基于单片机的电子秤设计HX711.docx
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基于单片机的电子秤设计HX711
基于单片机的电子秤设计
电子与信息工程学院电子信息工程专业2009级1班唐杰
指导教师吕虹
引言
随着人们生活水平的不断提高，商业水平越来越现代化，人们对商品的度量速度和精度也提出了新的要求。
目前，商用电子计价秤的使用非常普及，逐渐会取代传统的杆秤和机械案秤。
电子计价秤在秤台结构上有一个显著的特点：
一个相当大的秤台，只在中间装置一个专门设计的传感器来承当物料的全部重量。
为了满足电子秤的设计要求，本设计针对普通商业度量需要分析和设计。
论述了系统的设计思想、方法及设计实施过程，详细分析了各个模块的选用、功能及实现方法，包括系统的硬件构成，传感器的选择，系统的运作流程图等，以及所用到的一些工具，工作环境。
我们进行了各单元电路方案的比较论证及确定，最终选取以STC89C52单片机为控制核心，传感器选用HL-8型悬臂梁式电阻应变式传感器。
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进行编程。
第一章系统的组成及工作原理
1.1系统的组成
本数字电子秤系统可分为单片机控制电路、A/D转换电路、传感器、LCD显示、矩阵键盘、蜂鸣器模块等几部分，其系统组成如图1-1所示。
图1-1系统的组成框图
1.2系统的工作原理
系统原理如图1-1所示，系统通过传感器将压力这种物理量转化为电信号，即传感器内部的电阻应变片感应到压力后，电阻发生微小变化，通过全桥测量电路将电阻的微小变化转化成电压的微小变化，HX711将信号调整到A/D能采集的范围，然后由A/D进行采集，接着把采集到的24位高低电平通过DOUT送到单片机进行处理，单片机处理后，把数字信号输送到显示电路中，由显示电路输出测量结果。
整个系统实现了用单片机来控制输出，在线性度的确定过程中，需要对程序进行反复的修改，最终实现设计的要求。
第二章系统硬件设计
2.1主控芯片STC89C52单片机基本系统
2.1.1STC89C52单片机性能介绍
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K的在系统可编程闪烁存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上flash允许程序存储器在线可编程，也适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统上可编程闪烁存储单元，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。
STC89C52具有以下标准功能：
8K字节闪烁存储器，256字节读写存储器，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许读写存储器、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，读写存储器内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
2.1.2STC89C52单片机引脚功能
VCC：
电源。
GND：
地。
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在闪烁编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送“1”。
在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在闪烁编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。
RST：
复位输入。
当晶振工作时，RST引脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
EA/VPP：
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。
为了执行内部程序指令，EA应该接Vcc。
在闪烁编程期间，EA也接收12伏VPP电压。
XTAL1：
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
2.1.3复位电路
单片机上电时，当振荡器正在运行时，只要持续给出RST引脚两个机器周期的高电平，便可完成系统复位。
外部复位电路是为提供两个机器周期以上的高电平而设计的。
系统采用上电自动复位，上电瞬间电容器上的电压不能突变，RST上的电压是Vcc上的电压与电容器上的电压之差，因而RST上的电压与Vcc上的电压相同。
随着充电的进行，电容器上的电压不断上升，RST上的电压与Vcc上的电压相同。
随着充电的进行，电容器上的电压不断上升，RST上的电压就随着下降，RST脚上只要保持10ms以上高电平，系统就会有效复位。
电容C1可取10~33μF，R取10kΩ，充电时间常数为10×10-6×10×103=100ms。
复位电路的实现可以有很多种方法，但是从功能上一般分为两种：
一种是电源复位，即外部的复位电路在系统通上电源之后直接使单片机工作，单片机的起停通过电源控制；另一种方法是在复位电路中设计按键开关，通过按键开关触发复位电平，控制单片机的复位。
本设计使用了第二种方法，其电路图如图2-1所示。
图2-1STC89C52单片机复位电路，晶振电路图
2.1.4晶振电路
STC89C52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端，外接石英晶体或陶瓷振荡器以及补偿电容C2、C3构成并联谐振电路。
当外接石英晶体时，电容C2、C3选30pF±10pF；当外接陶瓷振荡器时，电容C2、C3选40pF±10pF。
STC89C52系统中晶振频率一般在1.2~12MHz选择。
外接电容C2、C3的大小会影响振荡器频率的高低、振荡频率的稳定度、起振时间及温度稳定性。
在设计电路板时，晶振和电容应靠近单片机，以便减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠工作。
在本系统中，选择了12MHz石英晶振，电容C1、C2为30pF。
其电路图如图2-1所示。
2.2A/D转换芯片HX711接口电路的设计
根据设计要求，系统要求输出的电流信号为20~1000mA，步进为1mA，且要求显示数值，因此，给定量的执行元件A/D转换器至少需要12位的转换精度。
结合系统的设计要求，并考虑到单片机的I/O接口资源紧张等因素，最终确定选用HX711量化精度能达到1/4096<1/1000，完全能达到设计的精度要求。
HX711接口电路如图2-2所示。
图2-2HX711接口图
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。
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部件。
上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。
2,2.1HX711引脚功能
表21HX711引脚功能
管脚号
名称
性能
描述
1
VSUP
电源
稳压电路供电电源：
2.6-5.5V（不用稳压电路时接AVDD）
2
BASE
模拟输出
稳压电路控制输出（不用稳压电路时为无连接）
3
AVDD
电源
模拟电源：
2.6-5.5V
4
VFB
模拟输入
稳压电路控制输入（不用稳压电路时应接地）
5
AGND
地
模拟地
6
VBG
模拟输出
参考电源输入
7
INA
模拟输入
通道A负输入端
8
INA+
模拟输入
通道A正输入端
9
INB
模拟输入
通道B负输入端
10
INB+
模拟输入
通道B正输入端
11
PD-SCK
数字输入
断电控制（高电平有效）和串口时钟输入
12
DOUT
数字输出
串口数据输出
13
X0
数字输入输出
晶振输入（不用晶振时为无连接）
14
X1
数字输入
外部时钟或晶振输入，0：
使用片内振荡器
15
RATE
数字输入
输出数据速率控制，0：
10Hz；1：
80Hz
16
DVDD
电源
数字电源：
2.6-5.5V
2.2.2HX711管脚说明
模拟输入
通道A模拟差分输入可直接与桥式传感器的差分输出相接。
由于桥式传感器输出的信号较小，为了充分利用A/D转换器的输入动态范围，该通道的可编程增益较大，为128或64。
这些增益所对应的满量程差分输入电压分别±20mV或±40mV。
通道B为固定的增益，所对应的满量程差分输入电压为±40mV。
通道B应用于包括电池在内的系统参数检测。
供电电源
数字电源（DVDD）应使用与MCU芯片相同的数字供电电源。
HX711芯片内额稳压电路可同时向A/D转换器和外部传感器提供模拟电源。
稳压电源的供电电压（VSUP）可与数字电源（DVDD）相同。
稳压电源的输出电压值（VAVDD）由外部分压电阻R1、R2和芯片的输出参考电压VBG决定（图1），VAVDD=VBG（R1+R2）/R2。
应选择该输出电压比稳压电源的输入电压（VSUP）低至少100mV。
如果不使用芯片内的稳压电路，管脚VSUP和管脚AVDD应相连，并接到电压为2.6~5.5V的低噪声模拟电源。
管脚VBG上不需要外接电容，管脚VFB应接地，管脚BASE为无连接。
时钟选择
如果将管脚XI接地，HX711将自动选择使用内部时钟振荡器，并自动关闭外部时钟输入和晶振的相关电路。
这种情况下，典型输出数据速率为10Hz或80Hz。
如果需要准确的输出数据速率，可将外部输入时钟通过一个20pF的隔直电容连接到XI管脚上，或将晶振连接到XI和XO管脚上。
这种情况下，芯片内的时钟振荡器电路会自动关闭，晶振时钟或外部输入时钟被采用。
此时，若晶振频率为11.0592MHz，输出数据速率为准确的10Hz或80Hz。
输出数据速率与晶振频率以上述关系按比例增加或减少。
使用外部输入时钟，外部时钟信号不一定需要为方波。
可将MCU芯片的晶振输出管脚上的时钟信号通过20pF的隔直电容连接到XI管脚上，作为外部时钟输入。
外部时钟输入信号的幅值可低至150mV。
HX711管脚说明如图2-3所示
图2-3HX711管脚说明
串口通讯
串口通讯线由管脚PD-SCK和DOUT组成，用来输出数据，选择输入通道和增益。
当数据输出管脚DOUT为高电平，表明A/D转换器还未准备好输出数据，此时串口时钟输入信号PD-SCK应为低电平。
当DOUT从高电平变低电平后，PD-SCK应输入25至27个不等的时钟脉冲（图二）。
其中第一个时钟脉冲的上升沿将读出输出24位数据的最高位（MSB），直至第24个时钟脉冲用来选择下一个A/D转换的输入通道和增益，输入通道和增益说明如表2-3所示。
表22主要电气参数
参数
条件及说明
最小值典型值最大值
单位
满额度差分输入范围
V（inp）-V（inn）
±0.5（AVDD/GAIN）
V
输入共模电压范围
AGND+0.6AVDD-0.6
V
输出数据速率
使用片内振荡器，RATE=0
10
Hz
使用片内振荡器，RATE=DVDD
80
外部时钟或晶振，RATE=0
fclk/1,105,920
外部时钟或晶振，RATE=DVDD
fclk/138，240
输出数据编码
二进制补码
8000007FFFFF（HEX）
输出稳定时间
（1）
RATE=0
400
mv
RATE=DVDD
50
输入零点漂移
增益=128
0.2
增益=64
0.8
输入噪声
增益=128，RATE=0
50
nV（rms）
增益=128，RATE=DVDD
90
温度系数
输入零点漂移（增益=128）
±7
nV/℃
增益漂移（增益=128）
±3
ppm/℃
输入共模信号抑制比
增益=128，RATE=0
100
dB
电源干扰抑制比
增益=128，RATE=0
100
dB
输出参考电压（VBG）
1.25
V
外部时钟或晶振频率
111.059230
MHz
电源电压
DVDD
2.65.5
V
AVDD,VSUP
2.65.5
模拟电源电路
（含稳压电路）
正常工作
1600
uA
断电
0.3
数字电源电路
正常工作
100
uA
断电
0.2
表23输入通道和增益选择
PD-SCK
脉冲数输入通道
增益
25
A
128
26
B
64
27
A
64
PD-SCK的输入时钟脉冲数不应少于25或多于27，否则会造成串口通讯错误。
当A/D转换器的输入通道或增益改变时，A/D转换器需要4个数据输出周期才能稳定。
DOUT在4个数据输出周期后才会从高电平变低电平，输出有效数据。
如图2-4所示。
图2-4数据输入，输出通道和增益选择时序图
表24四个周期选择说明
符号
说明
最小值
最大值
单位
T1
DOUT下降沿到PD-SCK脉冲上升沿
0.1
us
T2
PD-SCK脉冲上升沿到DOUT数据有效
0.1
us
T3
PD-SCK正脉冲电平时间
0.2
50
us
T4
PD-SCK负脉冲电平时间
0.2
us
复位和断电
当芯片上电时，芯片内的上电自动复位电路会使芯片自动复位。
管脚PD-SCK输入来控制HX711的断电。
当PD-SCK为低电平时，芯片处于正常工作状态。
图2-5断电控制
如果PD-SCK从低电平变高电平并保持在高电平超过60us，HX711即进入断电状态。
如果使用片内稳压电源电路，断电时，外部传感器和片内A/D转换器会被同时断电。
当PD-SCK重新回到低电平时，芯片会自动复位后进入正常工作状态。
芯片从复位或断电状态后，通道A和增益128会被自动选择为作为第一次A/D转换的输入通道和增益。
随后的输入通道和增益选择由PD-SCK的脉冲数决定，参见串口通讯一节。
芯片从复位或断电状态进入正常工作状态后，A/D转换器需要4个数据输出周期才能稳定。
DOUT在4个数据输出周期后才会从高电平变为低电平，输出有效数据。
2.3压电传感器的设计
2.3.1应变式电阻传感器
应变片式电阻传感器是以应变片为传感器元件的传感器。
它具有以下优点：
1.精度高，测量范围广；2.使用寿命长，性能稳定可靠。
3.结构简单、尺寸小、重量轻，因此在测量时，对工件工作状态及应力分布影响小；4.频率响应特性好。
应变片响应时间约为100ns；5.可在高低温、高速、高温、强烈振动、强磁场、核辐射和化学腐蚀等恶劣环境条件下工作；6.应变片种类繁多，价格便宜。
电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械形变时，它的电阻值相应发生变化。
应变片式电阻传感器应用很广。
本设计采用的是梁式力传感器，该传感器结构简单、灵敏度高。
适用于小压力测量。
2.3.2应变片式电阻传感器的结构和原理
电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的原件。
由电阻应变片和测量电路两部分组成。
常用的电阻应变片有两种：
电阻应变片和半导体应变片，本设计采用的是电阻应变片，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，线珊上面有覆盖层，起保护作用。
电阻应变片也有误差，产生的因素很多，所以在测量时我们一定要注意。
其中的温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：
A:
电阻丝温度系数引起的。
B：
电阻丝与被测原件对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变也会因应变片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，解决的办法是在被粘贴的基片上采用适当及温度系数的自动补偿，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，一般来说主要由结构设计决定，通过线性补偿，也可以得到改善。
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。
电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械形变时，它的电阻值相应发生变化。
设有一根电阻丝，如图所示。
它在未受力时的原始电阻值为
式中:
——电阻丝的电阻率；
——电阻丝的长度；
——电阻丝的面积。
电阻丝在外力的作用下，将引起电阻变化
，且有
令电阻丝的轴向效应为
，由材料力学可知
，
为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得
通常把单位应变所引起的电阻相对变化称作电阻线的灵敏系数，其表达式为
从上式可以明显看出，电阻丝灵敏系数
由两部分组成：
表示受力后由材料的几何尺寸变化引起的；
表示由材料电阻变化所引起的。
对于金属材料，
项的阻值要比
小得多，可以忽略，故
=
。
大量实验证明，在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即
=1.7～3.6。
上式可写成
。
2.3.3全桥测量电路
应变式传感器常用的测量电路有单臂电桥、差动半桥和差动全桥，其中差动全桥可提高电桥的灵敏度，消除电桥的非线性误差，并可消除温度误差等共模干扰。
一般在测量中都使用4片应变片组成差动全桥，本设计所采用的传感器就是全桥测量电路。
其电路图如图3-6所示。
桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，另一个对角线位输出电压Uo。
其特点是：
当四个桥臂电阻达到相应关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可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。
应变电阻作为桥臂电阻接在电桥电路中。
无压力时，电桥平衡，输出电压为零；有压力时，电桥的桥臂电阻值发生变化，电桥失去平衡。
全桥测量电路中，将受力性质相同的两片应变片接入电桥对边。
其输出灵敏度比半桥提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到了改善。
图2-6全桥测量电路
2.4显示电路设计
方案一：
LED显示
LED就是lightemittingdiode，发光二极管的英文缩写，简称LED。
它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。
LED显示器结构：
基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片排列而成的。
可实现0～9的显示。
其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等
LED显示器与显示方式:
LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。
通常使用的是七段LED。
这种显示块有共阴极与共阳极两种。
共阴极LED显示块的发光二极管阴极共地。
当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接。
在设计中使用LED显示块构成N位LED显示器。
N位LED显示器有N根位选线和8*N根段选线。
根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。
段选线控制字符选择，位选线控制显示位的亮、暗。
LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。
我们使用的为动态显示方式。
在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由响应的I/O口线控制。
其中两片74LS244分别用于段信号和位信号的驱动，74LS273用于段信号的锁存，其锁存地址为7FFFH。
图2.7LED数码管显示方式
方案二：
LCD显示
LCD液晶显示器是LiquidCrystalDisplay的简称，LCD的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。
比LED要好的多，但是价钱较其贵。
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。
液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。
在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：
发光管、LED数码管、液晶显示器。
发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，在前面章节已经介绍过，在此不作介绍，本章重点介绍字符型液晶显示器的应用。
在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：
（1）显示质量高：
由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。
因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。
（2）数字式接口：
液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。
（3）体积小、重量轻：
液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。
（4）功耗低：
相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。
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。
液晶显示器各种图形的显示原理
（1）线段的显示：
点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。
例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显
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