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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

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