单片机电子秤设计报告.docx
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单片机电子秤设计报告
单片机电子秤设计报告
秤是一种在实际工作和生活中经常用到的测量器具。
随着计量技术和电子技术的发展，传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。
和传统秤相比较，电子秤利用新型传感器、高精度AD转换器件、单片机设计实现，具有精度高、功能强等特点。
本课题设计的电子秤具有基本称重、键盘输入、计算价格、显示、超重报警功能。
该电子秤的测量范围为0-40Kg，测量精度达到5g，有高精度，低成本，易携带的特点。
电子秤采用液晶显示汉字和测量记过，比传统秤具有更高的准确性和直观性。
另外，该电子秤电路简单，使用寿命长，应用范围广，可以应用于商场、超市、家庭等场所，成为人们日常生活中不可少的必需品。
一、功能描述
1、采用高精度电阻应变式压力传感器，测量量程0-40kg，测量精度可达5g。
2、采用电子秤专用模拟/数字（A/D）转换器芯片hx711对传感器信号进行调理转换，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。
3、采用STC89C52单片机作为主控芯片，实现称重、计算价格等主控功能。
4、采用128*64汉字液晶屏显示称重重量、单价、总价等信息。
5、采用4*4矩阵键盘进行人机交互，键盘容量大，操作便捷。
6、具有超量程报警功能，可以通过蜂鸣器和LED灯报警。
7、系统通过USB电源供电，单片机程序也可通过USB线串行下载。
二、硬件设计
1、硬件方案
单片机电子秤硬件方案如图1所示：
图1单片机电子秤硬件方案
称重传感器感应被测重力，输出微弱的毫伏级电压信号。
该电压信号经过电子秤专用模拟/数字（A/D）转换器芯片hx711对传感器信号进行调理转换。
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，内置增益控制，精度高，性能稳定。
HX711芯片通过2线串行方式与单片机通信。
单片机读取被测数据，进行计算转换，再液晶屏上显示出来。
矩阵键盘主要用于计算金额。
当被测物体重量得到后，用户可以通过矩阵键盘输入单价，电子秤自动计算总金额并在液晶屏显示。
电源系统给单片机、HX711电路及传感器供电。
2、称重传感器
传感器是测量机构最重要的部件。
称重传感器本身具有单调性，其主要参数指标是灵敏度、总误差和温度漂移。
（1）灵敏度
称重传感器的电灵敏度为满负荷输出电压与激励电压的比值，典型值是2mV/V。
当使用2mV/V灵敏度和5V激励电压的传感器时，其满度输出电压为10mV。
通常，为了使用称重传感器线性度最好的一段称重范围，应当仅使用满度范围的三分之二。
因此满度输出电压应当大约为6mV。
当电子秤应用于工业环境时，在6mV满度范围内测量微小的信号变化并非易事。
（2）总误差
总误差是指输出误差和额定误差的比值。
典型电子秤的总误差指标大约是0.02%，这一技术指标相当重要，它限制了使用理想信号调节电路所能达到的精确度，决定了ADC分辨率的选择以及放大电路和滤波器的设计。
（3）漂移
称重传感器也产生与时间相关的漂移。
目前常用的称重传感器有电阻应变式压力传感器、电容压力传感器、压电式压力传感器。
选用时应按稳定行、精度登记、寿命和安装环境要求考虑，其主要特点如下：
（1）电容式压力传感器稳定性较差，精度和灵敏度较高，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尚待进一步研究。
（3）电阻应变式压力传感器稳定性较好，精度和灵敏度较高，寿命较长，对测量环境要求不太严格。
综上所述，选用电阻应变式压力传感器作为电子秤称重传感器是最为合适的。
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。
电阻应变式传感器测量原理如图2所示。
图2电阻应变式传感器测量原理
当垂直正压力P作用于梁上时，梁产生形变，电阻应变片R1、R3受压弯拉伸，阻值增加；R2、R4受压缩，阻值减小。
电桥失去平衡，产生不平衡电压，不平衡电压与作用在传感器上的载菏P成正比，从而将非电量转化成电量输出。
R1、R2、R3和R4组成惠更斯电桥，将2对电阻应变片的阻值变化转变成输出电压，其工作原理如图3所示。
图3测量电桥原理
3、电子秤专用24位AD转换芯片HX711及其电路
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。
HX711内部方框图如图4所示。
其外部管脚如图5所示。
图4HX711内部方框图
图5HX711外部管脚图
图5为HX711芯片应用于计价秤的一个参考电路图。
该方案使用内部时钟振荡器（XI=0），10Hz的输出数据速率（RATE=0）。
电源（2.7～5.5V）直接取用与MCU芯片相同的供电电源。
通道A与传感器相连，通道B通过片外分压电阻与电池相连，用于检测电池电压。
图6HX711计价秤应用参考电路图
本课题设计的HX711电路如图7所示：
图7HX711电路
4、单片机STC89C52及其电路
（1）STC89C52单片机概述
STC89C52系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍，内部集成MAX810专用复位电路。
（2）STC89C52单片机特点
●增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；
●工作电压：
5.5V-3.5V（5V单片机）；
●工作频率范围：
0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz；
●用户应用程序空间4K//8K/16k/32K/64K字节；
●片上集成1280字节RAM；
●通用I/O口（32/36个），复位后为准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）；
●ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器。
●每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA；
●可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；
●有EEPROM功能；
●看门狗；
●内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）；
●时钟源：
外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器；
●用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟；
●常温下内部R/C振荡器频率为：
5.0V单片机为：
11MHz～17MHz；
●共4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；
●外部中断I/O口4路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，PowerDown模式可由外部中断唤醒；
●通用全双工异步串行口（UART）；
●工作温度范围：
-40~+85℃（工业级）/0~75℃（商业级）；
●封装：
PDIP-40,PLCC-44。
（3）STC89C52单片机管脚及封装
STC89C52单片机有多种封装形式，本设计中选用40DIP封装，其管脚定义如图8所示。
图8STC89C52管脚图
本课题设计的电子秤的单片机应用电路如图9所示：
图9STC89C52单片机电路
图中DOUT和PDSCK为单片机与HX711的AD转换电路交换数据的通信线。
beep为蜂鸣器报警信号线，alert为报警灯信号线，RXD和TXD为串口通信线，也可以用于单片机程序的串行ISP下载。
5、液晶屏电路
图10LCD显示电路
液晶屏电路如图10所示。
LCD_CS、LCD_RES、LCD_RS、LCD_SDA、LCD_SCK为液晶模块与单片机接口的控制线。
CS_ZK、SCK_ZK、SO_ZK和SI_ZK为字库和单片机接口的控制线。
该液晶为晶讯联公司的128*64汉字屏JLX12864G-086-PC显示信息。
该显示模块既可以当成普通的图像型液晶显示模块使用（即显示普通图像型的单色图片功能），又含有JLX-GB2312字库IC，可以从字库IC中读出内置的字库的点阵数据写入到LCD驱动IC中，以达到显示汉字的目的。
其接口引脚功能介绍：
表一液晶模块接口引脚功能
6、矩阵键盘电路
矩阵键盘电路如图11所示：
图11矩阵键盘电路
图中4*4矩阵键盘可以显示0-9数字、小数点和五个功能键。
键盘行扫描信号为ROW1—ROW4，列扫描信号为COL1—COL4。
行信号为输入信号，低电平有效；列信号为输出信号。
当没有键按下时，即使行扫描输入低电平信号，列信号仍为高电平；当行扫描为低电平并且有键按下时，相应的列输出低电平。
该低电平信号可以定位至按下键的位置。
7、声光报警电路
声光报警电路如图12所示。
图12声光报警电路
当测量重量超过量程时，beep和alert给出低电平信号，驱动蜂鸣器鸣响，报警灯亮。
8．电源电路
本设计采用USB接口供电，电源电压5V。
同时，USB接口通过内含PL2303芯片的转换电路对单片机进行程序编写。
其电路原理如图所示。
图16供电及程序下载电路
三、Protel硬件开发软件
Protel是目前国内最流行的通用EDA软件，它是将电路原理图设计、PCB板图设计、电路仿真和PLD设计等多个实用工具软件组合后构成的EDA工作平台，是第一个将EDA软件设计成基于Windows的普及型产品。
它集成了软件界面、仿真功能和PLD设计和信号完整性分析，在此基础上Protel99SE又增加了一些新的功能，用户使用更加方便灵活。
Protel的功能十分强大，在电子电路设计领域占有极其重要的地位。
它以其强大功能和实用性，逐渐获得广大硬件设计人员的青睐，是目前众多EDA设计软件中用户最多的产品之一。
1．Protel软件组成
Protel软件主要由电路原理图设计模块、印制电路板设计模块（PCB设计模块）、电路信号仿真模块和PLD逻辑器件设计模块等组成，各模块具有强大的功能，可以很好的实现电路设计与分析。
（1）原理图设计模块（Schematic模块）
电路原理图是表示电气产品或电路工作原理的重要技术文件，电路原理图主要由代表各种电子器件的图形符号、线路和结点组成。
图4.1所示为一张电路原理图。
该原理图是由Schematic模块设计完成的。
Schematic模块具有如下功能：
丰富而灵活的编辑功能、在线库编辑及完善的库管理功能、强大的设计自动化功能、支持层次化设计功能等。
（2）印制电路板设计模块（PCB设计模块）
印制电路板（PCB）制板图是由电路原理图到制作电路板的桥梁。
设计了电路原理图后，需要根据原理图生设计成印制电路板的制板图，然后在根据制板图制作具体的电路板。
印制电路板设计模块具有如下主要功能和特点：
可完成复杂印制电路板（PCB）的设计；方便而又灵活的编辑功能；强大的设计自动化功能；在线式库编辑及完善的库管理；完备的输出系统等。
（3）电路信号仿真模块
电路信号仿真模块是一个功能强大的数字/模拟混合信号电路仿真器，能提供连续的模拟信号和离散的数字信号仿真。
它运行在Protel的EDA/Client集成环境下，与ProtelAdvancedSchematic原理图输入程序协同工作，作为AdvancedSchematic的扩展，为用户提供了一个完整的从设计到验证仿真设计环境。
在Protel中进行仿真，只需从仿真用元器件库中放置所需的元器件，连接好原理图，加上激励源，然后单击防真按钮即可自动开始。
2．PCB板设计
（1）定元件的封装
①打开网络表（可以利用一些编辑器辅助编辑），将所有封装浏览一遍，确保所有元件的封装都正确无误并且元件库中包含所有元件的封装，网络表中所有信息全部大写，一面载入出问题，或PCBBOM不连续。
②标准元件全部采用公司统一元件库中的封装。
③④⑥⑤元件库中不存在的封装，应自己建立元器件库。
（2）建立PCB板框
①根据PCB结构图，或相应的模板建立PCB文件，包括安装孔、禁布区等相关信息。
②尺寸标注。
在钻孔层中应标明PCB的精确结构，且不可以形成封闭尺寸标注。
（3）载入网络表
①载入网表并排除所有载入问题，具体请看《PROTEL技术大全》。
其他软件载入问题有很多相似之处，可以借鉴。
②如果使用PROTEL，网表须载入两次以上（没有任何提示信息）才可以确认载入无误。
（4）布局
①首先要确定参考点。
一般参考点都设置在左边和底边的边框线的交点（或延长线的交点）上或印制板的插件的第一个焊盘。
②一但参考点确定以后，元件布局、布线均以此参考点为准。
布局推荐使用25MIL网格。
③根据要求先将所有有定位要求的元件固定并锁定。
④布局的基本原则
A.遵循先难后易、先大后小的原则。
B.布局可以参考硬件工程师提供的原理图和大致的布局，根据信号流向规律放置主要原器件。
C.总的连线尽可能的短，关键信号线最短。
D.强信号、弱信号、高电压信号和弱电压信号要完全分开。
E.高频元件间隔要充分。
F.模拟信号、数字信号分开。
⑤相同结构电路部分应尽可能采取对称布局。
⑥按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准来优化布局。
（5）PCB设计遵循的规则
①地线回路规则：
图17地线回路规则
环路最小规则，即信号线与其回路构成的环面积要尽可能小，环面积要尽可能小，环面积越小，对外的辐射越少，接收外界的干扰也越小。
针对这一规则，在地平面分割时，要考虑到地平面与重要信号走线的分布，防止由于地平面开槽等带来的问题；在双层板设计中，在为电源留下足够空间的情况下，应该将留下的部分用参考地填充，且增加一些必要的过孔，将双面信号有效连接起来，对一些关键信号尽量采用地线隔离，对一些频率较高的设计，需特别考虑其地平面信号回路问题，建议采用多层板为宜。
②窜扰控制
窜扰（CrossTalk）是指PCB上不同网络之间因较长的平行布线引起的相互干扰，主要是由于平行线间的分布电容和分布电感的作用。
克服窜扰的主要措施是：
A.加大平行布线的间距，遵循3W规则。
B.在平行线间插入接地的隔离线。
C.减少布线层与地平面的距离
③屏蔽保护
图18屏蔽保护
对应地线回路规则，实际上也是为了尽量减小信号的回路面积，多用于一些比较重要的信号，如时钟信号，同步信号；对一些特别重要，频率特别高的信号，应该考虑采用铜轴电缆屏蔽结构设计，即将所布的线上下左右用地线隔离，而且还要考虑好如何有效的让屏蔽地与实际地平面有效结合。
④走线方向控制规则
相邻层的走线方向成正交结构，避免将不同的信号线在相邻层走成同一方向，以减少不必要的层间窜扰；当由于板结构限制（如某些背板）难以避免出现该情况，特别是信号速率较高时，应考虑用地平面隔离各布线层，用地信号线隔离各信号线。
⑤电源与地线层的完整性规则
对于导通孔密集的区域，要注意避免孔在电源和地层的挖空区域相互连接，形成对平面层的分割，从而破坏平面层的完整性，并进而导致信号线在地层的回路面积增大。
四、软件设计
1、软件流程图
本设计主程序使用了定时器，用来实现每0.5秒称重一次的功能，流程图如图19所示。
键盘扫描程序如图20所示。
图19时钟中断程序流程图图20键盘扫描程序流程图
主程序软件流程如图21所示。
图21主程序流程图
3、主程序
下面介绍main.c主程序编写，其他程序略。
（1）头文件和一些宏定义
#include
#include
#include
#include"lcd.h"
#include"hx711.h"
#include"keyboard.h"
//定义量程系数
#defineRATIO2114/1623
（2）管脚、常量、变量定义
//定义标识
volatilebitFlagTest=0;//定时测试标志，每0.5秒置位，测完清0
volatilebitFlagKeyPress=0;//有键按下标志，处理完毕清0
volatilebitFlagSetPrice=0;//价格设置状态标志，设置好为1。
//管脚定义
sbitLedA=P2^2;
sbitbeep=P1^0;
sbitalert=P1^1;
//显示用变量
intCounter;
ucharidatastr1[6]="000000";
inti,iTemp;
//称重用变量
unsignedlongidataFullScale;//满量程AD值/1000
unsignedlongAdVal;//AD采样值
unsignedlongweight;//重量值，单位g
unsignedlongidataprice;//单价，长整型值，单位为分
unsignedlongidatamoney;//总价，长整型值，单位为分
//键盘处理变量
ucharkeycode;
ucharDotPos;//小数点标志及位置
（3）函数声明
voidint2str（int,char*）;
voidData_Init（）;
voidPort_Init（）;
voidTimer0_Init（）;
voidTimer0_ISR（）;
voidINT1_Init（）;
voidKeyPress（uchar）;
voidTo_Zero（）;
voidDisplay_Price（）;
voidDisplay_Weight（）;
voidDisplay_Money（）;
（4）各子程序
//整型转字符串的函数，转换范围0--65536
voidint2str（intx,char*str）
{
inti=1;
inttmp=10;
while（x/tmp!
=0）
{
i++;
tmp*=10;
}
tmp=x;
str[i]='\0';
while（i>1）
{
str[--i]='0'+（tmp%10）;
tmp/=10;
}
str[0]=tmp+'0';
}
//重新找回零点，每次测量前调用
voidTo_Zero（）
{
FullScale=ReadCount（）/1000;
price=0;
}
//显示单价，单位为元，四位整数，两位小数
voidDisplay_Price（）
{
unsignedinti,j;
display_string（5,44,""）;
i=price/100;//得到整数部分
j=price-i*100;//得到小数部分
int2str（i,str1）;
//显示整数部分
if（i>=1000）
{
display_string（5,44,str1）;
}
elseif（i>=100）
{
display_string（5,52,str1）;
}
elseif（i>=10）
{
display_string（5,60,str1）;
}
else
{
display_string（5,68,str1）;
}
//显示小数点
display_string（5,76,"."）;
//显示小数部分
int2str（j,str1）;
if（j<10）
{
display_string（5,84,"0"）;
display_string（5,92,str1）;
}
else
{
display_string（5,84,str1）;
}
}
//显示重量，单位kg，两位整数，三位小数
voidDisplay_Weight（）
{
unsignedinti,j;
display_string（3,60,""）;
//weight单位是g
i=weight/1000;//得到整数部分
j=weight-i*1000;//得到小数部分
int2str（i,str1）;
if（i>=10）
{
display_string（3,60,str1）;
}
else
{
display_string（3,68,str1）;
}
display_string（3,76,"."）;
int2str（j,str1）;
if（j<10）
{
display_string（3,84,"00"）;
display_string（3,100,str1）;
}
elseif（j<100）
{
display_string（3,84,"0"）;
display_string（3,92,str1）;
}
else
{
display_string（3,84,str1）;
}
}
//显示总价，单位为元，四位整数，两位小数
voidDisplay_Money（）
{
unsignedinti,j;
display_string（7,44,""）;
if（money>999999）//超出显示量程
{
display_string（7,44,"-------"）;
return;
}
i=money/100;//得到整数部分
j=money-i*100;//得到小数部分
int2str（i,str1）;
//显示整数部分
if（i>=1000）
{
display_string（7,44,str1）;
}
elseif（i>=100）
{
display_string（7,52,str
升级会员 