基于单片机控制的电子称的设计毕业设计.docx

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基于单片机控制的电子称的设计毕业设计

毕业设计

基于单片机控制的电子称的设计

摘要

本文设计的电子秤以单片机为主要部件，用C语言进行软件设计，硬件则以传感器、放大系统、A/D转换系统、CPU控制系统、LCD显示系统、报警系统及键盘控制系统七个部分组成。

通过对电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量纲（V）改为重量纲（g）即成为一台原始电子秤，在此基础上增加了LCD显示、键盘控制及阈值报警功能，随时可改变上限阈值，调节单价，去皮处理，显示总价格的功能，使本产品智能化，符合现代社会电子信息化的要求。

关键词：

单片机，传感器，A/D转换，LCD显示，阈值报警

THEDESIGNOFMCU-BASEDELECTRONICWEIGHER

ABSTRACT

Inthispaper,SCMwaschosenasthemaincomponentoftheelectronicweigher.SoftwareprogramwasdesignedbyusingClanguage,andthehardwarecontains7parts:

sensor,amplificationsystem,A/Dconversionsystem,CPU,LCDdisplaysystem,alarmsystemandkeyboardcontrolsystemcircuit.Byexaminingthelinearrelationshipbetweentheoutputvoltageandthestandardweight,aspecificmathematicalmodelwasestablished,andthenweshouldchangethevoltagedimensionality（V）toweightvoltage（g）,thusaoriginalelectronicweigherwasobtained.Onthisbasis,theelectronicweighercanbeintelligentizedbyaddingLCDdisplaysystem,keyboardcontrolsystemandthresholdalarmsystem.Theupperthresholdandtheunitpriceoftheelectronicweighercanbechangedatanytime,andthetotalpricecanbedisplayedontheLCD.Thisintelligentizedproductmeetstherequirementsofthiselectronictimes.

KeyWords:

SCM,sensor,A/Dconversion,LCDdisplay,thresholdalarm

第1章绪论

1.1引言

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。

常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高[1]。

20世纪90年代以来，随着科学技术的进步，工业生产自动化、智能化水平的提高，各行业对称重计量提出了许多新要求，归纳起来主要是：

称重技术从静态称重向动态称重方向发展；测量方法从模拟测量向数字测量方向发展；测量特点从单参数测量向多参数测量方向发展；电子衡器产品的技术性能向高速率、高准确度、高稳定性、高可靠性方向发展[2]。

1.2本设计在国内外的研究现状

近几年，我国的电子称重系统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。

电子称重技术逐渐从静态称重向动态称重发展，从模拟测量向数字测量发展，从单参数测量向多参数测量发展。

电子称重系统制造技术及其应用得到了新发展。

国内电子称重技术基本达到国际上20世纪90年代中期的水平，少数产品的技术已处于国际领先水平。

做为重量测量仪器，智能电子秤在各行各业开始显现其测量准确，测量速度快，易于实时测量和监控的巨大优点，并开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量称，成为测量领域的主流产品。

在国际上，一些发达国家在电子称重力一面，从技术水平、品种和规模等方到了较高的水平。

特别是在准确度和可靠性等方面有了很大的提高。

其中梅特勒一托利多公司生产的BBK4系列高精度电子秤精度达到了1mg，速度大约为1次/秒[3]。

目前，电子秤在称量速度方面需要进一步的研究。

在称重传感器方面，国外产品的品种和结构又有创新，技术功能和应用范围不断扩大。

1.3本设计的选题及意义

作为重量测量仪器，智能电子秤在各行各业开始显现其测量准确，测量速度快，易于实时测量和监控的巨大优点，并开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量称，成为测量领域的主流产品[3]。

随着数字信息时代的到来，在工业过程检测和称重计量与控制系统中，数字化电子称和数字称重系统的应用越来越多。

本设计则是以智能电子测量为设计方向，将传感器的输出信号经放大系统放大，再经过A/D转换系统进行模数转换后将信号发送到CPU控制系统处理并传送给LCD显示系统显示。

在此基础上还增加了键盘控制及阈值报警功能，随时可改变称重上限阈值，调节单价，显示总价格，去皮处理等功能，使本产品进一步智能化，更接近本次设计的设计理念。

第2章总体方案设计

在智能化电子测量的设计理念要求下，本设计由以下七部分组成：

电阻应变式传感器、放大系统、A/D转换系统、CPU控制系统、LCD显示系统、报警系统及键盘控制系统。

其结构原理图如图2-1所示。

2.1显示器的选择方案

方案一：

采用LED（数码管）显示。

LED（数码管）是light-emittingdiode的缩写，它经过合理的设置可以完成显示被测物质量、单价、总价以及可测上限值的任务，并且经济耐用。

同时LED具有高亮度，高刷新率的优点，能提供宽达160°的视角，可以在较远的距离上看清楚。

但是它的显示存在信息量少，显示不直观，不易理解，连线复杂等缺点。

方案二：

采用LCD（液晶屏）显示。

LCD（液晶屏）是LiquidCrystalDisplay的缩写，它具有字符显示的功能，不但可以同时显示被测物质量、单价、总价以及可测上限值，还可以同时显示相应的控制命令、指示符号及单位等，信息量丰富且直观易懂。

另外，液晶显示有功耗低，体积小，质量轻，寿命长，不产生电磁辐射污染等优点。

综合比较二者的优缺点，本设计最终采用LCD1602作为显示器。

2.2AD芯片的选择方案

方案一：

采用AD7810作为A/D转换器件。

AD7810是美国模拟器件公司（AnalogDevices）生产的一种低功耗10位高速串行A/D转换器。

该产品有8脚DIP和SOIC两种封装形式，并带有内部时钟。

它的外围接线极其简单，AD7810的转换时间为2μs，采用标准SPI同步串行接口输出和单一电源（2.7V～5.5V）供电。

在自动低功耗模式下，该器件在转换吞吐率为1kSPS时的功耗仅为27μW，因此特点适合于便携式仪表及各种电池供电的应用场合使用。

方案二：

采用ADC0809作为A/D转换器件。

ADC0809是采样分辨率为8位的、微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

综上所述，由于考虑到8位模数转换已经满足本次设计要求，而且ADC0809的价格相对较低，所以本设计采用ADC0809作为模数转换器件。

2.3CPU的选择方案

方案一：

采用传统的8位的51系列单片机作为系统控制器。

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可以提供许多较复杂系统控制应用场合。

而且我们做的很多产品都是在51的基础上完成，对51系列的单片机相对来说较为熟悉。

方案二：

采用32位的ARM2138作为系统控制器。

ARM2138具有强大的存储空间，内嵌32K片内静态RAM和512K的flash存储器，可以实现在系统可编程（ISP）、在应用可编程（IAP），2个8路10位A/D转换器，1个D/A转换器，转换迅速准确，引脚资源丰富，多达47个可承受5V电压的通用I/O口，多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C接口（400Kb/s）、SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP。

但价格相对较高。

综上分析，由于考虑到器件的价格、现有资源和对器件的掌握程度，控制器模块选择方案一。

2.4总体方案的设计

综合考虑本次设计要求、现有元器件资源、元器件价格和对元器件的熟悉掌握程度，本次设计选用AT89C52作为CPU控制器，ADC0809作为模数转换器件，LCD1602作为显示器件，再配以其他相关元器件来实现硬件电路的设计。

图2-1基于单片机控制的电子秤的基本组成框图

传感器的测量电路选用全桥电路，由四个电阻应变计组成。

无外力作用时，桥路平衡，输出电压为零；有外力作用时，电阻应变计的阻值发生变化，桥路失去平衡，有相应的电压输出。

但是由于此电压信号过于微弱，难以被ADC0809采集，则需经过放大电路放大才能经ADC0809进行模数转换。

转换后的数字信号经单片机处理后送显示器显示。

本设计还增加了键盘和报警电路，键盘的功能是调节满量程的上限值和当前的单价，如果被测量的物质重量超出所设定的满量程上限值，则蜂鸣器报警，否则显示当前的重量、单价和相对应的总价。

第3章硬件设计

3.1传感器的设计

3.1.1电阻应变式传感器的组成及原理

电阻应变式传感器由电阻应变计、弹性体和测量电路三部分组成[4]。

本次设计所采用的传感器如图3-1所示。

弹性体在外载荷作用下产生应变时，通过粘接剂传递给电阻应变计，引起电阻值改变，其结果使电桥产生不平衡输出，此输出与外载荷成正比。

常用的电阻应变计有两种：

电阻丝应变计和半导体应变计，本设计中采用的是电阻丝应变计，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用[5]。

图3-1应变式传感器安装示意图

在制作过程中，由于有些电阻应变计本身就存在误差，产生误差的因素很多，在测量时我们一定要特别注意，尤其以温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：

①应变计敏感丝栅电阻温度系数；②应变计丝栅的线膨胀系数与弹性体的线膨胀系数不一致[6]。

因此当温度变化时，在被测体受力状态及大小不变时，输出电压会有一定的变化。

对于因温度变化对桥路零点输出及灵敏度的影响，即使采用同一批应变计，也会因应变计之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。

非线性误差是传感器特性中最重要的一点。

产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善[7]。

 滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。

由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。

3.1.2电阻应变式传感器测量电路的设计

全桥测量电路（全桥电路如图3-2所示）中，将受力状态相同的两片应变计接入电桥对边，不同的接入邻边[8]。

应变计初始化阻值是R1＝R2＝R3＝R4，当其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压Uout＝KEε。

其中K为应变灵敏系数，ε为电阻丝长度相对变化，E为电桥供电电压。

图3-2全桥电路原理图

常规的电阻应变计K值很小，约为2，机械应变度约为0.000001—0.001，所以，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，电阻应变传感器中常用的是桥式测量电路[8]。

桥式测量电路有四个桥臂，其中任何一个都可以是电阻应变计，电桥的一个对角线接入工作电压Ui，另一个对角线为输出电压Uo，如图3-2所示。

其特点是：

当R1R3＝R2R4时，电桥输出Uo为零，电桥处于平衡状态，否则电桥不平衡，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。

为了保证测量的准确性，在实测之间应使电桥平衡，这样输出电压只与应变计感受应变所引起的电阻变化有关。

测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节，我们在制作的过程中应尽量选择好元件，调整好测量的范围的精确度，以减小测量数据的误差。

3.2A/D转换系统的电路设计

本设计采用ADC0809作为A/D转换器件，它是采样分辨率为8位的、微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

3.2.1ADC0809芯片的内部逻辑结构

图3-3ADC0809芯片的内部逻辑结构示意图

由图3-3可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

3.2.2ADC0809芯片的外部结构

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3-4所示。

图3-4ADC0809芯片的引脚结构示意图

IN0～IN7：

8路模拟量输入端；

　　D0～D7：

8位数字量输出端；

　　A、B、C：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路；

　　ALE：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效；

　　START：

A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）；

　　EOC：

A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）；

　　OE：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量；

　　CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ；

　　REF（+）、REF（-）：

基准电压；

　　Vcc：

电源，＋5V；

GND：

地。

3.2.3ADC0809芯片的使用说明

使用时，首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上[12]。

3.2.4模数转换电路的设计

为了调试方便，在设计中加入了电位器，当ADC0809正常工作时，再接入传感器进行调试。

由于ADC0809芯片的时钟频率的要求，则需将单片机的ALE信号分频再传给ADC0809，本设计选用两个D触发器对ALE信号进行分频。

ADC0809芯片的8位数字量输出端直接接单片机的P1口，选用通道0作为模拟量输入端，则需将A、B、C接低电平，电路原理图如图3-5所示。

图3-5A/D转换电路原理图

3.3CPU控制系统的电路设计

3.3.1AT89C52芯片简介

AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合[9]。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本[10]。

AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

本设计选取的AT89C52P采用的是PDIP封装。

AT89C52P为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。

功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。

3.3.2AT89C52芯片的引脚说明

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位以吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻[11]。

图3-6AT89C52芯片引脚图

P1口：

P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

P2口：

P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能。

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

ALE/PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

XTAL1：

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

3.3.3单片机控制电路的设计

在本次设计中，CPU控制系统的设计如图3-7所示：

图3-7CPU电路的设计原理图

包含了复位电路、振荡电路，P0口作为LCD1602的数据端，P1口作为A/D转换后的信号输入端，P2口作为报警电路、键盘电路及LCD1602的控制接口。

3.4显示系统电路的设计

3.4.1液晶显示简介

液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。

液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。

液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。

除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。

如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（SimpleMatrix）和主动矩阵驱动（ActiveMatrix）三种。

本设计采用的是字符式。

用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。

这样一来就组成某个字符。

但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可[13]。

3.4.2LCD1602的结构及引脚功能

LCD1602的结构如下图所示：

图3-8LCD1602的结构图

第1脚：

VSS为地电源。

第2脚：

VDD接5V正电源。

第3脚：

VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。