毕业设计---电子称重系统设计

1、毕业综合实践毕业综合实践 课题名称： 作者： 系别： 专业： 指导老师： 电子称重系统设计 学号：09034212 电气电子工程系 电子信息工程技术 专业技术职务副教授 本课题意义及现状、需解决的问题和拟采用的解决方案本课题意义及现状、需解决的问题和拟采用的解决方案 电子秤是科学研究、工业生产和人民生活必需的计量器具， 设计智能化、高精度的电子 秤具有较高的现实意义。 随着时代科技的迅猛发展， 微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量 与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。 常规的仪器表和控制装置被更先进的智能仪器所 取代，使得传统的电子仪器在功能、精度及自动化水平方面发生巨大变化

2、。 总的设计流程是：传感器 放大电路 量程转换电路 A/D转换电路 LCD 显示。 工作流程说明： 当物体放在秤盘上时， 压力施给传感器， 该传感器发生形变， 从而使阻抗发生变化，同时使用激励电压发生变化， 输出一个变化的模拟信号。 该信号经放 大电路放大输出到模数转换器。转换成便于处理的数字信号输出到CPU 运算控制。CPU 根 据键盘命令以及程序将这种结果输出到显示器。直至显示这种结果。 做为重要测量仪器，智能电子秤在各行各业开始显示其测量准确，测量速度快，易于 实时测量和监控的巨大优势， 并开始逐渐取代传统的机械杠杆测量秤成为测量领域的主流产 品。 指导教师意见指导教师意见： 指导教师：

3、 年月日 专业教研室审查意见：专业教研室审查意见： 教研室负责人： 年月日 课课题题摘摘要要 随着微电子技术在新世纪的快速发展， 市场上使用的传统称重工具已经完全 不能满足人们的需求。多年来，人们一直期待测量准确、体积小巧、显示直观、 价格低廉的电子秤能够投放到市场上。 电子秤便应运而生。电子秤凭借着传统称重工具不可代替的功能，例如称量 方便，准确度高，自动化控制，操作简单，广泛的运用于人们生活，工业生产， 科学研究中。本电子计价秤设计基于 STC89C52 单片机，量程为 02000 千克。 将桥式电阻应变式传感器输出的电压， 利用 HX711 内置放大电路， 24 位高速 A/D 转换器，

4、转换为相应的数字信号，通过系统软件处理，在 LCD12864 液晶显示屏 上显示所称得的重量。 通过以上叙述， 本次设计的电子秤在保证称量精度的同时， 还要使其小巧化、 价格低廉化，也因这些优点，相信其会得到大众的青睐。 关键词关键词：电子秤传感器单片机 STC89C52 目目 录录 1.引言.1 2 整体方案设计 .2 2.1 设计任务 .2 2.2 设计要求 .2 2.3 方案选择 .2 2.3.2 方案一 .2 2.3.3 方案二 .3 3 硬件电路的设计.4 3.1 传感器电路设计.4 3.2 放大电路及 A/D 转换电路设计.6 3.2.1 HX711 芯片介绍 .6 3.2.2 H

5、X711 特点 .7 3.2.3 HX711 引脚功能 .8 3.2.4 HX711 管脚说明 .8 3.2.5 信号放大电路.10 3.2.6 A/D 转换电路 .11 3.2.7 A/D 转换器的主要性能指标 .13 3.3 STC89C52RC 单片机 .14 3.3.1 STC89C52RC 引脚功能 .15 3.3.2 复位电路.16 3.3.3 晶振电路.16 3.4 自动量程控制电路.17 3.4.1 CD4052B 介绍 .17 3.4.2 自动控制量程工作过程.18 3.5 键盘电路.19 3.6 显示电路.20 4. 软件电路设计.23 4.1 系统总体流程.23 4.2

6、重量显示电路.23 4.3 按键程序处理.24 4.4 按键处理流程图.26 结论.27 致谢.28 参考资料.29 附录 A 电路原理图 .30 附录 B PCB 图.31 附录 C 元器件清单 .32 附录 D 程序清单 .33 1.1.引言引言 在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是出现了秤。随着社会科技发 展，传统的纯机械结构（如杆秤、磅秤等）秤量装置逐步被淘汰，而电子秤以其 准确、快速、方便、显示直观等诸多优点深受人们青睐。电子秤精度高并降低成 本，其发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化，其技术性能趋向是速率高、 准确度高、稳定性高、 可靠性高，其功能趋向是称重计量的控制信息

7、和非控制信 息并重的“智能化”功能，其应用性能趋向于综合性和组合性。 电子秤的称重功能是基于微电脑控制芯片处理器这一核心技术来实现的。 由 于目前在设计电子秤系统时大量地采用集成芯片， 因此电子秤系统已经摆脱了以 往的电子模式，正趋向智能化多元化方向发展。在此基础上可以实现系统功能的 扩展，比如与上位机的通讯，在上位机上利用图形化界面的操作软件实现数据库 管理等。 电子秤由于自身的精度高、功能强和使用方便，实际使用的电子秤有较高的 性价比，在很多领域完全可以取代那些机械式的称重工具。在具体开发电子秤的 系统时应该根据用户的客观需要，再结合系统硬件和软件，从而可以开发出一套 实际使用价值极大的电

8、子秤系统。目前， 随着电子技术的飞速发展，微处理器应 用技术的日趋成熟，必将推进基于微处理器为核心的电子秤系统功能的日趋完 善，因此多元化智能电子秤具有广泛的应用前景和开发价值！ 第 1 页 2 2 整体方案设计整体方案设计 2.12.1 设计任务设计任务 1设计满足性能指标要求的电路，画出原理图。 2设计 PCB 并制板。 3安装调试成功。 4完成论文写作。 2.22.2 设计要求设计要求 本文主要完成一个简单实用数字电子秤的硬件电路部分和软件部分的设计。 在设计的过程学会使用单片机对电子秤的各种功能进行控制。 要求设计电子称重 系统，选用电阻应变片作为力传感器，包括测量电路、信号放大电路、

9、信号转换 电路和显示电路。其性能要求是： 1、测量范围在（0-1.99Kg，0-19.99Kg，0-199.99Kg，0-1999Kg）； 2、测量精度为 0.5 级 ； 3、非线性误差为 1% ； 4、自动量程控制电路。 2.32.3 方案选择方案选择 单片机以其功能强，体积小，功耗低，易开发等很多优势被广泛应用。但单 片机不是万能的，也存在不适合的场合，我们要充分利用单片机的内部资源和选 择合适的单片机来完成我们的设计。 本数字电子秤的设计过程中需要用到 A/D 转 换、键盘、液晶显示、复位电路和蜂鸣器报警驱动电路的知识，同时在软件的设 计过程中需要用到键盘扫描、 液晶显示驱动、 模数转换

10、程序， 可以很好的将数电、 模电、单片机知识进行综合应用。在综合应用中进一步熟悉单片机设计的开发各 个流程，最终达到巩固基础、注重设计、培养技能、追求创新、走向实用目的。 2.3.2 方案一 通过称重电桥产出电压信号，经放大电路把信号放大后输入 A/D 转换芯片 进行数据转换，再将得到的数字信号送至单片机进行处理输出显示。此方案优点 是可控制性好，电路简单，原理清晰，采用单片机对采集的数据稍加处理，能通 过软件在一定程度上弥补与调试硬件所无法避免的数据抖动， 使最终所得的数据 第 2 页 更可靠。其中自动换挡功能采用软件实现。 A/D 传感器放大电路 转 换 电 路 单 片 机 自动换挡电路

11、显示电路 图 1.1 方框图一 2.3.3 方案二 整个电子秤电路由传感器、放大电路、A/D 转换电路、89c52 单片机、量程 控制电路、键盘和显示电路等 7 部分组成。其功能是被测信号经放大整形后送入 单片机， 由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出被测物 体的重量。 单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗 低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点。但其缺点是外围电路比较复杂,编 程复杂。 20mV 传感器放大电路 40mV 量程控制 CD4052B STC89c52 单片机 HX711A/D转换 电路 键盘控制 显示电路 图 1.2 方框图二 结

12、合上面所讲，鉴于本电子秤的设计并不太复杂，单片机完全能实现所需功 能，所以在具体设计时，采用了第二种设计方案。 第 3 页 3 3 硬件电路的设计硬件电路的设计 数字电子秤采用 STC89C52 单片机作为微处理器， 接口电路由晶振、 LCD12864 显示电路、4*4 按键电路、CD4052B 电路、报警电路等组成。 3.13.1 传感器电路设计传感器电路设计 传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号 的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器 中能直接感受被测量的部分， 转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适 于传输和测量的电信号

13、部分。现代科技的快速发展使人类社会进入了信息时代， 在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理， 而传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知获取与检测信息的窗口；传感器 处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息， 都要通过它转换为易传输与处理的电信号。 因此， 传感器的地位与作用特别重要。 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。电阻应变片式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

14、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。 下图为一直流供电的平衡电阻电桥，Ein接直流电源 E： 第 4 页 图 1.3 传感器结构原理图 当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为 电压桥，即只有电压输出。 当忽

15、略电源的内阻时，由分压原理有： uo=uBD=uAB-uAD E( R 1 R 4) R 1 R 2 R 3 R 4 R 1R3 R 2 R 4E =（1.4） (R 1 R 2 )(R 3 R 4 ) 当满足条件 R1R3=R2R4 时，即 R 1 R 2 R 4 （1.5） R 3 u o =0，即电桥平衡。式（1.5）称平衡条件。 应变片测量电桥在测量前使电桥平衡， 从而使测量时电桥输出电压只与应变 片感受的应变所引起的电阻变化有关。 若差动工作，即 R1=R-R,R2=R+R,R3=R-R，R4=R+R,按式（1.4） ，则 电桥输出为 (RR)2E uo (RR)(RR)(RR)(R

16、R) R E R kE (1.6) 第 5 页 (RR)2 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。 由于设计要求需要一电阻应变片为传感器， 所以我选择的是 PLD204D 型电子 称传感器，量程 02000kg，精度为 0.5%，满量程时误差0.05Kg，完全满足本 系统的精度要求。 测力传感器 PLD204D 参数表 图 1.7 额定载荷（Emax） 输

17、出灵敏度 综合误差 非线性 滞后 重复性 蠕变（30 分钟） 零点输出 零点温度漂移 温度灵敏度漂移 输入阻抗 02000kg 1.55%mV/V 0.051%F.S 0.051%F.S 0.051%F.S 0.030.05%F.S 0.05%F.S 2%F.S 0.05%F.S/10 0.05%F.S/10 38510 输出阻抗 绝缘电阻 度补偿范围 工作温度范围 安全过载 极限过载 推荐激励电压 最大激励电压 防封等级 电缆尺寸 3505 5000M /100DC -1050 -3565 120%F.S 200%F.S 5-10V DC 15V DC IP67 2.53000mm 3.23

18、.2 放大电路及放大电路及 A/DA/D 转换电路设计转换电路设计 本次放大设计采用 HX711 芯片，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振 荡器、低噪声可编程放大器。 3.2.1 HX711 芯片介绍 HX711 是一款专为高精度称重传感器而设计的 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 第 6 页 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 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

19、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 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部件。上电自动复位功能简化 了开机的初始化过程。 3.2.2 HX711 特点 1、两路可选择差分输入。 2、片内低噪声可编程放大器，可选增益为 64 和 128 。 3、片内稳压电路可直接向外部传感器和芯片内 A/D 转换器提

20、供电源 。 4、片内时钟振荡器无需任何外接器件，必要时也可使用外接晶振或时钟 。 5、上电自动复位电路 。 6、简单的数字控制和串口通讯：所有控制由管脚输入，芯片内寄存器无需 编程 。 7、可选择 10Hz 或 80Hz 的输出数据速率 。 8、同步抑制 50Hz 和 60Hz 的电源干扰 。 9、耗电量（含稳压电源电路） ： 典型工作电流： 1.7mA, 断电电流： 1A 10、工作电压范围：2.6 5.5V 。 11、工作温度范围：-20 +85。 第 7 页 3.2.3 HX711 引脚功能 管脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 名称 VS

21、UP BASE AVDD VFB AGND VBG INA INA+ INB INB+ 性能 电源 模拟输出 电源 模拟输入 接地 模拟输出 模拟输入 模拟输入 模拟输入 模拟输入 描述 稳压电路供电电源：2.6-5.5V（不用稳压电路时接 AVDD） 稳压电路控制输出（不用稳压电路时为无连接） 模拟电源：2.6-5.5V 稳压电路控制输入（不用稳压电路时应接地） 模拟接地 参考电源输入 通道 A 负输入端 通道 A 正输入端 通道 B 负输入端 通道 B 正输入端 断电控制（高电平有效）和窜口时钟输入 窜口数据输出 晶振输入（不用晶振时为无连接） 输出 X1 RATE DVDD 数字输入 数

22、字输入 电源 外部时钟或晶振输入，0：使用片内振荡器 输出数据速率控制，0：10Hz；1：80Hz 数字电源：2.6-5.5V PD-SCK数字输入 DOUT X0 数字输出 数 字 输 入 3.2.4 HX711 管脚说明 模拟输入 通道 A 模拟差分输入可直接与桥式传感器的差分输出相接。 由于桥式传感器 输出的信号较小，为了充分利用 A/D 转换器的输入动态范围，该通道的可编程增 益较大，为 128 或 64。这些增益所对应的满量程差分输入电压分别20mV 或 40mV。通道 B 为固定的增益，所对应的满量程差分输入电压为40mV。通道 B 应 用于包括电池在内的系统参数检测。 供电电源

23、数字电源（DVDD）应使用与 MCU 芯片相同的数字供电电源。HX711 芯片内额 稳压电路可同时向 A/D 转换器和外部传感器提供模拟电源。 稳压电源的供电电压 （VSUP）可与数字电源（DVDD）相同。稳压电源的输出电压值（VAVDD）由外部 第 8 页 分压电阻 R1、R2 和芯片的输出参考电压 VBG 决定（图 1） ，VAVDD=VBG（R1+ R2） / R2。应选择该输出电压比稳压电源的输入电压（VSUP）低至少 100mV。如果不 使用芯片内的稳压电路， 管脚 VSUP 和管脚 AVDD 应相连， 并接到电压为 2.65.5V 的低噪声模拟电源。管脚 VBG 上不需要外接电容，

24、管脚 VFB 应接地，管脚 BASE 为无连接。 时钟选择 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，

25、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 150 mV。 串口通讯 串口通讯线由管脚 PD-SCK 和 DOUT 组成，用来输出数据，选择输入通道和增 益。当数据输出管脚 DOUT 为高电平，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 PD-SCK 应为低电平。当 DOUT 从高电平变低电平后，PD-SCK 应输入 25 至 27 个不等的时钟脉冲（图二） 。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

26、 个时钟脉冲用来选择下一个 A/D 转 换的输入通道和增益。PD-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。DOUT 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。 复位和断电 当芯片上电时，芯片内的上电自动复位电路会使芯片自动复位。管脚PD-SCK 输入来控制 HX711 的断电。当 PD-SCK 为低电平时，芯片处于正常工作状态。如 果 PD-SCK 从低电平变高电平并保持在高电平超过 60 us， HX711 即进入断电状态。 如果使用片内稳压电

27、源电路，断电时，外部传感器和片内 A/D 转换器会被同时断 第 9 页 电。当 PD-SCK 重新回到低电平时，芯片会自动复位后进入正常工作状态。芯片 从复位或断电状态后， 通道 A 和增益 128 会被自动选择为作为第一次 A/D 转换的 输入通道和增益。随后的输入通道和增益选择由 PD-SCK 的脉冲数决定，参见串 口通讯一节。芯片从复位或断电状态进入正常工作状态后，A/D 转换器需要 4 个 数据输出周期才能稳定。DOUT 在 4 个数据输出周期后才会从高电平变为低电平， 输出有效数据。 3.2.5信号放大电路 放大器的输入信号一般是由传感器输出的。传感器的输出信号不仅电平低， 内阻高，

28、还常伴有较高的共模电压。因此，一般对放大器有如下一些要求： 1、输入阻抗应远大于信号源内阻。否则，放大器的负载效应会使所测电压造 成偏差。 2、抗共模电压干扰能力强。 3、在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应 足够小以保证要求的信噪比。从而保证放大器输出性能稳定。 4、能附加一些适应特定要求的电路。如放大器增益的外接电阻调整、方便准 确的量程切换、极性自动变换等。 第 10 页 我们采用结合 HX711 芯片的放大电路，图 1.8 如下： 图 1.8 放大电路 片内低噪声可编程放大器，可选增益 128。 3.2.6 A/D 转换电路 在 A/D 转换器中，输入的模拟

29、信号在时间上是连续的，而输出的数字信号是 离散量。所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间对模拟信号采样，然后再把该 取样值用二进制数表示出来。由于将采样值再用二进制表示出来需要一定的时 间，因此，采样后的模拟量还必须要保持、量化和编码等过程。所以，A/D 转换 过程一般要四步：采样、保持、量化和编码。 （1）采样和保持 采样是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号， 即将时间上连续 变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入的模拟量。如 图 1.9 所示。 第 11 页 图 1.9 采样电路 该电路就是在一系列选定的时间瞬间对输入模拟信号进行采样的电路。 电路 中 S 是理

30、想的模拟开关，CH 是保持电容，S 开关有采样脉冲信号 VS 控制。当 VS 高电平时，开关闭合 VI(t)对电容 CH 充电（采样）；当VS 低电平时，电容器上 采样的电压保持。进而可画出采样后V I (t)的波形，如图 2.0 所示。 图 2.0 采样保持波形图 为了能使采样后的信号不失真地再现原采样前的输入信号，由此，对采样的 信号频率fS就有一定的要求。由采样定理得：fS 2 fi max，式中fi max为输入模拟 信号VI(t)频谱中的最高频率成分。 在实际的 A/D 转换中， 允许存在一定的误差下， 采样脉冲频率fS常按下式选取：fS 2 fi max。 由于每次把采样得到的电压

31、转换为数字量都需要一定的时间， 所以采样以后 必须再将采样电压保持一段时间。因此，进行 A/D 转换时所用的输入电压实际是 每次采样结束时的u i值。 （2）量化和编码 输入的模拟的电压经过采样保持后，得到的是阶梯波。由于阶梯的幅度是任 意的，将会有无限个数值， 因此该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量。另一 方面，由于数字量的位数有限，智能表示有限个数值（n 为数字量智能表示 2n 个数值） 。因此，用数字量来表示连续变化的模拟时就有一个类似于四舍五入的 近似问题。必须将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称 为量化。指定的离散电平称为量化电平。用二进制数码来表示各个量化电平

32、的过 第 12 页 程称为编码。两个量化电平之间的差值称为量化间隔 S，位数越多，量化等级越 细，S 就越小。取样保持后未量化的 U0 值与量化电平 Uq 值通常是不相等的，其 差值称为量化误差，即U 0 Uq。量化的方法一般有两种：舍尾取整法和四 舍五入法。 a、舍尾取整法 舍尾取整量化特性如图 2.1 所示。 图 2.1 舍尾取整量化特性 舍去不足一个量化单位的尾部，取其证书。当 S 表示为量化单位时，即有： 图 10 舍尾取整量化特性 (K 1)S VI KS。取量化值VI (K 1)S。如当 S=1V 时，VI3.8V 时量化值VI 3V； 量化单位的计算：S Vim ，n 是 ADC

33、 的位数Vim采样后的最大值电压。 n2 b、四舍五入法： 大与 S/2 量化单位的尾部归整，舍去小于 S/2 量化单位的尾部。 3.2.7 A/D 转换器的主要性能指标 （1）分辨率 分辨率反映转换器所能分辨的被测量最小值， 通常用输出二进制代码的位数 来表示。 （2）精度 精度是指转换结果相对于实际值的偏差，精度有两种表示方法： a、绝对精度：用二进制最低位(LSB)的倍数来表示。 b、相对精度：用绝对精度除以满量程值的百分数来表示。 应当指出，分辨率与精度是两个不同的概念。同样分辨率的 A/D 转换器其精 度可能不同。 第 13 页 （3）量程（满刻度范围） 量程是指输入模拟电压的变化范

34、围。 （4）线性度误差 理想的转换器特性应该是线性的，即模拟量输入与数字量输出成线性关系。 线性度误差是指转换器实际的模拟数字转换关系与理想的直线关系不同而出现 的误差，通常用多少 LSB 表示。 （5）转换时间 从发出启动转换开始直至获得稳定的二进代码所需的时间称为转换时间。 转 换时间与转换器工作原理及其位数有关。 同种工作原理的转换器， 通常位数越多， 其转换时间越长。 结合系统的设计要求，并考虑到单片机的 I/O 接口资源紧张等因素，最终确 定选用专为高精度称重传感器而设计的 24 位 A/D 转换器芯片 HX711。 3.3 STC89C52RC3.3 STC89C52RC 单片机单

35、片机 STC89C52RC 单片机是宏晶公司推出的一款完全兼容 MCS51 的单片机，单片 机片内集成了 8K 的 FLASH 程序存储器，512 字节的 RAM 数据存储器，至少1K 的 E2PROM，2 个数据指针，1 个 UART，8 个中断源，4 个中断优先级，3 个定时器。 单片机可通过 32 个 I/O 口与外部电路连接。使用 Atmel 公司高密度非易失性存 储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。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

36、众多嵌入式控制应用系统提供灵活、 有效的解决方案。 STC89C52 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。 第 14 页 3.3.1 STC89

37、C52RC 引脚功能 VCC：电源。GND：地。 P0 口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程 序和数据存储器时，P0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下， P0 具 有内部上拉电阻。在闪烁编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时， 输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 输出缓冲器能 驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时

38、可以作为输入口使用。 作为输入使用时， 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因， 将输出电流。 P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能 驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时 可以作为输入口使用。 作为输入使用时， 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因， 将输出电流。在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送“1” 。在使 用 8 位地址访问外部数据存储器时，P2 口输出 P2 锁存器的内容。在闪烁编程和 校验时，P2 口

39、也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P3 输出缓冲器能 驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时 可以作为输入口使用。 作为输入使用时， 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因， 将输出电流。 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

40、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。 第 15 页 图 2.2 STC89C52 引脚图 3.3.2复位电路 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 上的电压与 Vcc 上 的电压

41、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。电容 C1 可取 1033 F，R 取 10k ，充电时间常数为 1010-610103=100ms。 3.3.3晶振电路 STC89C52 单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1 和 XTAL2 分别是放大器的输入、输出端，外接石英晶体或陶瓷振荡器以及补偿电容 C2、 C3 构成并联谐振电路。当外接石英晶体时，电容C2、C3 选 30pF10pF；当外接 陶瓷振荡器时，电容 C2、C3 选 40pF10pF。STC89C52 系统中晶振频率

42、一般在 1.212MHz 选择。外接电容 C2、C3 的大小会影响振荡器频率的高低、振荡频率 第 16 页 的稳定度、 起振时间及温度稳定性。 在设计电路板时， 晶振和电容应靠近单片机， 以便减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠工作。 在本系统中，选择了 12MHz 石英 晶振，电容 C1、C2 为 30pF。其电路图如图 2.3。 图 2.3 STC89C52 单片机复位、晶振电路 3.43.4自动量程控制电路自动量程控制电路 为了保证系统的测量精度, 常常需要设计量程转换功能。 在自动量程转换电 路中, 这里设计采用的方案是用微处理器控制程控增益放大器。这种方法速度 快、精度高,电路简单,判别

43、和设置量程不会占用微处理器大量时间。 3.4.1 CD4052B 介绍 CD4052B 模拟多路器是数字控制的模拟开关,具有低导通阻抗以及低截止漏 电流,模拟信号可以高至 20V 的峰峰值,通过数字控制来完成,这个数字信号可以 从 4. 5V 到 20V (如果 Vdd - Vss =3V,那么 Vdd - Vee 直到 13V 都可以被控制, 如果高于 13V 这个值,Vdd - Vss至少要 4. 5V)例:如果 Vdd = 4.5V,Vss =0V,Vee = - 13. 5V,那么从- 13. 5V 到 4. 5V 的模拟信号都可以被 0 到 5V 的数字信号 控制,当电源在最大的电压

44、范围供电,控制信号是独立的逻辑状态,电路的损耗是 第 17 页 非常低。如果禁止输入信号引脚输入信号是逻辑 1 的话,所有通道关闭。CD4052 的真值表和引脚图见表 2.4 和图 2.5 所示。 CD4052B 真值表图 2.4 输入信号 0 0 0 0 1 A1 0 0 1 1 X A0 0 1 0 1 X 0 x,0y 1x,1y 2x,2y 3x,3y None 图 2.5 CD4052B 引脚图 3.4.2 自动控制量程工作过程 将测量电压范围分为四个档位 ,通过模拟开关选择其中的一个输入端 ,选用 差动 4 通道双向模拟开关 CD4052B 来实现,电源部分用正负电源供电。被测的电

45、 压通过电阻分压网络,将被测的电压进行初步采样,电压量程、 分压系数和对应的 输入电阻值如表 2.6 所示 电压量程、分压系数与对应的输入电阻值表 2.6 量程 0.0000.999V 1.0009.999V 分压系数 1 0.1 输入电阻 大于 10M 5M CD4052B 是独立的四通道多路器,拥有两个二进制输入控制口 A 与 B,还有禁 止输入控制口,二进制输入控制信号选择四对通道中的一对 ,连通模拟信号输入 与输出。 当电路开始工作的时候,单片机将A1 与 A0 置1,此时,CD4052B 中,X3 与COMX 接通, COMY 与 Y3 接通。被测量电压通过又四个电阻组成的分压网络,

46、其中,在 R4 上的压降为被测电压的 0. 0025 倍, R4 上的电压通过 X3、COMX、R5,加在运算放 大器 U3A 上,又因为 U3A 与 R6、D1 组成一个正向电压跟随器, (其中 D1 作用为单 向导通、 使测量表笔极性接反时没有信号通过) ,信号到达 U4A 后,经过由于 U4A、 第 18 页 UAR1、(Y3 - COMY) 、R8 构成了放大倍数接近 1 的同相放大器,加在 MAX1292 的 0 通道上。经过 MAX1292 采样,单片机的处理,如果信号幅值过小(小于 0. 25V) , 则应把量程减小。依次判断调整量程。反过来,量程小的档要测量超出该量程的 电压,

47、则单片机要识别出来,并切换到量程较大的档。 采用不等级分压系数可以有 效提高精度。 工作过程:当电路开始工作的时候,单片机将A1与A0置1,此时, CD4052B中, X3 与 COMX 接通, COMY 与 Y3 接通。被测量电压通过又四个电阻组成的分压网络, 其中,在 R24 上的压降为被测电压的 0. 0025 倍, R24 上的电压通过 X3、COMX、 R5,加在运算放大器 U3A 上,又因为 U3A 与 R26、 D1 组成一个正向电压跟随器, (其 中 D1 作用为单向导通、 使测量表笔极性接反时没有信号通过) ,信号到达 U4A 后, 经过由于 U4A、UAR1、(Y3 - C

48、OMY)、R28 构成了放大倍数接近 1 的同相放大器, 经过单片机的处理,如果信号幅值过小(小于 0. 25V) ,则应把量程减小。反过来, 量程小的档要测量超出该量程的电压 ,则单片机要识别出来,并切换到量程较大 的档。采用不等级分压系数是为了提高精度。具体实现的电路如图 2.7 所示。 自动量程转换电路图 2.7 3.53.5键盘电路键盘电路 电子秤需要实现计价功能，需要配备输入式人机接口（如键盘等） 。电子的 输入键盘，必须具备 0 到 9 的数字键，以实现操作的方便快捷性。 矩阵键盘工作原理: 第 19 页 判断键盘中有无键按下将全部行线 Y0-Y3 置低电平，然后检测列线的状态。

49、只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线 与 4 根行线相交叉的 4 个按键之中。 若所有列线均为高电平， 则键盘中无键按下。 判断闭合键所在的位置在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其 方法是： 依次将行线置为低电平， 即在置某根行线为低电平时， 其它线为高电平。 在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低， 则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。 键盘连接 图 2.8 3.63.6显示电路显示电路 SMG12864G2-ZK 标准中文字符型液晶显示模块(LCM)，采用点阵型液晶显示 器(LCD)，可显示 1

50、28X64 点阵或 8 个 X4 行汉字，点尺寸为 0.48X0.48(WXH)mm， 内置 ST7920 接口型液晶显示控制器， 内带 GB2312 码简体中文字库 （16X16 点阵） ， 可与 MCU 单片机直接连 接，具有 8 位并行及串行的连接方式，广泛应用于各类 仪器仪表及电子设备。 第 20 页 LCD12864 液晶的引脚接线图 如图 2.9 第 21 页 图 3.0 SMG12864G2-ZK 液晶显示器引脚说明 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 符号 VSS VDD NC RS(CS) 引脚说明 电源地 电源正极（+5V） 悬空 数据/命令选择端 编号 11

51、12 13 14 15 16 17 18 19 20 符号 DB4 DB5 DB6 DB7 DB8 NC /RST NC BLA BLX 引脚说明 Data 1/0 Data 1/0 Data 1/0 Data 1/0 H:并行数据模式 L:串行数据模式 悬空 复位端 悬空 背光源正极 背光源负极 R/W(STD)读/写控制信号（串行数据 输入） E(SCLK) DB0 DB1 DB2 DB3 串行移位脉冲输入 Data 1/0 Data 1/0 Data 1/0 Data 1/0 第 22 页 4.4. 软件电路设计软件电路设计 4.14.1 系统总体流程系统总体流程 系统的总体设计主要目标

52、是把由桥式传感器所传播的微弱的电压信号经过 A/D 转换器转换成数字信号，然后传入单片机，经过程序处理后，传到显示器显 示重物重量，并通过键盘输入单价，求得物体总额。通过单价存储，可调用常用 单价进行称重价格计算，计算总额均可在液晶显示屏上显示。系统还可取消常用 价格，重新输入价格。原理图如图 3.1。 开始 系统初始化 显示重量 键盘扫描 图 3.1 系统流程图 4.24.2重量显示电路重量显示电路 A/D 转换器就执行模数转换工作，是数据处理部分的核心。主要分为启动、 读取数据、延时等待转换结束、读出转换结果、存入指定内存单元、继续转换或 退出几个步骤。HX711,通道 A 模拟差分输入可

53、直接与桥式传感器的差分输出相 接。由于桥式传感器输出的信号较小，为了充分利用 A/D 转换器的输入动态范 围，该通道的可编程增益较大， 为 128。这些增益所对应的满量程差分输入电压 分别20mV 或40mV。共模电压应大于1V.通道 B 为固定的 64 增益，所对应 的满量程差分输入电压为40mV。 通道 B 应用于包括电池在内的系统参数检测， 如图 3.2。 第 23 页 开始 读取重量 是否小于补 偿重量 NO 计算重量 Yes 重量为零 分解数值 显示重量 结果 图 3.2 重量显示流程图 4.34.3 按键程序处理按键程序处理 系统采用 44 矩阵键盘作为输入接口，44 矩阵键盘连接在 P2 口的 8 个 I/O 口上， 工作原理如下： 首先把所有列线 P1.0P1.3 置为低电平， 行线 P1.4 P1.7 置为高电平。当列线引脚检测到高电平时，说明有键按下，将高电平的引 脚记下，反之，则无按键按下。如有键按下，则将行线引脚置低电平，列线引脚 置高电平，检测行线高电平引脚的位置，