电子秤解决方案.docx

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电子秤解决方案

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0-10Kg，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0-10kg，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%，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（～）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：

-（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

下面介绍主程序编写，其他程序略。

（1）头文件和一些宏定义

#include<>

#include<>

#include<>

#include""

#include""

#include""

;

;

int2str（j,str1）;

if（j<10）

elseif（j<100）

{

display_string（3,84,"0"）;

display_string（3,92,str1）;

}

else

{

display_string（3,84,str1）;

}

}

;

.."）;

To_Zero（）;

display_string（1,1,"电子秤初始化成功"）;

display_string（3,1,"重量:

kg"）;

display_string（5,1,"单价:

元"）;

display_string（7,1,"金额:

元"）;

Display_Price（）;

while

（1）

{

和.h 文件拷贝至新建项目，重新编译即可。

当编译生成.hex文件后，就可以下载并进行调试了。

1、USB转串口驱动安装

打开USB驱动文件夹下的安装文件，按提示安装USB转串口驱动程序。

安装完成后，插入USB下载线后，在[开始]-[控制面板]-[打印机和其他硬件]-[设备管理器]，在“端口”分支下有（ProlificUSB-to-SerialCommPort（COMX）。

X表示串口号，如果没有说明USB转串口驱动没有安装，须重新安装。

记住括号里的COM口号。

图22成功安装USB转串口驱动示意图

2、下载程序

打开STC单片机下载软件文件夹，点击运行程序，出现如下界面。

图23下载软件

正确选择MCU类型为STC89C52，COM口（与刚才安装的COM号一致），最高波特率和最低波特率选择高速，如果不成功则尝试降低拨特率，并打开正确的.hex数据文件。

点击“Download/下载”按纽，窗口出现提示：

Chinese:

正在尝试与MCU/单片机握手连接...

Connectionisfailure.Youcantry:

yourMCUPowerOnReset.

operation,thenre-selectCOMPort.

PLCC-DIP/PQFP-DIPSockettracetoolong.

theSTCversion.

stillerror,yourMCUFirmwareiserror

ornull.

Chinese:

连接失败，请尝试以下操作：

1.在单片机停电状态下，点下载按钮，再给单片机上电

2.停止下载，重新选择RS-232串口,接好电缆

3.可能需要先将短接到地

4.可能外部时钟未接

5.因PLCC、PQFP转换座引线过长而引起时钟不振荡，请

调整参数

6.可能要升级电脑端的STC软件

7.若仍然不成功，可能MCU/单片机内无ISP系统引导码，

或需退回升级，或MCU已损坏

8.若使用USB转RS-232串口线下载，可能会遇到不兼容

的问题，可以让我们帮助购买兼容的USB转RS-232

串口线

仍在连接中,请给MCU上电...

按下电路板上的电源按纽，保证其有个失电至上电的过程，则窗口显示开始烧录芯片。

五、运行与使用

1、上电运行

下载完成后程序自动运行，或重上电后程序正常运行，如图23所示。

图23上电运行图

2、键盘操作说明

4*4矩阵键盘定义如下

78910（清0）

45611（删除）

12312（未定义）

14（未定义）015（.）13（确定价格）

其中：

键0—9为数字键，用于单价设定。

键15为小数点，也用于单价设定。

键10为清零键，每次测量之前，请先按清0键，以使重量和价格回零。

键11为删除键，逐位删除敲错的单价。

键13为单价确定键，按下该键则设定的单价有效，开始计算总价。

3、常用使用步骤：

打开电源，屏幕显示电子秤初始化成功，此时重量和单价为0，金额为空；

通过数字键和小数点键键入单价，完成后按下单价确定键。

在支架上放上待称重物体，液晶屏显示重量（单位为kg），单价（单位为元）和总金额（单位为元）。

称重量程为0—10kg，单价设定范围为元—元，总金额显示范围为0元—元。

超过量程声光报警。