智能电子秤课程设计报告.docx
《智能电子秤课程设计报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能电子秤课程设计报告.docx（43页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
智能电子秤课程设计报告
单片机课程（设计）
（设计目）题：
智能电子秤
学院：
明德学院
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
机电12151
学号：
学生姓名：
指导教师：
2015年6月20日
贵州大学单片机课程（设计）
诚信责任书
本人郑重声明：
本人所呈交的课程设计，是在指导老师的指导下独立进行研究所完成。
在文本设计中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。
特此声明。
课程（设计）作者签名：
日期：
2015.06.20
智能电子称
摘要
现代社会随着人们生活水平的提高，人们对自己的身体健康越来越关注，而体重又是衡量身体健康与否的一个重要标准，因此用一台体重计定期测量自己的体重是很必要的。
传统的体重秤是仪表形式的，不仅测量的误差比较大，而且读数很不方便，体积上会占用更多的空间。
因此一款便携，易操作，测量精度高的体重秤就很能满足人们的需求。
本文以松翰SN8P1937单片机为核心，基于Auto-Run功能，当待测重量达到体重秤的开机重量时便开始称重，不像以前的体重秤要用脚踩脚踏开关才能开始称重。
该单片机内部集成了16位的AD转换功能，可编程增益放大器，液晶驱动等丰富的片内资源。
该系统只有在称重的时候在正常模式工作，此时会打开硬件资源，其他时间都工作在绿色模式，绿色模式芯片的电流只有几个微安，因此，该款体重秤非常省电，有很好的实用性和环保性。
该设计分为硬件设计和软件设计两大部分。
硬件设计部分分为：
LCD显示部分，压力信号采集与转变，EEPROM，低电压检测模块和部分按键。
由于压力传感器的输出信号是非线性的，所以如果利用线性的处理方法有很大误差，使测量结果不准。
因此采用分段线性的方法完成AD转换部分和放大电路部分的设计。
软件部分先完成各个模块的底层驱动，然后完成应用层的设计，最终使系统达到预期的结果。
关键词：
体重秤，SN8P1937，Auto-Run功能，压力传感器
Intelligentelectronic
Abstract
Modernsociety,aspeople'slivingstandardsimproved,peoplebecomeincreasinglyconcernedabouttheirhealth,asweightisanimportantfactorwhetherhealthyornot.Itisimportantforpeopletouseascalestomeasuretheirweight.Thetraditionalformofinstrumentscalesarenotonlyrelativelylargemeasurementerrors,butalsonoteasyreading，andvolumeofthescaleswilltakeupmorespace.Soaportable,easyoperating,highprecisionscales,clearlymeettheneedsofthepeople.
Inthispaper,SonixSN8P1937MCUcore,basedonAuto-Runfeature,itworkswhenweighttestedreachestheminimumoftheweighingscales,unlikethepreviousofweighingscalesusefootpedaltobegincounting.TheMCUintegratesa16-bitADconversion,programmablegainamplifiers,LCDdriverrichon-chipresourcesandsoon.Thesystemonlyweighingwheninnormalmode,openthehardwareresources,theothertimeworkinginthegreenmode,greenmodeonlycostafewmicroampsofcurrent,sothiskindofweighingscalesisverypowersavingsandhaveagoodpracticalandenvironmentalprotection.
Thedesignisdividedintotwoparts,hardwaredesignandsoftwaredesign.Thepartofhardwaredesignisdividedinto:
LCDdisplaypart,thepressuresignalacquisitionandchange,EEPROM,lowvoltagedetectionmoduleandsomebuttons.Asthepressuresensoroutputsignalisnonlinear,soifthelinearapproachwillcauseerror.ThemethodusedpiecewiselineartocompletethepartofADconversionpartandthedesignofamplifiercircuit.Atfirst,softwarepartcompletethebottomdriverofeachmodule,andthencompletethedesignofapplicationlayer,eventuallythesystemtoachievethedesiredresults.
KEYWORDS:
WeighingScale,SN8P1973,Auto-RunFunction,PressureSensor
诚信责任书...............................................................................................................................II
1绪论
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。
作为体重测量仪器，电子体重秤以其测量的准确性和高速性开始逐渐取代传统的仪表体重秤，成为测量体重领域的主流产品。
1.1引言
重量是测量领域中的一个重要参数，称重技术自古以来就被人们所重视。
公元前，人们为了对货物交换量进行估计，起初采用木材或陶土制作的容器对交换货物进行计量。
以后，又采用简单的秤来测定质量。
据考证，世界上最古老的计量器具出土于中东和埃及，最古老的衡器和砝码出自于埃及。
秤是最普遍、最普及的计量设备，电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。
低成本、高智能化的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。
现在能源危机越来越严重，节能问题越来越被别人关注，功耗越低就越受欢迎。
现在电子产品越来也多，给人们的生活提供很多方便，体重秤作为电子秤的一个分支在人们的日常生活中扮演着越来越不可或缺的角色。
体积小，易操作，易读数，测量精度高，耗电低的体重秤肯定会更加受到人们的青睐。
本设计就是满足上面需求的一种体重秤，采用16位的AD转换，使得测量精度更高；整个秤体积很小，方便携带；采用液晶显示方便使用者读数；通过按键可以切换单位；系统上电后就运行在绿色模式下，内部的高速时钟关闭，所有的硬件资源也关闭，这样电流只有5uA左右，非常省电。
系统每隔1s从绿色模式唤醒一次，当系统检测到重物的重量达到开机重量后便开始进入正常工作模式工作，这样不仅很省电而且其自动开机功能让操作简化。
1.2称重技术和衡器的现状和发展趋势
衡器是通过作用于被测量物体的重力来确定该物体质量的计量器具。
在整个衡器的发展过程中，先后主要出现了六种类型的衡器：
架盘天平、不等臂平台秤、吊车秤、倾斜象限杆秤、弹簧秤和自动秤。
其中，不等臂平台秤（“十进秤”）是当今动态轨道衡的鼻祖，至今它仍是最通用的一种秤。
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，经过40多年的不断改进与完善，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。
我国电子衡器的技术装备和检测试验手段基本达到国际90年代中期的水平。
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，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。
但就总体而言，我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。
通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。
我国的电子衡器要打入国际市场。
参与国际竞争。
就必须执行国际法制计量组织制定的国际建议并要有国际水平的技术与装备、有国际水平的质量。
这就要求企业以技术为先导、以质量为中心、以管理为基础，努力提高制造技术与制造工艺水平，稳定产品质量。
增强国际市场竞争能力。
1.3体重秤的研究现状和发展趋势
体重是人体健康的一个重要指标，所以人们对体重秤的要求也越来越高，从传统的杠杆式到现在的高精度，易操作体重秤，体重秤正在随着人们的需求不断更新。
现在我们可以见到的体重秤有指针式的，和用LCD显示的。
随着人们对精度和测量速度的要求，电子体重秤有广阔的前景。
目前市面上的体重秤做到了占用空间少，操作方便，测量精度高等基本的测量功能，但是集多功能为一体的体重秤将会是未来发展的一个趋势。
智能化和多功能化是体重秤发展的主要方向。
各种新技术、新器件、新理论的出现和计算机网络的飞速发展，必将给体重秤的发展和应用提供广阔的天地。
目前应用比较广泛、技术比较成熟的智能化电子秤已经得到了广泛应用，该系统已经能够集体重测量，身高测量，与PC机通信及数据分析等功能于一体。
随着今后技术的发展，智能化的普及以及系统复杂程度不断增加，体重秤一定会有越来越广泛的发展前景。
可以通过更多的传感器测量人体的血压，脂肪，体重，身高等。
并通过串口通信与PC机进行通信，通过PC机将接收到得数据进行分析和比较，然后结合一些医学常识可以做一个专家系统。
将你自身的数据进行分析，经过专家系统分析后反馈给用户他自身的状况，提醒他应该注意的事项。
这样就可以自己在家里对自己的身体进行实施监控。
随时关注自己身体健康。
特别是对有老人的家庭，这样的系统更是必不可少。
在我国，集多能于一体的体重秤还并没大量普及。
可以预见，多功能，智能化体重秤技术必将随着我国相关技术的发展而逐步完善和成熟，广泛地使用在家庭生活中，将会为提高我国的人民的身体素质及延长平均寿命做出巨大贡献。
[1]
1.4课题提出的背景和意义
在欧洲国家，人们很注意自己的健康状况，体重秤成了每家必备的工具，人们可以搭配自己的饮食结构，使其更加的合理。
随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，人们也开始注意自己的饮食结构和生活质量，我国市场对各种各样的电子秤的需求也越来越旺盛，但是我国体重秤产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等问题一直困扰着我们，针对如此强大的市场需求，对体重秤的深入研究成了一种发展趋势。
而目前市场上的体重秤采用的是指针式的显示方式，测量不准确，精度不够高，只能给出模糊的测量结果，系统的稳定性和抗干扰性能也很差而且系统的功耗高，不利于节能环保。
当然也有一些高档的体重秤，采用LCD显示，转换精度也很高，系统的各项性能和功能也很优越，但是价格又很高，所以就需要设计一款高精度低成本，高性价比的体重秤，本文就是基于此目的，以普通称重系统为例，设计出了一款最大称重150KG，最小起秤重量2KG，低功耗，高可靠性的体重秤。
1.5课题的主要工作及论文结构安排
体重秤主要从系统的整体设计、方案选择和各模块的软硬件实现来说明。
在系统的整体设计和方案选择中对系统选用的各种芯片进行了说明，主控芯片选用的是SONIX公司的SN8P1937芯片，该芯片带有一个内部的16bitAD转换器、一个可编程增益放大器、一个多路开关、内置的温度检测电路和低电压检测电路，所以硬件的设计变的非常的简单，EEPROM选用的是ATMEL公司的AT24C02。
在各个模块电路的实现中，软件设计是本次设计的重点。
论文结构安排如下：
第一章为绪论，主要介绍课题的背景，分析了体重秤的意义和需求，体重秤的发展现状，并依此总结了提出本课题的必要性和以后的工作安排。
第二章对体重秤功能进行讲解，主要对它具有的功能和它的操作过程进行了详细的描述。
第三章为系统总体方案的设计，它主要从系统方案选择，单片机选择以及传感器的选择对系统的设计方案进行确定。
第四章为系统的硬件设计部分，首先讲述了SN8P1937的外部电路，由于SN8P1937具有强大的片内外设，所以在硬件设计的时候只需要按着该芯片的外部电路的要求进行设计即可，其次对各外设电路进行了设计，如键盘电路、EEPROM电路。
第五章为系统的软件设计部分，这部分是整个系统的重点，由于主控芯片SN8P1937的选择使得整个系统的硬件电路变的简单同时它的软件设计就变的复杂，这部分主要分为LCD驱动程序的设计、键盘子程序的设计、AD子程序的设计、电池低压检测子程序的设计、校机子程序，初始化找平衡子程序和数据处理子程序的设计。
第六章为总结。
对全文做了总结，讲述了该系统最终实现的功能。
2体重秤功能描述与操作方法
2.1体重秤的功能
本系统是基于松翰1937单片机设计的，该单片机有丰富的片内资源，在下一章中将会详细介绍。
该单片机有四种工作模式：
正常模式，绿色模式，低速模式，睡眠模式。
绿色模式是一个低功耗模式。
在绿色模式下，只有定时器可以继续工作，其他的硬件资源都已经停止工作，外部高速/内部低速振荡器仍在工作，芯片工作电流降低至5uA（3V），可通过设定T0来确定系统的唤醒时间，也可以由P0/P1的电平触发信号立即唤醒。
在本系统中，采用T0来唤醒，唤醒的时间间隔为1s。
系统上电之后便工作在绿色模式下，每1s唤醒一次，进入正常工作模式，检测待测重物的重量是否达到开机重量（5kg），如果没有到则继续进入绿色模式。
当重物的重量达到5kg的时候，系统进入到正常工作模式，此时硬件资源可以正常工作。
该体重秤系统具有自动开机功能，而且功耗低很低。
可测量的最大重量为150kg，最小测量重量为2kg。
当电池电压低于单片机工作电压或待测物体重量超量程的时候系统会报警，提醒用户。
在本次设计中，体重秤的性能可以从以下几部分说明。
2.1.1称重
体重秤在检测到有压力信号的时候自动开机，在应变片上将重物产生的压力转换成电压信号，送到AD转换器进行转换，最后将人体的体重显示在液晶屏上。
2.1.2零点校正
体重秤在每次开机的时候，会读取当前状态的AD转换的值，并同时将该值记录为零点的AD值，本次开机的测量均是以此为基准。
2.1.3分段校正
由于传感器的传输曲线不是线性的，而是呈现出抛物线的特性，为了保证称重的精度要求，就需要对该传输曲线进行分段线性，使其与传感器的传输曲线达到更好的拟合。
2.1.4增益设置
在称重的过程中可以根据待测物的重量，改变可编程增益放大器的放大倍数。
来达到准确测量。
2.1.5AD采样速率设置
根据采样定理，为了消除混叠干扰，采样速率最小为2倍的信号的速率，以不同的速率采样信号，可以滤除不同频率的杂波，所以可以根据实际应用的情况选择适当的采样速率，使信号更加准确的被转换。
2.1.6AD参考电压设置
不同的传感器需要不同的参考电压，为了增强系统的可扩展性，使系统适应不同的传感器，可以设置AD的参考电压的值。
2.1.7LCD参数设置
LCD的偏压选择、驱动的输出时钟速率和时钟源也是可以控制的，对不同的LCD可以选择相应的偏压和驱动时钟速率，使得系统可以适应不同的LCD屏，增强了系统的可扩展性。
2.2体重秤的操作
以上介绍了体重秤的基本功能，下面介绍体重秤的操作过程，为以后的软件提供参考:
（a）当有负载时体重秤会自动开机，开机即可称重。
（b）当称重数据稳定后，重量会闪烁3次后锁定，此时数据为有效读数。
（c）称重稳定后不会自动解锁，重量保持显示6秒后关机，要重复称重必须在约6秒内离秤后在继续，每次称重结束会抓取零点。
（d）系统上电显示零点的内码值。
（e）切换单位的I/O口，电平变化，抓取稳定的零点，然后进入50KG校正点。
显示50KG闪烁。
（f）当内码较零点内码超出3000后，则显示由50KG闪烁切换到内码显示。
稳定后进入100KG校正点。
显示100KG闪烁。
（g）当内码较50KG稳定点的内码超出3000后，则显示由100KG闪烁切换到内码显示。
稳定后进入150KG校正点。
显示150KG闪烁。
（h）当内码较100KG稳定点的内码超出3000后，则显示由150KG闪烁切换到内码显示。
稳定后写入EEPROM，然后提示PASS后进入正常称重模式。
2.3本章小结
本章主要介绍了体重秤的功能和操作方法，软件操作将上述功能通过软件的方式描述出来，再加上一些外围电路便可以实现上述功能。
3系统总体设计
3.1系统方案选择
体重秤的应用系统是由硬件和软件所组成，硬件是指单片机、扩展的存储器、输入输出设备等；软件部分是各种工作程序的总称。
硬件和软件只有紧密结合、协调一致才能提高系统的性能价格比。
设计硬件的时候应该考虑软件的设计方法，而软件的设计方法是根据硬件原理和系统的功能要求进行的。
按照设计的基本要求，系统可分为三大模块：
数据采集模块，控制器模块，人机交互界面模块。
数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和AD转换部分组成。
转换后的数字信号送给控制器处理，由控制器完成对数字量的处理。
驱动显示模块和键盘完成人机间的信息交换。
在系统设计时，针对各个模块的功能来设计体重秤的方案有以下几种：
方案一：
此方案是最简单的设计方案，将压力传感器的压力信号通过模数转换送入单片机，单片机对信号处理后送去显示。
结构原理图为：
图3-1方案一的结构原理图
此方案就是最基本的数据采集，简单可行。
可以利用单片机内部自带的AD转换功能进行数据的转换。
该方案的硬件简单，软件在编写上也不复杂。
但是功能单一，只能显示，没有输入接口。
该系统的电路可扩展性不好，体重秤的功能过于单一，采集到的信号的抗干扰能力不强，所以达不到设计的标准。
方案二：
由于上一个方案存在没有输入，信号的抗干扰能力不强的缺点，所以本方案中在前一个方案的基础上增加了键盘输入装置，并在电路的前段加上信号调理电路。
结构原理图为：
图3-2方案二的结构原理图
此方案的优点是可以通过按键进行单位的转换，由于使用习惯的不同人们习惯用的测量单位，这样的设计就更加人性化。
因为采集到的信号一般都很微弱，如果在遇到干扰的时候可能会导致测量结果的错误，因此采集到电信号后，对电信号进行放大，滤波。
增强系统的抗干扰能力，系统的稳定性会有所提高，让显示的数据也更加准确。
此方案的缺点是电路较复杂，系统的硬件成本会增加。
方案三：
第二种方案已经实现了体重秤的基本功能，但是仍然有一些不足，例如当电池用完时应该提示用户及时更换电池，保存体重秤系统自身的一些信息等。
这样就需要一个低电池检测电路和EEPROM模块。
结构原理图为：
图3-3方案三的结构原理图
此方案的优点是功能完善，而且操作方案，在上一个方案的基础上增加了一些更加人性化的设计，当电池的电量低于目以设定的值时，系统会报警提醒用户更换电池。
此外，加上EEPROM后系统的可扩展性大大提高。
此方案的缺点是硬件电路复杂，硬件成本较高。
但是该系统在可靠性，扩展性等方面做得很好，因此该方案可以达到设计的要求。
3.2单片机选择
当前市场上的单片机有51系列，PIC的单片机，考虑到设计要求，就需要找到一款内部带高精度的AD转换器，最好还有可编程增益放大器，电源电压是有电池提供的，所以这款单片机最好还要有电池低压检测功能，显示的时候一般用的都是液晶显示，也希望将液晶显示的驱动也带有，而这些功能全部是集成在芯片内部的，这样整个系统的稳定性和可靠选择性将大大的提高，同时系统的整个设计的规模也将大大减少。
基于以上考虑，我选择了SONIX公司的SN8P1937作为主控芯片，该芯片能够在低电压下以超低功耗状态工作；其控制器具有丰富的片内外设，图3-3给出了该单片机的引脚图，该单片机的特点如下：
（a）存储器配置
OTPROM：
2K*16bits、RAM：
128*8bits（bank0）、8层堆栈缓存器
LCDRAM：
4*12bits。
（b）I/O引脚配置
单向输入引脚：
P0；双向输入输出引脚：
P1、P2、P5；具有唤醒功能的引脚：
P0、P1；内置上拉电阻：
P0、P1、P2、P5；外部中断：
P0。
（c）功能强大的指令集
一个指令周期为4个时钟周期、所有的指令均为一个字长、大部分指令只有一个周期、指令的最长周期为2个指令周期、JMP指令可在整个ROM区执行、查表功能（MOVC）可寻址整个ROM区。
（d）可编程增益放大器增益可选选项：
1x/16x/32x/64x/128x
（e）16-bitDelta-SigmaADC，具有14位精度
ADC的增益可选项：
1x/2x/4x
2个ADC信道配置：
1个全差分通道、2个单端输入通道。
（f）两个中断源
两个内部中断：
T0、TC0，一个外部中断：
INT0。
（g）单电源输入：
2.4V—5.5V。
（h）内置看门狗定时器
（i）regulator
内置regulator有2.4V输出电压，10MA驱动电流、内置参考电压1.2V的Bandgap用来监控电池电压、内置电压比较器、内置ADC参考电压V（R+,R-）=0.3V/0.6V.
（j）内置0.5S的RTC模式
（k）LCD驱动：
1/3或1/2偏压、4common*12segment。
（l）双重时钟提供4种操作模式
外部高速时钟：
晶体，最大8MHz
内部高速时钟：
16MRC
正常模式：
高低速时钟均可运行
低速模式：
仅低速时钟运行
睡眠模式：
高低速时钟均停止运行。
MCU的内部结构图，如图3-4所示：
图3-4SN8P1937的总体架构
由图3-4可以看出，SN8P1937包括CPU、RAM、ROM、Chargrpump、Regulator、PGIA、16bit的ADC等各种片内外设。
CP
升级会员 