基于单片机的电子称.docx

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基于单片机的电子称

智能仪器课程项目设计报告

题目:

托盘式电子称

姓名:

学号：

专业班级:

11级自动化4班

2014/6/20

目录

第1章系统分析3

1.1选题背景和意义3

1.2国内外电子秤发展及成果4

1.3电子秤的组成以及工作原理5

1.4系统功能5

1.5指标要求6

第2章方案论证与系统总体设计7

2.1系统总体设计方案比较与论证7

2.2系统总体设计9

2.21总体设计的基本工作原理电路方框图9

第3章基本原理与理论分析10

3.1工作流程10

3.2系统元器件选型10

3.2.1显示器选择10

3.2.2AD转换芯片11

3.2.3传感器选择13

3.2.4控制单片机的选型15

第4章系统硬件电路设计18

4.1MCU最小系统及外扩电路18

4.1.2系统显示电路设计19

4.1.3超重报警提示电路设计22

4.1.4按键输入电路设计22

第5章系统软件设计24

5.1C语言在单片机中的应用及编译环境24

5.2电子秤的软件设计与实现25

5.3系统主程序软件流程图26

5.4系统显示部分流程图26

5.5系统按键检测部分流程图27

第6章系统测试与误差分析28

6.1系统硬件实物28

6.2系统调试中遇到的问题29

6.3系统调试结果29

第7章总结与改进方案32

7.1系统总结32

7.2系统不足及改进33

致谢33

参考文献33

第1章系统分析

1.1选题背景和意义

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。

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。

称重装置不仅是提供重量数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，推进了工业生产的自动化和管理的现代化，它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。

称重装置的应用已遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效益。

电子秤是称重技术中的一种新型仪表，广泛应用于各种场合。

电子秤与机械秤比较有体积小、重量轻、结构简单、价格低、实用价值强、维护方便等特点，可在各种环境工作，重量信号可远传，易于实现重量显示数字化，易于与计算机联网，实现生产过程自动化，提高劳动生产率。

例如标签秤在超市中的应用已经是耳闻目睹的了。

一张小小的标签包含着：

品名、价格、重量等，一一列表在这小小的电子标签上。

标签机的使用大大加快了销售速度，也方便了顾客。

顶尖条码标签称有着许多卓越的特点，以太网功能使管理更加方便。

因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。

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，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。

经过40多年的不断改进与完善，衡器技术也在不断进步和提高。

从世界水平看，衡器技术已经经历了四个阶段，从传统的全部由机械元器件组成的机械称到用电子线路代替部分机械元器件的机电结合秤，再从集成电路式到目前的单片机系统设计的电子计价秤。

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。

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。

1.2国内外电子秤发展及成果

随着第二次世界大战后的经济繁荣，为了把称重技术引入到生产工艺过程中去，对称重技术提出了心动要求，希望称重过程自动化，为此电子技术渗入衡器制造业。

在1954年使用了带新式打印机的倾斜式秤，其输出信号能控制商用结算器，并且用电磁铁机构与人工操作的按键与办公机器联用。

在1960年开发出了与衡器相联的专门称重值打印机。

当时带电子装置的衡器其称量工作是机械式的，但与称量有关的显示、记录、远传式控制器等功能是电子方式的。

电子称的发展过程与其他事物一样，也经历了由简单到复杂、又粗糙到精密、由机械到机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。

特别是近30年以来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出信号的电子衡器。

这是由于电子衡器不仅给出质量或重量信号，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制和检验功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。

近年来电子称已愈来愈多地参与到数据的处理和控制过程中。

现代称重技术和数据系统已经成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可或缺的组成部分。

随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子称的发展奠定了基础，国外如美国、西欧等一些国家在20世纪60年代就出现了0.1%称量准确度的电子称，并在70年代中期约对75%的机械称进行了机电结合式改造。

我国的衡器在20世纪40年代以前还全是机械式的，40年代开始发展了机电结合式的衡器。

50年代开始出现了以称重传感器为主的电子衡器。

80年代以来，我国通过自行研究引进消化吸收和技术改造。

已由传统的机械式衡器步入集传感器、微电子技术、计算机技术与一体化的电子衡器发展阶段。

目前，由于电子衡器具有称量快、读数方便、能在恶劣条件下工作、便于与计算机技术相结合而实现称重技术和过程控制的自动化特点，已被广泛应用于工矿企业、能源交通、商业贸易和科学技术等各个部门、随着称重传感器技术以及超大规模集成电路和微处理器的进一步发展，电子称重技术及其应用范围将更进一步的发展，并被人们越来越重视。

电子衡器产品量大面广、种类繁多，从通用的各种规格的电子称到大型的电子称重系统，从单纯的称重、计价到生产过程检测系统的一个测量控制单元，其应用领域不断地扩大。

根据近些年来电子称重技术和电子衡器的发展情况及电子衡器市场的需求，电子称的发展动向为：

小型化、模块化、智能化、集成化；其技术性能趋向于速率高、准确度高、可靠性高；其应用性趋向综合性、组合性。

1.3电子秤的组成以及工作原理

电子称是利用物体的重力作用来确定物体质量的测量仪器，也可用来确定与物体质量相关的其他量的大小，参数，或特性。

电子称一般由以下三部分组成。

承重、传力复位系统，称重传感器，测量显示和数据输出的的载荷测量装置。

当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力－电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系（一般成正比关系）的电信号（电压或电流等）。

此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数（A/D）器进行转换，数字信号再送到微处器的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各种功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。

运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示，或送打印机打印。

一般地信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。

1.4系统功能

托盘式电子秤具有称重精确度高，简单实用，成本低，制作简单，测量准确，分辨率高.利用1602液晶实时显示重量，矩阵按键控制刨皮清零，输入修改单价和计算总价。

超出測重范围有声光报警电路。

1.5指标要求

图1.1各项指标

第2章方案论证与系统总体设计

2.1系统总体设计方案比较与论证

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：

方案一数码管显示：

结构简图如下：

图2.1数码管显示方案

此方案利用数码管显示物体重量，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机。

由此设计出的电子秤系统，硬件部分简单，接口电路易于实现，并且在编程时大大减少程序量，在电路结构上只有简单的输出输入关系。

缺点是：

硬件部分简单，虽然可以实现电子称基本的称重功能，但是不能实现外部数据的输入，无法根据实际情况灵活地设定各种控制参数。

由于数码管只能实现简单的数字和英文字符的显示，不能显示汉字以及其他的复杂字符，不能达到显示购物清单的要求。

又因为采用了具有模数转换功能的单片机，系统电路过于简单，系统硬件的扩展必受到限制，电子秤的功能过于单一，达不到设计的标准。

方案二在前一种方案的基础上进行扩展，增加一键盘输入装置，增加外界对单片机内部的数据设定，使电子称实现称重计价的功能。

结构简图如下图所示：

图2.2带有键盘输入的结构简图

此方案设计的电子秤，可以实现称物计价功能，但是局限于数码管的功能，在显示时只能显示单价、购物总额以及简单的货物代码等。

在显示重量时，如果数码管没有足够的位数，那么称量物体重量的精度必受到限制，所以此方案需要较多的数码管接入电路中。

这样在处理输入输出接口时需要另行扩展足够多的I/O接口供数码管使用，比较麻烦。

方案三前端信号处理时，选用放大、信号转换等措施，尤其在显示方面采用具有字符图文显示功能的LCD显示器。

这种方案不仅加强了人机交换的能力，而且满足设计要求，可以显示购物清单、所称量的物体信息等相关内容。

结构简图如下图所示：

图2.3LCD显示的方案

目前单片机技术比较成熟，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,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点。

但其缺点是外围电路比较复杂,编程复杂。

使用这种方案会给系统设计带来一定的难度。

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OP07）做成一个差动放大器。

方案三：

HX711是一款专为高精度称重传感器而设计的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。

片内低噪声可编程放大器，可选增益为64和128。

2.2系统总体设计

利用由电阻应变式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号，压力传感器输出的电量是模拟量，数值比较小达不到A/D转换接收的电压范围。

所以送A/D转换之前要对其进行前端放大。

然后，再由A/D转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，传送到显示电路，最后由显示电路显示数据。

其数据显示部分采用LED显示，成本低且能很好地实现所要求的功能。

2.21总体设计的基本工作原理电路方框图

图2.4电路方框图

第3章基本原理与理论分析

3.1工作流程

当物体放在秤盘上时，压力施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，同时使用激励电压发生变化，输出一个变化的模拟信号。

该信号经放大电路放大输出到模数转换器。

转换成便于处理的数字信号输出到CPU运算控制。

CPU根据键盘命令以及程序将这种结果输出到显示器。

直至显示这种结果。

3.2系统元器件选型

3.2.1显示器选择

方案一数码管显示

数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。

共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。

共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

数码管显示信息有限，当显示信息较多时需要多个数码管级联方可，这样会造成硬件连接复杂，成本增加；数码管对大部分字符不能很好的显示，动态扫描时处理不好易出现闪烁现象。

方案二LCD字符液晶显示

采用点阵字符型LCD液晶显示，液晶显示模块具有体积小、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，但采用LCD液晶显示会造成设计成本增加。

LCD1602可以显示2行16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[4]。

具体引脚说明如表图3.1所示。

图3.11602引脚

LCD1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，如表1所示，这些字符有：

阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。

最后综合了多方面因素的考虑采用了方案二，选择LCD1602显示器作为系统的显示界面。

3.2.2AD转换芯片

HX711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64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。

芯片管脚图如图3.2所示。

图3.2HX711管脚定义

HX711典型应用电路如图3.3所示。

图3.3HX711典型应用电路

3.2.3传感器选择

压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。

其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。

压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。

目前多用于加速度和动态力或压力的测量。

压电器件的弱点：

高内阻、小功率。

功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。

电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。

电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。

导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。

电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。

因此，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。

其转换电路常用测量电桥。

直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。

图3.4为一直流供电的平衡电阻电桥，

接直流电源E：

图3.4传感器内部连接图

当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。

当忽略电源的内阻时，由分压原理有：

=（2.1）

当满足条件R1R3=R2R4时，即

（2.2）

=0，即电桥平衡。

式（2.2）称平衡条件。

应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。

若差动工作，即R1=R-△R,R2=R+△R,R3=R-△R，R4=R+△R,按式（2.1），则电桥输出为

（2.3）

应变片式传感器有如下特点：

（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。

（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。

（3）结构轻小，对试件影响小，对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。

（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量[5]。

通过对压力传感器与电阻应变式传感器比较分析，最终选择了第二种方案。

题目要求称重范围0～5Kg,满量程量误差不大于

0.005Kg，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，所以传感器量程必须大于额定称重5Kg。

我们选择的是电阻应变片压力传感器，量程为5Kg，精度为0.01%，满足本系统的精度要求。

3.2.4控制单片机的选型

选择单片机型号的出发点有以下几个方面：

1.市场货源

系统设计者只能在市场上能够提供的单片机中选择，特别是作为产品大

批量生产的应用系统，所选的单片机型号必须有稳定、充足的货源。

2.单片机性能

应根据系统的功能要求和各种单片机的性能，选择最容易实现系统技术指标的型号，而且能达到较高的性能价格比。

单片机性能包括片内硬件资源、运行速度、可靠性、指令系统功能、体积和封装形式等方面。

影响性能价格比的因素除单片机的性能价格外，还包括硬件和软件设计的容易程度、相应的工作量大小，以及开发工具的性能价格比。

3.研制周期

在研制任务重、时间紧的情况下，还要考虑所选的单片机型号是否熟悉，是否能马上着手进行系统的设计。

与研制周期有关的另一个重要因素是开发工具，性能优良的开发工具能加快系统地研制进程。

在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的AT89C51、AT89S51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为ATMELAT89xx做的编程器均带有这些功能。

显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。

写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。

再着，AT89C51、AT89S51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。

8051系列单片机的内部结构是各种逻辑单元及其之间的互连构成的。

其主要由中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、串行接口、并行I/0接口、定时/计数器、中断系统等几大单元，以及数据总线、地址总线和控制总线组成。

AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[7]。

AT89C51单片机特点能与MCS-51兼容，有4K字节可编程闪烁存储器，寿命能够达到1000写/擦循环，数据可以保留时间长达10年，全静态工作：

0Hz-24MHz，三级程序存储器锁定，128×8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。

所以AT89C51符合本次设计的主控芯片。

第4章系统硬件电路设计

4.1MCU最小系统及外扩电路

系统主控电路由AT89S52单片机及晶振电路和复位电路组成，该电路作为整个系统功能实现的核心单元，其连接方式如图4.1所示。

图4.1单片机最小系统

双向8位三态I/O,每个口可独立控制。

51单片机P0口内部没有上拉电阻，为高阻状态，所以不能正常地输出高/低电平，因此该组I/O口在使用时务必要接上拉电阻，一般我们选择接入10K的上拉电阻。

单片机最小系统中晶振也可以6MHz或12MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振。

单片机最小系统晶振的震荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。

起振电容C2、C3一般采用15~33PPpF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好。

晶振全称为晶体振荡器，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。

晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。

这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫机电效应。

他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。

由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。

根据石英晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡回路，即谐振回路。

他们的机电效应是机-电-机-电..的不断转换，由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。

在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路。

由于石英晶体的损耗非常小，即Q值非常高，做振荡器用时，可以产生非常稳定的振荡，作滤波器用，可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线[10]。

单片机利用上电复位电路进行单片机复位操作，接通电源后使单片机复位使单片机回到初始状态，开始执行程序。

单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10~30uf,51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短.

复位电路是用来让单片机返回到初始状态的辅助电路，其作用是当单片机程序跑飞或系统出现死机状态时可以让系统从新恢复工作。

本系统复位电路的设计具有上电复位和手动按键复位两种复位方式。

4.1.2系统显示电路设计

显示部分采用LCD1602液晶显示模块，液晶板上排列着若干5×7或5×10点阵的字符显示位,每个显示位可显示1个字符，从规格上分为每行8、16、20、24、32、40位，有一行、两行及四行三类。

其与单片机的连接电路如图4.2所示

图4.2系统状态显示电路图

1脚和2脚为液晶1602地和电源引脚，3脚为背光调节引脚，通过10K电位器接地，背光可通过电位器来调节亮度；4脚、5脚、6脚为液晶片选控制引脚，