向的干扰，使称重传感器的补偿问题得到很好解决。简单的惠斯通电路如图6。图6惠斯通电路图3.3HX711A/D转换器模块HX711是一种高集成度转换器芯片。内部含有稳压源，一来可以给外部传感器供电，另一方面可以给内部ADC提供稳压环境；芯片内部含有外围电路，这是其他同类型芯片所不具有的；有时钟振荡器，不用外接元器件，通电自动复位，很大程度上简化了芯片的初始化过程；有两个可供选取的差分电路输入端，可以有效减少误差；控制方式简单，是数字式，可以进行串口通信，直接把控制信号有芯片引脚输入，内部的寄存器不需要编程；工作电压和单片机相当，这样能很好的兼容本设计系统，也易于电路设计。3.3.1HX711管脚及封装图图7HX711管脚及封装图3.3.4HX711各管脚功能如表1表1电压测试结果管脚号名称性能描述1VSUP电源电源：2.6-5.5V2BASE模拟输出稳压电路控制输出（不用时不接）3AVDD电源模拟电源：2.6-5.5V4VFB模拟输入稳压电路控制输入（不用时接地）5AGND地线模拟地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数字输入高电平下的断电控制和串口时钟输入12DOUT数字输出串口数据输出13X0模拟输入输出晶振输入（不用时不连接）14X1数字输入外部晶振输入15RATE数字输入输出数据速率控制16DVDD电源数字电源：2.6-5.5V3.3.4HX711芯片内部原理图图8HX711内部原理图3.4矩阵键盘模块人机交互功能的实现主要依靠矩阵键盘输入模块，本设计的电子秤需要实现手动输入单价、清零和去皮功能，键盘数量至少需要13个，所以选择了四阶矩阵键盘。矩阵键盘电路设计与独立键盘相比稍显复杂，它的特点是有两组检测线，即行线和列线，按键就放置在这两组线的交叉处。键盘电路原理图如图9。此电路的设计优点主要是能够节省控制器单片机的I/O口，使单片机的串口资源利用合理化，同时整个设计系统变得紧凑。图9键盘电路原理图键盘各按键名称及对应功能如表2。表2键盘各按键名称及对应功能各按键名称123A456B789C*0#D各按键功能0-9数字键A键去皮B键清除单价C键校准按键D键校准按键*号键为无定义#号键为小数点3.5LCD显示模块LCD液晶显示屏常常被应用在电子设备的显示模块，常见的液晶屏有四种，第一种只能编辑一行（十六个字符），第二种可以编辑两行（十六个字符），剩下的两种同样可以编辑两行字符，每行字符容量分别是二十和四十。电子秤设计只需要显示称重物体的质量、单价和总价，所以选择16*2显示屏足够使用。LCD1602分为可背光和不背光两种，本设计选用可背光的16引脚1602显示屏，各引脚名称及功能如表4。表3LCD1602引脚及说明编号符号引脚说明1VSS地2VDD电源正极3VL液晶显示屏对比度调整端4RS数据/指令寄存器选择5R/W读/写选择6E使能端7D0双向数据线8D19D210D311D412D513D614D715BLA背光源正极16BLK背光源负极图10LCD1602原理图本设计LCD1602和STC89C52单片机采用直接控制方式连接（另一种是间接控制方式连接），8根数据线D0至D7分别与单片机39到32引脚相连，RS、R/W和EN分别于单片机的26到28引脚相连。LCD1602的原理图如图11。3.6报警电路模块为了保护电子秤系统（主要是称重传感器模块）的正常运行，还需要设置超重报警电路。当所称物品的重量超过设计规定的5Kg称量范围时，控制器单片机发出信号，蜂鸣器发声报警。蜂鸣器电路结构非常简单，仅需要一个I/O口进行控制，另外需要用三极管（这里采用NPN型9012三极管）做驱动，电路原理如图11。图11报警电路原理图第4章软件设计4.1开发环境系统软件设计部分，使用C语言进行程序的编辑，开发环境为KeiluVision4。C语言的层次十分清晰，当一个程序很冗长复杂时，往往可以模块化编写，这样不仅使程序结构明了易懂，而且对于程序调试很有利。此外，由于C语言的超强普适性、简洁性和结构的完善性，使得它应用极为广泛。KeiluVision4在Keil3的基础上增添了大量的新功能，且使程序开发变得更快更有效，操作流畅度更高，更加简洁，不管对于初学者或者资深使用者都十分友好。如图12是KeiluVision4操作界面图。图12KeiluVision4操作界面4.2软件设计方案4.2.1总体设计当系统接通电源，并按下开关按键后，单片机系统首先进入延时状态，这样给了系统创造正常稳定电压的时间，随后开始进行初始化，将四个I/O口都置为0xff，即将P0，P1，P2和P3初始化为1。接着定时器初始化，LCD显示屏初始化。随后开始扫描按键，先进行检测，如果有按按键操作，单片机内部系统就照着编写的程序运行相对应的指令。当检测完成以后，称重传感器将被测物的质量信息传给单片机，程序继续运行，在先前输入单价的情况下自行计算总价，最后通过LCD1602将所有信息显示出来。总体流程框图如图13所示。图13总体流程框图4.2.2显示屏模块软件设计电路接通电源后，会进行显示屏LCD1602的初始化，首先会显示“WelcomeToUseElectronicScale”并持续数秒，接着显示屏变化，第一行显示重量和单价，第二行显示总价，初值都为零。随后扫描按键，如果有按按键操作，程序运行，几乎同步显示出单价，若没有按键则重新初始化显示，接着称重传感器检测所称物品质量，如果有物品，通过计算程序得出总价，并呈现在显示屏上，如果没有放置物品，显示屏依旧显示单价。显示模块流程图如图14所示。图14显示模块流程图4.2.3矩阵键盘模块软件设计本设计系统按键部分为四阶矩阵键盘，按键部分功能的实现通过行和列的扫描，原理是每行行线设成低电平，每列列线设成高电平，等同于将P3口设置成0xff。程序运行时，对列线进行不停的检测，如果有哪一列由高电平变为低电平，表明有按按键操作，然后顺次把行线由高电平转变为低电平，以确定哪个按键被按下。随后执行设定的指令，以此实现单价输入，清零和去皮功能。第5章调试与实验5.1系统硬件调试当总体设计系统的原理图和PCB图全部设计并画出来之后，就可以进行硬件电路的焊接。焊接完毕后，就要进行硬件电路的检测。首先检查电路板有无缺焊漏焊的情况，如果有及时补焊，如果有元器件在焊接过程中出现损坏，也要果断更换。排除完上述可见的电路故障之后，要用电表检查重要连接点，检测各连接点或者电路是否出现短路，若有短路及时处理，避免电路中其它元器件损坏。然后通电，继续检查电路各部分电压与预期值有无太大差别，没有错误后联机测试。本设计电子秤实物图如图15所示。图15电子秤实物图5.2系统软件调试系统硬件调试无误后，可以开始软件的调试。软件调试主要是不断的进行程序语法与逻辑的检验和纠错过程。在软件调试时，受先要做到的是各子程序模块的调试并实现预期的功能，然后再进行各模块联机，并不断更改完善程序，使整个系统实现完整功能。5.3测试实验系统硬软件调试完成后，为了检验电子秤能否实现设计之初预想的功能，进行了三次模拟实验，每次实验情况统计及实验过程如下：第1组模拟实验，将20g重的金属砝码放在电子秤称台上，不输入单价，显示屏显示的信息如图16。第1行显示砝码的质量是0.020（单位默认是kg），单价为0，第二行显示总价，为0。图1620g砝码显示图第2组模拟实验，将100g重的金属砝码放在电子秤称台上，输入单价为6，显示屏现实的信息如图17。第1行显示砝码的质量是0.100（单位默认是kg），单价为6.0，第二行显示总价，为0.6。图17100g砝码显示图第3组模拟实验，将20g和100g重的金属砝码放在电子秤称台上，输入单价为10，显示屏现实的信息如图18。第1行显示砝码的质量是0.120（单位默认是kg），单价为10.0，第二行显示总价，为1.2。图18120g砝码显示图第4组模拟实验，先将20g重的金属砝码放在电子秤称台上，然后按下去皮按键，再把100g重的砝码放在称台上，同样输入单价为6。第1行显示砝码的质量是0.100（单位默认是kg），单价为6.0，第二行显示总价，为0.6。从四组模拟实验结果来看，本电子秤能够实现称重的最基本功能，此外还可以键入单价，计算总价，去皮，并能将信息显示出来。

第6章总结与展望6.1总结本次设计的多功能电子秤，是由单片机作为控制器，外围电路包括电阻应变式称重传感器、电子秤专用数模转换芯片、液晶LCD显示屏、按键等几个重要模块。主要工作原理是运用单片机和各模块的设计程序对电路进行控制，在实现基础的称重功能下，增添了许多实用的功能。使得本设计在实际应用操作中更加方便快捷，给日常生活增添了便利。不过需要指出的是，由于时间和本人所学知识不足等条件的制约，本设计电子秤还有许多不完善和更待优化的地方，所以仍需进行很多方面的研究和改进。6.2展望作为一种集多种学科多种技术于一体的功能性产品，技术革新总会推动着称重仪器的发展。近几年随着微电子技术、微机技术、高精度制造技术、集成技术、激光技术、传感器技术和芯片技术等的高速发展，测量计量同样出现了新的原理、新的方式和新的设计及制造工艺。正是这样不断向称重仪器提出新的要求和理念。如在仪器性能方面，要求更高的可靠性、稳定性，简单易操作，低能耗和安全性，高精确度等；仪表综合应用及联动能力逐渐向着智能化，网络化等。同时产业化后本身要体现出小型化、模块化。高可靠性。这一特性是体现每个仪器仪表性能的重要参考指标。现代机械加工技术及微加工技术、电子信息技术和模块化生产的快速发展都为仪表的可靠性提供技术上的支持。在硬件方面，现代加工技术的成熟发展，提高了仪器仪表在恶劣条件下的耐受度、兼容性，其次由于运用冗余设计和模块化加工生产，使得仪器在故障或者出现突发状况时能迅速找出问题所在，并修复或者替换掉损坏部分，有时甚至不会影响正常测量任务的进行。在软件方面，层出不穷的算法