【《基于单片机的智能电子秤设计与实现》7500字】

南昌理工学院本科生毕业设计一、绪论（一）课题的研究背景及意义目前，为了提高设备生产率，产品包装机械正向着高速化、自动化和集成化的方向发展。“自动，准确，快速”是对自动化包装产品的直接要求。包装机械的高速化对相应设备的联动化、自动化提出了更高的要求。在工业和当前广泛的食品包装领域中，有许多应用需要对物体进行自动称重。比如大家熟知的自动配料系统，只需设置好要配料的数量和种类后，就会快速准确的称出所需要的重量，混合后便可以得到所需的饲料。作为重量测量仪器的智能电子秤，其展现出了测量速度快、测量精度高、操作简单，可实时监控等优点。正是因为这些优点，使得传统的机械杠杆计量秤逐渐被取代，智能电子秤也因此在重量测量领域举足轻重。本文主要介绍一种智能自动称重电子秤，它虽然结构简单，但功能不少。这能够很好的帮助我理解单片机结构功能，这也是这个设计的意义所在。（二）电子秤的研究现状电子秤的发展经过了由简单到复杂、由粗陋到精致、由功能单一到多功能的过程。伴随着第二次世界大战后的经济繁荣和恢复，传统的称量技术也早已适应不了现代社会的需求，因此称量过程更加智能化的构想也被提出来，由此电子技术进入了衡器制造业REF_Ref24851\r\h[14]。尤其是近三十年来，电子计量器在工作中都起到了非常重要的作用，例如在工艺过程中的现场称重、材料定量称重等工作，都是不可或缺的。近年来电子秤已经渗透到数据的处理和控制过程中。在预包装技术、储运技术、工艺技术、商业销售以及收货业务领域中数据系统和现代称重技术已成为不可缺少的部分。纵观全世界，衡器技术的发展经历了四个阶段，从最开始的机械秤发展到用由电子电路组成的机电结合秤，然后再升级到集成电路式电子秤，最后是比较现代的单片机系统来设计的电子计价秤。用更先进的智能仪器所取代常规的测试仪器仪表和控制装置，这大大提高了科学实验和应用工程的自动化程度。中国电子衡器已经进入全电子化和数字智能时代REF_Ref24508\r\h[3]。电子衡器的制造技术,经过了从模拟计量到数值测量、从静止称量到动作称重、从单参数计量向多参数计量的发展过程。在20世纪40年代之前,中国的电子平衡器还都是高度机械化的,从四十年代开始发展了机械组合式的电子平衡器。50年代之后出现了搭配称重传感器的电子衡器。至80年就进入集微电子、传感器技术和计算机技术为一体化的电子衡器高速发展阶段。而如今，电子秤向着模块化、集成化、智能化的方向发展，它不再单是进行测量任务，还可以进行相关计算及分析等工作。（三）论文主要工作安排本文研究的内容是基于单片机下的智能电子秤设计，论文整体研究框架和相应研究内容如下：第一章主要介绍研究背景和研究意义，构建本次研究的切入点。第二章主要介绍电子秤的测量原理，为后续设计打下理论基础。第三章对智能电子秤的主要元件进行介绍，并给出设计方案。第四章对智能电子秤系统的硬件电路进行设计。第五章对智能电子秤进行系统软件设计。第六章是对本文的总结与展望。

二、电子秤的测量原理（一）称重传感器根据国标GB/T7551-2008的解释，称重传感器是指考虑并计算了地面的重力加速度与空气浮力影响之后，通过把被测量（质量）转换成另一种被测量（输出）来测量质量的力传感器REF_Ref22643\r\h[5]。称重传感器是电子秤的重要组成，由它把物体的重量转化为电信号，从而达到称量物体的目的。称重传感器一般由敏感元件、变换元件、测量元件等部分构成，某些情况下还需要加入辅助电源。敏感元件敏感元件是一种感受元件，它可以直接将被测量输出为与被测量有确定关系的其他量。变换元件变换元件即传感元件。顾名思义，它可以将敏感元件输出的其他量转变为易测量的信号。比如电容式称重传感器的电容器、压电式称重传感器的压电材料。测量元件测量元件可以把变换元件输出的信号转换为电信号，可以方便进一步显示、记录和控制。比如电阻应变式称重传感器中的电桥电路。辅助电源辅助电源起到为传感器提供能量的作用。大部分传感器是需要外接辅助电源的，但有一小部分传感器是不需要辅助电源的，比如磁电式速度传感器。（二）模数转换（A/D转换）模拟信号和数字信号基本上涵盖了自然界的信号。模拟信号是指在幅值和时间上是连续的信号，比如自然界中的时间、温度、位移等都是模拟量。除此之外，各种经过传感器转换后的电流或电压也是连续的信号，也可以被称作模拟信号。数字信号是指在幅值和时间上是离散但按照一定方式排列的信号，比如数字有线电视信号以及宽带信号。数字信号是按单位依次变化，因此是非连续的，也被称为离散量。模数转换就是把连续的模拟信号转变为方便数字系统处理的数字信号，一般是在模数转换器上完成这个过程。它是数据收集的关键，在数字通信系统和控制系统应用非常广泛。模数转换通常写作A/D转换，模数转换器通常写作A/D转换器。（三）称重原理称重的原理就是利用称重传感器把物体的重力信号转化成电压信号，再将电压信号经过A/D转换器转化为数字信号，再由单片机进行处理，进而把物体重量计算出来，称重的过程如图2.1所示。图2.1称重过程图其中A/D值是由二进制数据构成的数据串。A/D转换器的位数决定着每个数据串的长度，通常来说数据串的长度和A/D转换器的长度是相同的。A/D值在A/D转换器的作用下是按照一定频率下不断变化的，每个值对应一个电压Ui，是模拟信号经过转化后的数字量。在实际使用过程中，被测量物体不会直接放在称重传感器上，而是放在秤盘等固定件上，因此A/D值是所有具有重量的物体作用在传感器上的结果。下面简要介绍一下系统如何计算物体的重量值。假设当前所在地区的重力加速度是保持不变的，设被测物体重量为，除去被测物体作用在称重传感器上其他物体的总质量为，因为输出质量和输出电压是呈线性关系的，即：（2-1）式（2-1）中，为和的和，为传感器输出的电压。为比例系数。又因为数字量A/D值与输出电压也呈线性关系，所以式（2-1）可化为：（2-2）式（2-2）中，为比例系数数字量值与输出电压的比例系数；是物体重量与数字量A/D值得比例系数。当秤盘上没有物体时，有：（2-3）当秤盘放上被测物体时，有：（2-4）又由于有：（2-5）（2-6）用式（2-4）减去（2-3），并把（2-5）和（2-6）代入到结果中有：（2-7）由式（2-7）可知，测量物体重量时，秤盘的重量是没有影响的，只有称重系数和数字量值差这两个因素和被测物体的实际重量有关。在称重功能实现的过程中，我们首先就要把称重系数测量出来，测量称重系数的过程被称作称重标定，通常在仪表出厂前就已经完成这个过程。一旦标定完成就不需要再次标定了。三、智能电子秤系统及方案设计（一）相关器件介绍1、AT89S52的结构与特点AT89S系中的型单片机是增强型产品。是一款高性能、低功耗的8位MCU，AT89S51的内存容量还不到它的一半。除此之外，AT89S52含有8KB的程序存储器、256B的随机存取存储器以及强大的16位定时器/计数器。它在实际使用过程中，不需要搭配刻录机，只需要通过PC机的输入输出并口就可以以串行方式将程序直接下载到单片机内，这是它的一大优点。也正因如此，它可以随意更改单片机软件，自由下载设计电路，并且可以让硬件不做任何修改REF_Ref24319\r\h[4]。此外，AT89S52可以通过软件设置省电模式。在空闲模式状态下，CPU会暂停工作，但是串口、RAM定时器/计数器和外部中断系统还是处于工作状态。在掉电保护模式状态下，振荡器电路会因为保存数据信息而被冻结，直到硬件复位或者外部中断被激活，芯片的其它功能操作才会恢复正常。该芯片具有、和三种封装形式，可以满足不同用户的需求AT89S52结构上具备了以下特性:40个引脚、2个全双工串行通信接口、32个外部双向I/O端口、3个16位可编程定时计数器、5个二级嵌套中断、看门狗(WDT)电路和片上时钟振荡器。其引脚图如图3.1所示。图3.1引脚图单片机AT89S52的主要功能特点见表3-1。表3-1单片机AT89S52功能表·兼容MCS-51指令系统·3级加密位·软件设置空闲和省电功能·全双工UART串行中断口线·3个16位可编程定时/计数器·256x8bit内部RAM·4.5-5.5V工作电压·灵活的ISP字节和分页编程·2个外部中断源·看门狗（WDT）电路·中断唤醒省电模式·8k可反复擦写ISPFlashROM·低功耗空闲和省电模式·32个双向I/O口·时钟频率0-33MHz·双数据寄存器指针2、A/D转换器A/D转换器能够将模拟信号转换成数字信号。在本次设计中它能够把输入的模拟仿真和输出的电流电压转化成具有一定线性关系的数字量。A/D转换器大致可以分为以下五种：并行A/D转换器、A/D转换器、双积分A/D转换器、逐次逼近型A/D转换器和计数器A/D转换器。A/D转换器和双积分A/D转换器在电子秤系统设计中比较常用，因此本次设计选用双积分A/D转换器。双积分A/D转换器的工作原理是将输入的参考电压和模拟电压依次进行积分，与此同时把输入电压的平均数值转换为与其成正比的时间间隔，接下来利用计数器和时钟频率脉冲对此时间间隔进行测定，从而获得数值输出。双积分A/D电路的结构如图3-2所示。图3-2双积分A/D转换电路双积分A/D转换器抗干扰能力较强，产品成本较低。由于电子秤系统对A/D转换速度要求不是很高，所以选用0.5g的ICL7135作为本次电子秤的A/D转换部分是非常合适的。3、键盘输入键盘输入是用户直接向操作系统传达指令的部分，是人机交互界面非常重要的部分。键盘根据单片机操作系统需要设定的功能来确定由多少个工程按键开关构成。一个按键与一个机械开关触点一一对应，当单片机接收到键盘输入的信号时就会完成相应的功能。本智能电子秤系统中采用的键盘是由周立功单片机有限公司设计的ZLG7289，此单片机含有可编程按键指示芯片以及键盘显示功能，内置有译码电路并且支持64键操作，可以更好的扩展整个系统。4、LCD显示屏幕LCD屏幕是作为输出显示部分，它可用来显示购物时间、价格和金额等。它的可视面积较大，画质也很清晰，同时具有强抗干扰能力，作为智能电子秤的输出显示部分再合适不过。液晶显示屏幕的基本原理是:液晶显示屏幕的主要材料是液晶，它的工作温度有特定范围。它既具备晶体的部分光学特性，同时还具备液态物体的流动特性。除此之外它的颜色和透明度会随着磁场、电场以及光照强度等外界条件的变化而变化，进而产生更加逼真的效果。（二）电子秤的设计方案本次设计主要将电子秤的系统分为三个模块:人机界面模块、控制器模块和数据收集模块。人机界面模块主要由键盘输入控制电路以及LCD显示电路构成，负责显示数据及进行人工操作。控制器模块主要有单片机AT89S52，负责对数字化信息进行处理并控制人机交互界面。数据收集模块主要由压力传感器和A/D转换器等构成，它先对数据进行预处理，并将转化后的数字信号传输到控制器。除此之外，还添加了过载和欠载报警显示的特殊功能。图3-3为系统的设计图。图3-3系统设计图（三）智能电子秤的设计目标此智能电子秤的测量范围不超过9.999kg，且具有去皮功能，测量误差在0.005kg之内，LCD显示屏幕可以显示名称、价格、重量以及总金额等，除此之外，当智能电子秤欠载或者超载时会进行报警。

四、系统硬件电路设计（一）主控电路地址总线由P1口以及口组成，其中P1口还作为数据总线复用接口以及低地址线接口，口作为高地址线接口。P2.7用作62256的片选控制总线接口，的使能端口是ALE接锁存器。P3.6和P3.7依次连接62256的/WE和/OE端作为外部数据存储器写/读选通信号输出端。电路图如下图4-1所示。图4-1主控电路图（二）信号处理电路滤波放大电路图如图4-2所示。此电路中选用常用的0.1单片电容作为电容C5和C6，选用常用的22单片电容作为C7和C8，目的都是为了消除采样信号电压中的信号噪声。不同的是C5和C6是为了消除高频信号噪声，而C7和C8是为了消除低频信号噪声。电阻R3和R4不能选用阻值过大的电阻，因为采样信号的电压很小，如果阻值过大则会导致输入电流过小而使放大效果不明显。AD620的接地端口是与741的输出端口相连接的，另外LM741的2脚与6脚相连接以形成电压跟随器。是连接到正负电源之间的，它可以通过改变自身的阻值来调节和之间的电压差，进而实现调零和剥皮的功能。图4-2滤波放大电路图前端信号处理电路图如图4-3所示以及7135的输出时序图如图4-4所示。在模数转换后立即更新输出锁存器，并进行连续扫描，扫描之后输出码。当A/D转换工作时，由低电平切为高电平，接下来位驱动信号D5、D4、D3、D2和D1依次连续地输出。当A/D转换结束后，会连续输出5个的负脉冲，分别位于正脉冲D5、D4、D3、D2和D1的中间，脉宽为T/2。图4-3前端信号处理电路图图4-4输出时序图（三）键盘输入控制电路ZLG7289以串行模式与微处理器进行通信。数据引脚接口把接收的串行数据发送到芯片上，并由引脚同步。当片选信号由高电平转换为低电平时，DATA引脚上的数据信息在引脚信号中是上升沿时写入7289的缓冲寄存器。7289可以对键盘进行扫描。当按下某个按键被检测到时，ZLG7289的引脚9会向发送一个有效低电平。则可以通过P3.0输入端口利用中断或查询的方式串行地读取数据。本次设计采用的是中断的方法，因为查询会消耗许多时间。电路图如图4-5所示。图4-5键盘控制输入电路图（四）报警电路报警电路具有欠量程和过量程指示功能。欠量程和过量程的指示器是由控制系统设计的两组LED灯组成。当系统检测到物品的重量不在称量范围内，即欠量程或过量程，ICL7135会提供高电平信号(欠量程)和OR(过载)，信号经过门后产生的低电平会驱动发光。报警电路图如图4-6所示。图4-6报警电路图

五、系统软件设计目前，硬件技术相对较成熟，想要提高一个产品的竞争力，只有从软件上入手，因而系统的软件设计是非常重要的环节。本次软件设计的关键在于计数和称重的算法，为增强程序的可行性和安全性，程序使用了自上而下的设计方法，将整体编程逐步细化为各个模块。本设计是按模块来分类的，程序主要包含初始化程序、主程序、、A/D转换子程序、键盘子程序和显示子程序。（一）初始化程序设计当单片机系统通电，系统初始化程序启动，A/转换器的系统功能设置和单片机片内各模块的功能设定进入初始化。流程图如图5-1所示，程序见附录。图5-1初始化程序流程图（二）主程序设计初始化后单片机进入主程序，主程序负责完成读取存储参数，对接收到的数据进行处理包含键处理和显示处理等。流程图如图5-2所示，程序见附录。图5-2主程序流程图

（三）信号采样与A/D转换子程序设计程序图如图5-3所示，程序见附录。图5-3信号采样与A/D转换子程序流程图

（四）键盘/显示子程序设计显示模块流程图如图5-4所示，按键扫描模块流程图如图5-5所示，程序见附录。图5-4显示子程序流程图图5-5键盘子程序流程图

六、总结与展望智能电子秤的设计是基于现实市场需求，涵盖了单片机、传感器以及信息处理等多个领域。整个研究过程中，硬件电路设计和软件设计让我得到了充分的思考，在学习实践中掌握了单片机的工作原理，编程方法以及系统设计。本次设计的智能电子秤包含了需要价格、质量、总价的正确显示和单价大小的调节功能。系统以AT89S52单片机为主控核心，以LCD显示屏幕完成显示。程序的设计是以功能性强的C语言作为编程语言为基础，在KeiluVision的开发环境下完成，最终实现电子秤的基本功能。通过这次毕业设计，我了解到了电子秤的发展及原理，熟悉了用Keil编程。这不仅培养了我的编程和设计能力，还锻炼了我自己的工程实践能力。同时我也发现了自己的许多不足，比如专业基础薄弱，缺乏综合应用专业能力，所以我希望自己在今后的学习道路上能够有机会去深入研究单片机。

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附录（一）附录一：硬件原理图（二）附录二：程序代码1、初始化程序{//单片机初始化{}2、主程序 #include"uart.h" //不同量程的传感器此参数值大小不同， voidmain() { //串口初始化输出内容 //液晶初始化界面显示 while(1) { //称重 EA=1; //显示当前重量 //超重或者负重情况下输出error { } else //以下是重量显示各个位对应值进行换算 { //串口输出 } } } { //获取净重 { //计算实物的实际重量 //超重报警 { } else { } } else { } } { } { }3、信号采样与A/D转换子程序while(1){ } } { OSTaskCreate[BLC_STK_SIZE-1],BLC_TASK_PRIO); OSTaskCreate(lcd_task,(void*)0,(OS_STK*)&lcd_TASK_STK[lcd_STK_SI } { //声明一个结构体变量 GPIO_Init