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基于单片机的电子秤的设计毕业设计
基于单片机的电子秤的设计
摘要
随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。
为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，在本设计中将智能化、自动化、人性化用在了电子称重的控制系统中。
本系统主要由单片机来控制，测量物体重量部分由称重传感器及A/D转换器组成，加上显示单元，此电子秤俱备了功能多、性能价格比高、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。
本系统以AT89S52单片机为主控芯片，外围附以称重电路、显示电路、报警电路、键盘电路等构成智能称重系统电路板，从而实现自动称重系统的称重功能、报警功能、数据计算功能以及人机交换功能。
可以说,此设计所完成的电子秤很大程度上满足了应用需求。
关键词AT89S52，CZAF-602压力传感器，A/D转换器，LCD显示器.
Abstract
Withtheapplicationofmicroelectronictechnology，thetoolsoftraditionalweighingonthemarkethavecan'tsatisfythedemandsofpeople.Inordertochangetheproblemoftheapplicationoftraditionalweighingtoolsintheusingofdailylife,thedesignwillbeintegratedwithintelligence,automationandhumannatureintheelectronicscaleswithweightcontrolsystem.Thissystemmainlycontrolledbythesinglechipmicrocomputer,measuredbyweightingtransducerandA/Dconvertercomponentandaddedwiththedisplayunit,theelectronicscalesareaptitudeforthehighratioofperformance,multi-function,lowpowerconsumption,anditissimpleenough,especiallyitisgiventhecharacteristicwithEasy-to-useintuitively,Speed,Measureaccurately,Higherautomation.
ThesystemtakeAT89S52SCMasthemaincontrollerchip,anditsperipheralcircuitattachtointegratedcircuit,displaycircuit,alarmcircuit,keyboardcircuitwhichintegratetheweighingsystemcircuitboard,sothedesigncanrealizetheautomaticweighingsystemfunction,alarmfunction,weighingdatacalculationfunctionandMan-machineexchangefunction.Wecansaythatthedesignofcompleteelectronicscaleslargelymeettheapplicationrequirementsperfectly.
KEYWORDS:
AT89S52，CZAF-602sensor，A/Dconverter，LCDDisplay.
第一章绪论
1.1研究目的和意义
传统的机械秤有很多缺点，比如精度不高，结构复杂，易老化，成本高等。
随着社会的发展，市场对秤的要求的越来越高，尤其是人体秤、厨房秤等各类便携式小型秤。
电子秤与传统的机械秤相比有许多优越性，它用压力传感器取代机械秤的弹簧大大减小了秤的体积和制造难度，以LCD或LED显示屏取代传统的刻度盘使外形更加美观，由于内部集成了单片机以及软件系统，电子秤还拥有传统机械秤无法比拟的智能性。
他可以完成过载报警，总价计算，数据通信等众多功能。
目前市场上使用的称量工具，或者结构复杂，或者运行不可靠，且成本高，而且整体水平不高，部分小型企业质量差且技术薄弱，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，有针对性的开发出一套具有实用价值的电子秤系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善电子秤应用中的不足之处，具有现实意义。
1.2电子称重系统的应用领域
电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。
电子秤的应用领域主要分为工业计量和民用消费类。
在工业计量应用领域有电子天平，珠宝秤，市场计价秤等；而民用秤主要有厨房秤，人体秤，便携式口袋秤等。
工业计量应用对精度要求较高，而民用消费类的应用对精度的要求不高，但对秤的外观，智能性，便携性却有很高的要求。
1.3国内外研究现状、发展动态
称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。
50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。
60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过40多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。
现今电子衡器制造技术及应用得到了新发展。
电子称重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。
通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、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。
在国内，上海友声衡器有限公司和深圳市汇思科电子科技有限公司两家公司做的比较出色。
上海友声衡器有限公司,产品特点：
一、电路集成度高、简单可靠。
采用目前世界上最先进的Σ-Δ增量调制型单片集成AD转换技术，与目前大部分衡器厂家所采用的传统双积分电路相比，具有精度高、采样速度快、集成度高、电路简单、维修特别方便等优势，尤其是电路的长期可靠性和互换性优越，保证了大规模生产的稳定质量。
二、低功耗设计。
产品设计紧跟电子技术发展潮流，从传感器供电电路、主机电路设计到器件选择，均符合低功耗要求。
部分液晶显示型号产品在内置蓄电池充足电后最多可以工作400多小时，该指标在同类衡器产品中处于领先地位。
在国外，电子称重行业主要有：
美国SETRA西特公司、德国赛多利斯、日本石田电子秤、瑞士托利多电子秤等几个优秀的电子秤产商电子秤。
其中，美国Setra（西特）品牌成立于1967年，以电容技术闻名于世界，其革命性的高精度可变电容原理，已取得了30多项专利，是Setra的压力、加速度、称重产品的技术核心。
经过近40年的研究、开发和持续改进，Setra的产品在HVAC/R，工业过程控制、测量测试、环境参数测量和半导体超纯测量等领域享有盛名。
西特电子天平从1982年开始，Setra（西特）将其高超的电容技术应用于电子天平，设计出极具竞争力的电子天平和各种称重系统。
1.4主要工作以及论文结构
本课题的主要设计思路是：
利用压力传感器采集因压力变化产生的电压信号，经过电压放大电路放大，然后再经过模数转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机。
单片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的重量及总额，然后再显示出来。
此外，还可通过键盘设定所称物品的价格。
在设计期间，本人努力查阅相关资料，对称重的基本原理以及各软件、硬件模块做了认真的分析、研究。
根据性能成本考虑，在以下几方面做了仔细的分析研究，主要有：
系统模块的划分、A/D精度的考虑、单片机与外围模块的接口电路以及电子秤应用程序的实现等。
论文的结构如下：
第二章叙述了系统的方案论证以及硬件设备的选型。
第三章详细叙述了硬件电路的设计过程，主要是各个模块的具体设计过程，以及各部分性能指标的要求和实现。
第四章叙述了该设计软件部分的设计思路，主要是主程序和各个子程序的详细设计方案。
第五章叙述了该设计仿真和调试结果。
第六章论文工作的总结。
第二章系统方案论证与选型
按照本设计功能的要求，本设计大致可分为五个模块：
数据采集模块、信号放大模块、模数转换模块、单片机控制模块、人机交换模块。
（其中人机交换模块中包括:
声光报警、LCD显示、键盘输入）系统设计总体方案框图如图2-1所示。
图2-1设计思路框图
测量部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设计为电压信号），而后经处理电路（如滤波电路，差动放大电路，）处理后，送A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出。
控制器部分接受来自A/D转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号，并将其存储到存储单元中。
控制器还可以通过对扩展I/O的控制，对键盘进行扫描，而后通过键盘散转程序，对整个系统进行控制。
数据显示部分根据需要实现显示功能。
2.1控制器部分
本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器,而且以单片机为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。
这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。
再则由于系统没有其它高标准的要求，根据总体方案设计的分析，设计这样一个简单的的系统，可以选用带EPROM的单片机，由于应用程序不大，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展存储器，这样电路也可简化。
INTEL公司的8051和8751都可使用，在这里选用ATMEL生产的AT89SXX系列单片机。
AT89SXX系列与MCS-51相比有两大优势：
第一，片内存储器采用闪速存储器，使程序写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路体积更小。
此外价格低廉、性能比较稳定的MCPU，具有8K×8ROM、256×8RAM、3个16位定时计数器、4个8位I/O接口。
这些配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求。
最后我们最终选择了AT89S52这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。
AT89S52内部带有8KB的程序存储器，基本上已经能够满足我们的需要。
2.2数据采集部分
电子秤的数据采集部分主要包括称重传感器、信号放大电路和A/D转换电路，因此对于这部分的论证主要分三方面。
2.2.1传感器的选择
在设计中,传感器是一个十分重要的元件,因此对传感器的选择也显的特别的重要,不仅要注意其量程和参数,还有考虑到与其相配置的各种电路的设计的难易程度和设计性价比等等.传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。
一般来说，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。
但在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。
传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素后，经过大量的实验而确定的。
为保证电子秤称量结果的准确度，克服传感器在低量程段线性度差的缺点。
在实际工作中，要求称重传感器的有效量程在20%～80%之间，线性好，精度高。
重量误差应控制在±0.01Kg，又考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以我们确定传感器的额定载荷为5Kg，允许过载为150%F.S，精度为0.05%，最大量程时误差0.01kg。
可以满足本系统的精度要求.
传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。
在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能经受住长时间的考验。
使用特别注意：
传感器属于精密部件，剧烈振动、自由落体、碰撞、过载、过压等等，都非常容易造成传感器永久损坏或者影响精度和线性。
传感器是测量机构最重要的部件，目前常用的有电阻应变是压力传感器和电容式压力传感器、压电式压力传感器。
选用是应按着稳定性、精度等级、灵敏度、寿命和安装环境依次作为优先考虑。
现比较如下：
1.电容式压力传感器稳定性较差，精度和灵敏度高，寿命较短，对环境要求苛刻，不易长距离传输。
2.压电式压力传感器稳定性好，精度和灵敏度高，寿命长，但大量程的压力传感器有待进一步研究。
3.电阻应变式压力传感器稳定性好，精度和灵敏度较高，寿命较长，对测量环境要求不太严格。
电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片（转换元件）受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小）从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，供后续电路测量和处理。
综合考虑,本设计要实现的电子秤的是绝对压力值，同时为了简化电路，提高稳定性和抗干扰能力，要求使用具有温度补偿能力的电阻应变式压力传感器。
本设计选用CZAF-602压力传感器，其最大量程为5Kg。
CZAF-602压力传感器的接线图如下：
图2-1压力传感器引出线接线图
注释：
黑S-红S+激励电压输入端（简称输入端）
绿+白-GND重量毫伏信号输出端（简称输出端）
CZAF-602压力传感器参数如下表：
表2-1传感器参数
项目参数
项目参数
综合误差：
0.02%F.S
绝缘电阻:
≥5000MΩ（100VDC）
非线性:
0.01%F.S
温度补偿范围:
-10℃~+40℃
滞后:
0.02%F.S
激励电压:
3VDC~12VDC
重要性:
0.01%F.S
使用温度范围:
-20℃~+60℃
零点输出:
±1%F.S
零点温度影响:
0.01%F.S
输入阻抗:
1000±10Ω
灵敏度温度影响:
0.02%F.S
输出阻抗:
1000±5Ω
安全过载范围:
120%
灵敏度:
1±0.1mV/V
极限过载范围:
150%
蠕变:
0.02%F.S
防护等级:
IP66
2.2.2放大电路选择
称重传感器输出电压振幅范围0～2mV。
而A/D转换的输入电压要求为0～2V，因此放大环节要有1000倍左右的增益。
对放大环节的要求是增益可调的（700～1500倍），根据本设计的实际情况增益设为1000倍即可，零点和增益的温度漂移和时间漂移极小。
按照输入电压2mV，分辨率20000码的情况，漂移要小于1µV。
由于其具有极低的失调电压的温漂和时漂（±1µV），从而保证了放大环节对零点漂移的要求。
残余的一点漂移依靠软件的自动零点跟踪来彻底解决。
稳定的增益量可以保证其负反馈回路的稳定性，并且最好选用高阻值的电阻和多圈电位器。
由2.2.1中称重传感器的称量原理可知，电阻应变片组成的传感器是把机械应变转换成ΔR/R，而应变电阻的变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻值120Ω，灵敏系数K=2，弹性体在额定载荷作用下产生的应变为1000ε，应变电阻相对变化量为：
ΔR/R=K×ε=2×1000×10－6=0.002（2-1）
由式2-1可以看出电阻变化只有0.24Ω，其电阻变化率只有0.2%。
这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。
因此，必须采用转换电路，把应变计的ΔR/R变化转换成电压或电流变化，但是这个电压或电流信号很小，需要增加增益放大电路来把这个电压或电流信号转换成可以被A/D转换芯片接收的信号。
在前级处理电路部分，我们考虑可以采用以下几种方案：
方案一、利用普通低温漂运算放大器构成前级处理电路；
普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。
由于A/D转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。
所以，此种方案不宜采用。
方案二、主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器，而构成的前级处理电路；
差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放（如LM324）做成一个差动放大器。
其设计电路如下图：
图2-2利用普通运放设计的差动放大器
方案（三）：
采用专用仪表放大器，如：
INA126，INA121等构成前级处理电路。
下面举例用INA128仪用仪表放大器来实现。
一般说来，集成化仪用放大器具有很高的共模抑制比和输入阻抗，因而在传统的电路设计中都是把集成化仪器放大器作为前置放大器。
然而，绝大多数的集成化仪器放大器，特别是集成化仪器放大器，它们的共模抑制比与增益相关：
增益越高，共模抑制比越大。
而集成化仪器放大器作为心电前置放大器时，由于极化电压的存在，前置放大器的增益只能在几十倍以内，这就使得集成化仪器放大器作为前置放大器时的共模抑制比不可能很高。
有学者试图在前置放大器的输入端加上隔直电容（高通网络）来避免极化电压使高增益的前置放大器进入饱和状态，但由于信号源的内阻高，且两输入端不平衡，隔直电容（高通网络）使等共模干扰转变为差模干扰，结果适得其反，严重地损害了放大器的性能。
为了实现信号的放大，设计电路如下：
图2-3采用INA128设计的放大电路
1）前级采用运放A1和A2组成并联型差动放大器。
理论上不难证明，在运算放大器为理想的情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大。
更值得一提的是，在理论上并联型差动放大器的共模抑制比与电路的外围电阻的精度和阻值无关。
2）阻容耦合电路放在由并联型差动放大器构成的前级放大器和由仪器放大器构成的后级放大器之间，这样可为后级仪器放大器提高增益，进而提高电路的共模抑制比提供了条件。
同时，由于前置放大器的输出阻抗很低，同时又采用共模驱动技术，避免了阻容耦合电路中的阻、容元件参数不对称（匹配）导致的共模干扰转换成差模干扰的情况发生。
3）后级电路采用廉价的仪器放大器，将双端信号转换为单端信号输出。
由于阻容耦合电路的隔直作用，后级的仪器放大器可以做到很高的增益，进而得到很高的共模抑制比。
从理论上计算整个电路的共模抑制比为：
（2-2）
式中：
或
－放大器的总共模抑制比；
－第一级放大器的共模抑制比；
或
－第二级放大器的共模抑制比；
、
、
和
－分别为第一级放大器和第二级放大器的差模增益和共模增益。
经过实际测量，图2-3所示的电路采用图中所给出的参数时，电路的共模抑制比在120dB以上。
有以上分析以及基于电子秤的要求精确度不是很高，所以采取方案二，选择由普通放大器所组成的差动放大器作为本设计的信号放大电路。
2.2.3A/D转换器的选择
A/D转换部分是整个设计的关键，这一部分处理不好，会使得整个设计毫无意义。
目前，世界上有多种类型的ADC，有传统的并行、逐次逼近型、积分型ADC，也有近年来新发展起来的∑-Δ型和流水线型ADC，多种类型的ADC各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求。
目前，ADC集成电路主要有以下几种类型：
（1）并行比较A/D转换器：
如ADC0808、ADC0809等。
并行比较ADC是现今速度最快的模/数转换器，采样速率在1GSPS以上，通常称为“闪烁式”ADC。
它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分组成。
这种结构的ADC所有位的转换同时完成，其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。
缺点是：
并行比较式A/D转换的抗干扰能力差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于8位，因此并行比较式A/D适合于数字示波器等转换速度较快的仪器中。
（2）逐次逼近型A/D转换器：
如：
ADS7805、ADS7804等。
逐次逼近型ADC是应用非常广泛的模/数转换方法，这一类型ADC的优点：
高速，采样速率可达1MSPS；与其它ADC相比，功耗相当低；在分辨率低于12位时，价格较低。
缺点：
在高于14位分辨率情况下，价格较高；传感器产生的信号在进行模/数转换之前需要进行调理，包括增益级和滤波，这样会明显增加成本。
（3）积分型A/D转换器：
如：
ICL7135、ICL7109、ICL1549、MC14433等。
积分型ADC又称为双斜率或多斜率ADC，是应用比较广泛的一类转换器。
它的基本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。
与此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现A/D转换。
积分型ADC两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定，因此所得到的表达式与时钟频率无关，其转换精度只取决于参考电压VR。
此外，由于输入端采用了积分器，所以对交流噪声的干扰有很强的抑制能力。
若把积分器定时积分的时间取为工频信号的整数倍，可把由工频噪声引起的误差减小到最小，从而有效地抑制电网的工频干扰。
这类ADC主要应用于低速、精密测量等领域，如数字电压表。
其优点是：
分辨率高，可达22位；功耗低、成本低。
缺点是：
转换速率低，转换速率在12位时为100～300SPS。
（4）压频变换型ADC：
其优点是：
精度高、价格较低、功耗较低。
缺点是：
类似于积分型ADC，其转换速率受到限制，12位时为100～300SPS。
考虑到本系统中对物体重量的测量和使用的场合，精度要求不是很苛刻，转换速率要求也不高，而双积分型A/D转换器精度高，具有精确的差分输入，重要的是输入阻抗高，可自动调零，有超量程信号输出，全部输出于TTL电平兼容。
且双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。
对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50Hz的工频干扰抑制能力较强，对高于工频干扰（例如噪声电压）已有良好的滤波作用。
只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。
尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。
根据系统的精度要求以及综合的分析其优点和缺点，本设计采用了12位A/D转换器ADC0832。
ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。
其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。
芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。
独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。
通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。
ADC0832的实物图如下图2-4所示：
图2-4ADC0832实物
2.2.4键盘处理部分方案论证
由于电子秤需要设置单价（十个数字键，一个小数点），总共需设置13个键（包括一个清除键和一个确认键）。
本设计采用矩阵式键盘：
矩阵式键盘的特点是把检测线分成两组，一组为行线，一组列线，按键放在行线和列线的交叉点上。
图2-5给出了一个4×4的矩阵键盘结构的键盘接口电路，图中的每一个按键都通过不同的行线和列线与主机相连这。
4×4矩阵式键盘共可以安装16个键，但只需要8条测试线。
当键盘的数量大于8时，一般都采用矩阵式键盘。
结合本设计的实际要求，采用4×4矩阵式键盘。
图2-5矩阵式键盘
2.3显示电路部分的选择
数据显示是电子秤的一项重要功能，是
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