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《便携式手提电子称》
漯河职业技术学院
毕业设计（论文）
题目
便携式手提电子称
系别
机电工程系
专业
电子信息工程技术
班级
09电信三班
姓名
李杨
学号
2009010203028
指导教师
谷广超
日期
便携式手提电子秤
【摘要】
随着我们目前的生活水平提高，经常需要测量物体的重量，于是就用到秤，随着科技的发展与社会的进步，传统的机械秤被电子秤逐渐代替，如今的电子产品都趋向于微型化、小型化、集成化发展，电子秤以其方便、快速计算、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。
便携式手提电子秤具有称重精度高、简单实用、携带方便、成本低、制作简单、测量准确、分辨率高、不易损坏和价格便宜等优点，是家庭生活必备的产品。
其设计由四个控制模块组成：
核心控制模块、测量模块、AD采样放大模块、显示模块，其中测量模块中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。
电阻传感器种类繁多，应用的领域也十分广泛。
它们的基本原理都是将各种被测非电量转换成电阻的变化量，然后通过对电阻变化量的测量，达到非电量电测的目地。
本设计中使用的AD芯片中带有内部放大电路，较小的输入模拟信号就可以满足AD转换器对输入信号的要求，因此可以不用再焊接OP放大电路，AD转换的作用就是把输入的模拟信号转换成数字信号，进行模数转换，然后通过单片机读取AD转换后的信号，经过内部运算处理控制液晶显示当前物体重量。
关键字：
称重传感器、AD、单片机、液晶
【目录】
摘要……………………………………………………………………………………1
引言……………………………………………………………………………………3
1.系统整体设计思路与方案………………………………………………………….4
2、系统方案论证……………………………………………………………………..4
2.1方案的比较…………………………………………………………………..4
3、单元模块介绍及工作原理…………………………………………………………5
3.1测量模块称重传感器………………………………………………………...5
3.1.1称重传感器原理介绍………………………………………………….5
3.1.2电阻应变式传感器的组成以及原理………………………………….5
3.1.3电阻应变式传感器的测量电路……………………………………….5
3.2A/D采样模块…………………………………………………………………6
3.2.1芯片HX711简介……………………………………………………...6
3.2.2芯片特点………………………………………………………………6
3.2.3芯片HX711参考电路………………………………………………..7
3.3核心控制芯片………………………………………………………………..7
3.3.1STC单片机简介……………………………………………………….7
3.3.2STC单片机特点………………………………………………………7
3.3.3芯片外观图…………………………………………………………..8
3.3.4单片机STC89C52RC引脚功能说明…………………………………8
3.3.4单片机STC89C52RC内部框图……………………………………..10
3.4液晶显示模块……………………………………………………………...10
3.4.11602液晶介绍………………………………………………………10
3.4.21602引脚说明……………………………………………………...10
4、系统软件设计………………………………………………….………………...11
4.1C语言在单片机的应用……………………………………………...12
4.2程序流程图………………………………………………....................12
4.3数据处理…………………………………………………………………...13
结论…………………………………………………………………………………..14
致谢…………………………………………………………………………………..15
参考文献……………………………………………………………………………..16
附录A………………………………………………………………………………...17
附录B………………………………………………………………………………...18
附录C………………………………………………………………………………...19
引言
电子秤是日常生活中常用的电子仪器，广泛应用于超市、大中型商场、物流配送中心。
手提电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。
相比传统的机械式衡量工具，电子秤具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点，在外形布局、工作原理、结构和材料上都是全新的计量仪器。
电子秤的设计首先是通过称重传感器将采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。
输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。
放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被关入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制液晶显示，从而显示出被测物体的重量。
目前市场上使用的称重工具，或者是结构复杂，或者是运行不可靠，且成本高，精度稳定性不好，调整时间长，易损坏，维修困难，装机容量大，能源消耗大，生产成本高。
而且目前市场上电子秤产品的整体水平高，部分小型企业产品质量差且技术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。
因此，有针对性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。
面对目前市场上电子秤产品的总体质量不高的局面，除了加强对电子秤产品的日常监督管理之处，还要从根本上推动技术的发展，促进电子秤产品质量的提高，更好地保护消费者的合法权益。
1、系统整体设计思路与方案
首先利用由电阻应变制显示式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号，以模拟信号的方式传送到A/D转换电路中。
再由A/D转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，送给单片机然后通过单片机控制电路，最后由显示电路显示当前物体重量。
具体方案如下：
2、系统方案论证
2.1方案的比较
在设计系统时，针对各个模块实现的功能来设计电子秤的方案有以下几种：
方案一：
结构简图如上图所示：
此方案利用数码管显示物体重量，简单可行，但数码管功耗大，且需要用到5只数码管显示，占用宝贵的I/O口资源，采用高精密放大电路，可以达到AD输入信号的要求，但造成硬件电路模块过多，不利用维护与检修。
方案二：
结构简图如上图所示：
此方案选用内部带有AD的单片机从硬件上大大简化了电路，便于调试，但由于传感器输入电压信号较小，单片机内部自带的10位AD检测不出输入信号的波动，所以放弃。
显示改为1602液晶，显示美观大方且功耗低，增加了人机交换功能。
加有软件校零技术，可以在不同环境、温度下根据硬件工作状态调整当前校验值，工作保证测量的准确度。
方案三：
结构简图如上图所示：
前端放大电路选用电子秤专用AD芯片HX711，内部自带128B增益放大，较小的输入信号就可以满足要求，且使用串口总线节省I/O资源。
目前单片机比较成熟，功能也比较强大，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，体积小和算术运算功能强，技术成熟等优点。
就目前我们容易掌握的技术上来出发，并在达到要求的基础上选择，我们选择第三种方案，外围设计模块简单，单片机完全能实现所需功能也是目前设计选择最优方案。
3、单元模块介绍及工作原理
3.1测量模块称重传感器
3.1.1称重传感器原理介绍
电阻应变式传感器就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化,再经相应的测量电路而最后显示或记录被测量值的变化。
在这里，我们用电阻应变式传感器作为测量电路的核心。
并应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度。
3.1.2电阻应变式传感器的组成以及原理
电阻应变式传感器简称电阻应变计。
当将电阻应变计用特殊胶剂粘在被测构件的表面上时，则敏感元件将随构件一起变形，其电阻值也随之变化，而电阻的变化与构件的变形保持一定的线性关系，进而通过相应的二次仪表系统即可测得构件的变形。
通过应变计在构件上的不同粘贴方式及电路的不同联接，即可测得重力、变形、扭矩等机械参数
3.1.3电阻应变式传感器的测量电路
电阻应变片的电阻变化范围为0.0005—0.1欧姆。
所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。
桥式测量电路有四个电阻，电桥的一个对角线接入工作电压E，另一个对角线为输出电压Uo。
其特点是：
当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，否则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。
测量电桥如图：
TT供应手提秤电子秤用钢片传感器电阻应变称重传感器
Lot02秤钩
3.2A/D采样模块
3.2.1芯片HX711简介
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。
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。
3.2.2芯片特点
•两路可选择差分输入
•片内低噪声可编程放大器，可选增益为32,64和128
•片内稳压电路可直接向外部传感器和芯片内A/D转换器提供电源
•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
•上电自动复位电路
•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
•可选择10Hz或80Hz的输出数据速率
•同步抑制50Hz和60Hz的电源干扰
•耗电量（含稳压电源电路）：
典型工作电流：
<1.6mA,断电电流：
<1μA
•工作电压范围：
2.6~5.5V
•工作温度范围：
-40~+85℃
•16管脚的SOP-16封装
3.2.3芯片HX711参考电路
3.3核心控制芯片
3.3.1STC单片机简介
单片机就是单片微型计算机（Single-ChipMicrocomputer）。
单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU（CentralProcessingUnit）、随机存取存储器RAM（RandomAccessMemory）、只读存储器ROM（Read-onlyMemory）、基本输入/输出（Input/Output）接口电路、定时器/计数器等部件都制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机，从而实现微型计算机的基本功能。
STC89C51RC/RD+系列单片机是宏昌科技推出的新一代超强抗干扰、调整、低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12M时钟、机器周期1us，最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。
3.3.2STC单片机特点
1.增强弄6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051CPU
2.工作电压：
5.5V---3.4V（5V单片机）/3.8V---2.0V（3V单片机）
3.工作频率范围：
0—40MHz,相当于普通8051的0---80MHz.实际工作频率可达48MHz.
4.用户应用程序空间4K、8K、13K、16K、20K、32K、64K字节。
5．片上集成1280字节、512字节RAM。
6.通用I/O口（32/36个），复位后为：
P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。
7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成一片。
8.EEPROM功能
9.看门狗
10.共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用。
11.外部中断四路，下降沿中断或低电平触发中断，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。
12.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。
13.工作温度范围：
0---75℃/-40---+85℃
3.3.3芯片外观图
图3-1STC89C52RC芯片示图
3.3.4单片机STC89C52RC引脚功能说明
STC89C51是标准的40引脚，有2种封装形式，PDIP双列直插式或者PLCC封装形式的方型芯片，40根引脚按功能分为以下4类:
1．电源（2根）
（1）Vcc芯片电源，接+5V；
（2）Vss接地端。
2．时钟（2根）
XTAL1、XTAL2晶体振荡电路反相输入端和输出端。
使用内部振荡电路时，外接石英晶体；外部振荡脉冲输入时，XTAL1接外部时钟振荡脉冲，XTAL2悬空不用。
3．I/O线（4个8位并行I/O端口，共32个引脚）
（1）P0口（P0.0～P0.7）8位双向I/O口。
负载能力8个LSTTL门。
在访问外部存储器时，P0口用于分时传送低8位地址和8位数据信号。
（2）P1口（P1.0～P1.7）8位准双向I/O口。
（“准双向”是指口内部有固定的上拉电阻）。
P1口负载能力为4个LSTTL门。
（3）P2口（P2.0～P2.7）8位准双向I/O口。
P2口负载能力为4个LSTTL门。
用于传送高8位地址信号。
（4）P3口（P3.0～P3.7）8位准双向口。
可做一般I/O口用，同时P3口每一引脚还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。
4.控制线（4根）
（1）ALE/——地址锁存控制端/编程脉冲
正常使用为ALE功能，用来锁存P0口送出的低8位地址。
ALE=1，P0口传送的是低8位地址信号。
ALE=0，P0口传送的是8位数据信号。
通常在下降沿时锁定P0口传送的内容，即低8位地址信号。
（2）——外部程序存储器的读选通信号端
（3）/Vpp——内/外ROM选择端/编程电源
=1时，先访问内部程序存储器,超过4KB后自动转向片外ROM中的程序.
=0时，只访问外部程序存储器,即外ROM。
Vpp，对闪存进行编程时，用于施加编程电源。
（4）RST/VPD——复位/备用电源
正常工作时，为复位信号，在该引脚上连续保持2个机器周期以上高电平，单片机实现复位，一切从头开始，CPU从程序存储器的0000H单元开始取指令执行。
3.3.4单片机STC89C52RC内部框图
3.4液晶显示模块
3.4.11602液晶介绍
液晶具有体积小、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了。
本文以常见的1602CD模块为例，介绍该模块的简单使用。
1602可以显示2行64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。
3.4.21602引脚说明
表3-4-11602引脚说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
双向数据口
2
VDD
电源正极
10
D3
双向数据口
3
VL
对比度调节
11
D4
双向数据口
4
RS
数据/命令选择
12
D5
双向数据口
5
R/W
读/写选择
13
D6
双向数据口
6
E
模块使能端
14
D7
双向数据口
7
D0
双向数据口
15
BLK
背光源地
8
D1
双向数据口
16
BLA
背光源正极
VDD：
电源正极，4.5－5.5V，通常使用5V电压；
VO：
LCD对比度调节端，电压调节范围为0－5V。
接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，但对比度过高时会产生“鬼影”，因此通常使用一个10K的电位器来调整对比度，或者直接串接一个电阻到地；
RS：
MCU写入数据或者指令选择端。
MCU要写入指令时，使RS为低电平；MCU要写入数据时，使RS为高电平；
R/W：
读写控制端。
R/W为高电平时，读取数据；R/W为低电平时，写入数据；
E：
LCD模块使能信号控制端。
写数据时，需要下降沿触发模块。
D0－D7：
8位双向数据总线；
A：
LED背光正极。
需要背光时，BLA串接一个限流电阻接VDD，BLK接地，实测该模块的背光电流为50mA左右；
K：
LCD背光负极，可以直接接地；
4、系统软件设计
在单片机应用系统的开发中，软件的设计是最复杂和困难的，大部分情况下工作量都较大，特别是对那些控制系统比较复杂的情况，往往需要同时考虑单片机的软件硬件资源分配。
本系统的软件设计主要分为系统初始化、校零、输入信号运算、显示处理。
程序设计是一件复杂的工作，为了把复杂的工作条理化，就要有相应的步骤和方法。
其步骤可概括为以下三点：
（1）分析系统控制要求，确定算法：
对复杂的问题进行具体的分析，找出合理的计算方法及适当的数据结构，从而确定编写程序的步骤。
这是能否编制出高质量程序的关键。
（2）根据算法画流程图：
画程序框图可以把算法和解题步骤逐步具体化，以减少出错的可能性。
（3）编写程序：
根据程序框图所表示的算法的步骤，选用适当的指令排列起来，构成一个有机的整体，即程序。
程序数据的一种理想方法是结构化程序设计方法。
结构化程序设计是对利用到的控制结构类程序做适当的限制，特别是限制转向语句（或指令）的使用，从而控制了程序的复杂性，力求程序的上、下语句顺序与执行流程保持一致性，使程序易读易理解，减少逻辑错误和易于修改、调试。
根据系统的控制任务，本系统的软件设计主要有主程序、初始化程序、显示子程序、数据采集子程序、校零子程序和延时程序等组成。
4.1C语言在单片机的应用
C语言是一种通用的计算机程序设计语言，在国际上非常流行。
它既可以用来编写计算机的系统程序，也可以用来编写一般的应用程序。
以前计算机的系统软件主要用汇编语言编写，单片机应用更是如此。
C语言是当前最流行的程序设计语言，它像其它高级语言一样，面向用户，面向解题的过程，编程者不必熟悉具体的计算机内部结构和指令。
C语言又像汇编语言一样，可以对机器硬件进行操作。
如进行端口I/O操作、位操作、地址操作，并可内嵌汇编指令，将汇编指令当作它的语句一样。
我们知道，汇编语言将涉及计算机硬件，所以C语言又像低级语言一样，可以对计算机硬件进行控制，因此人们把它称为介于高级语言与低级语言之间的一种中级语言。
正是因为C语言具有这样的特性，所以很适合编写要对硬件进行操作的软件程序。
本设计采用C语言编写。
4.2程序流程图
开始
N
是否校零
Y
输入校零值
数据运算
液晶显示
结束
4.3数据处理
测量精度和可靠性是电子秤设计的关键，引入软件数据处理技术，可以克服或弥补包括传感器在内的各测量环节硬件本身的缺陷或者弱点，使原来靠硬件电路难以实现的信号处理可以得到解决，提高电子秤的综合性能。
在电子称重系统中，主要的数据处理技术有：
无效物理量的消除、校零处理、数字滤波技术等。
4.3.1无效物理量的消除
在称重系统中，称重传感器输出的信号是挂构和AD转换后的信号，实际所要测的是被测物体的重量，因此，挂构是无效的称得量，在信号处理过程中要用软件方法来消除。
4.3.2校零处理
零位不稳定是影响电子秤精度非常重要的因素，因受温度、环境或者其它因素影响将引起零位不稳定，这种现象称为零漂。
由于零漂的影响，零输入信号时，输出可能不为零，为消除这个零位漂移值，采用零位补偿技术，本设计所用的零位补偿就是通过按键来调整当前显示值，直到调到零为止。
注意：
在每次开机使用时请看屏幕显示，进行校零，否则会造成较大测量误差。
4.3.3数字滤波技术
A:
方法：
连续取N个采样值进行算术平均运算
N值较大时：
信号平滑度较高，但灵敏度较低
N值较小时：
信号平滑度较低，但灵敏度较高
N值的选取：
一般流量，N=12；压力：
N=4
B:
优点：
适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波
这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动
C:
缺点：
对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制
不适用比较浪费RAM。
【结论】
毕业设计既是对大学所学知识的总结和运用，更是一次创造性的实践活动。
通过此次实践学到了不少东西，归纳起来，主要有以下五点：
1、了解了进行一项科技设计所必不可少的阶段。
毕业设计能够从理论设计和工程实践相结合、巩固基础知识与培养创新意识相结合、个人作用和集体协作相结合等方面培养学生的全面素质。
经过这次系统的设计，熟悉了一项课题进行研究、设计和实验的详细过程及和导师寻求必要帮助的沟通能力。
这些能力将会在以后的工作和学习中发挥不可估量的作用。
2、学会了如何搜集、归纳、分析所需资料和利用工具书。
平时课堂上所学习的知识大多比较教条化，作为面向科技实践的大学生，由于专业特点自己更要积极查阅当前的最新科技资料。
一个人不可能什么都学过，什么都懂，因此，当在设计过程中需要用到一些不曾接触过的材料时，就要有针对性、有目的的地查找资料，然后加以吸收利用，去粗取精，以提高自己的应用能力，而且还能增长自己的学识，汲取到最新的专业知识。
3、实践能力得到了提高和在实践过程中积累了一些经验。
设计过程是一个很复杂、很繁琐的过程，这就需要在整个过程中目标明确，有计划性的开展设计工作，特别是要有针对性的建立一个时间进度表，来充分合理的利用有限的时间，以使设计达到预订的效果。
4、毕业设计既对以前学过的理论知识起到了回顾作用，并对其加以进一步的消化和巩固，同时也对毕业以后所从事的实际工作有开启作用。
5、毕业设计培养了严肃认真和实事求是的科学态度。
而且培养了吃苦耐劳、锲而不舍的专研精神以及相对应的团队意识，同学之间的友谊和互助、导师展现的良师益友的品质也充分的在此次毕业设计活动当中得到了体现，而且也很好的教育了我。
【致谢】
经过几个月的努力，终于按照毕业设计进度要求如期完成了实用手提电子秤控制系统的硬件设计任务。
在做毕业设计的过程中，虽然碰到了不少的困难，但是在老师和同学的指导以及自己的努力下，终于取得了一定成果。
由于时间和知识水平
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