基于单片机的电子天平的设计.docx

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基于单片机的电子天平的设计

毕业设计

课题基于单片机的电子天平的设计

专业测控技术与仪器

年级

姓名学号

学院（系）院长（签字）

指导教师（签字）

年月日

摘要

天平是国家法定计量器具，在生活中，需求十分的广泛。

电子天平是称重技术中的一种新型仪表，广泛应用于各种场合。

电子天平与机械天平比较有体积小、重量轻、结构简单、价格低、实用价值强、维护方便、精度高等特点，可在各种环境工作，重量数据可通过通信方式远程传输，易于实现重量显示数字化，易于与计算机联网，而且可以计算总价等实现生产过程自动化，提高劳动生产率。

本设计采用STC89C52单片机作为核心主控芯片，实现称重、计算价格等主控功能。

并采用128*64汉字液晶显示模块显示称重重量、单价、总价等信息。

采用高精度电阻应变式压力传感器以及电子天平专用模拟/数字（A/D）转换器芯片HX711对传感器信号进行调理转换，采用4*4矩阵键盘进行人机交互，键盘容量大，操作便捷。

同时，具有超量程LED报警功能。

关键词：

电子天平，STC89C52单片机，液晶显示，A/D转换

ABSTRACT

Balanceisthenationallegalmeasuringinstruments,demandisverywideinlife.Electronicbalanceweighinginstrumentisanewtechnology,widelyusedinvariousoccasions.Electronicbalanceandmechanicalbalancehassmallvolume,lightweight,simplestructure,lowcost,practicalstrong,easymaintenance,highprecision,andcanworkinvariousenvironments,theweightdatathroughthecommunicationofremotetransmission,easytoachieveweightdigitaldisplay,easytonetworkwithcomputer,andcancalculatethetotalprice,therealizationoftheproductionprocessautomation,improvelaborproductivity.ThisdesignusesSTC89C52microcontrollerasthecorecontrolchip,realizeweighing,calculationofpriceofmaincontrolfunction.Andbyusing128*64ChinesecharactersLCDmoduledisplayweighingweight,unitprice,totalpriceinformation.Usinghigh-precisionresistancestrainpressuresensorandtheelectronicbalancespecialanalog/digital（A/D）converterchiphx711conditioningconversiononthesensorsignal,the4*4matrixkeyboardkeyboardhuman-computerinteraction,largecapacity,convenientoperation.Atthesametime,hasoverrangealarmfunctionLED.

Keywords:

electronicbalance,STC89C52MCU,LCDdisplay,A/Dconversion

1绪论.......................................................................................................................................................1

1.1选题背景及其意义....................................................................................................................1

1.2本课题研究内容........................................................................................................................2

1.3本课题设计思路........................................................................................................................2

1.4功能描述.......................................................................................................................................3

2基于单片机的电子天平的硬件设计.....................................................................................4

2.1基于单片机的电子天平的硬件方案设计............................................................................4

2.2称重传感器....................................................................................................................................4

2.3电子天平专用24位AD转换芯片HX711及其电路..........................................................6

2.4单片机STC89C52及其电路......................................................................................................8

2.5液晶屏电路..................................................................................................................................12

2.6矩阵键盘电路..............................................................................................................................14

2.7声光报警电路..............................................................................................................................15

2.8电源电路.......................................................................................................................................15

3Protel硬件开发软件...................................................................................................................16

3.1Protel软件组成.......................................................................................................................16

3.2PCB板设计..................................................................................................................................18

4软件设计..............................................................................................................................................21

4.1主程序设计..................................................................................................................................21

4.2子程序设计..................................................................................................................................22

5下载、调试与使用..........................................................................................................................23

5.1USB转串口驱动安装................................................................................................................23

5.2下载程序.......................................................................................................................................23

5.3上电运行.......................................................................................................................................25

5.4键盘操作说明...........................................................................................................................25

5.5常用使用步骤.............................................................................................................................26

6结论........................................................................................................................................................27

参考文献.................................................................................................................................................28

致谢...........................................................................................................................................................29

附录...........................................................................................................................................................30

1绪论

称重的技术自古以来就为人们所重视，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。

电子天平是电子衡器中的一种，衡器乃国家法定的计量器具，是内外贸易、科学研究、国防建设、国计民生等必不能或缺的计量设备，衡器产品技术的水平高低，会影响各行各业的现代化水准和提高社会经济效益。

电子天平的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂，由粗糙到精密、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。

近年来，电子天平已愈来愈多地参与到数据处理和过程控制中。

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缺少的组成部分。

随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子天平的发展奠定了其础，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%称量准确度的电子天平，并在70年代中期约对75%的机械天平进行了机电结合式的电子化改造[1]。

目前，台式电子天平在商业贸易中的使用已相当普遍，但存在较大的局限性：

体积大、成本高、携带不便、应用场所受到制约。

现有的便携天平为杆天平或以弹簧、拉伸变形来实现计量的弹簧天平，居民用户使用的基本是杆天平。

弹簧盘天平制造工艺要求较高，弹簧的疲劳问题无法彻底解决，一旦超过弹簧弹性限度，弹簧天平就会产生很大误差，以至损坏，影响到称重的准确性和可靠性，只是一种暂时的代用品，也被列入逐渐取消的行列。

电子天平与机械天平比较有体积小、重量轻、结构简单、价格低、实用价值强、维护方便、精度高等特点，可在各种环境工作，重量数据可通过通信方式远程传输，易于实现重量显示数字化，易于与计算机联网，而且可以计算总价等实现生产过程自动化，提高劳动生产率。

1.1选题背景及其意义

随着单片机的出现，因其体积小、功能强、价格低廉而得到广泛应用，同时随着我国经济的飞速发展，单片机在越来越多的领域中得到了很好的应用。

观察几年以来各家厂商的销售地区比重，可以发现中国大陆市场比重逐渐提升，而在国内单片机多应用于电话、CallerID、玩具与LCD等产品，预计在未来，销货至大陆的比重仍将持续增加。

在中国产品应用领域十分广泛，也与人民生活越来越密切[2]。

经研究表明近几年电子衡器产品的发展情况以及其国内外市场的需求，电子衡器总体的发展趋势为小型化、模块化、集成化、智能化；它的技术性能趋于速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；而且，它的功能趋向是体现称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；在此大环境下，电子天平它的应用性能趋向为综合性和组合性。

不仅仅，可以称重，还能计算各种需要的数据，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、改善操作条件的重要作用。

传统的天平运行较缓慢，而且测量精度不高，不能扩展其他计算功能，已经不能满足现代高速发展科学的需要，而作为一名工科类的应届毕业生来说，理解和掌握单片机的工作原理和使用技巧是必备的技能。

基于这种考虑，我此次毕业设计的题目为：

基于单片机的电子天平的设计。

传统的电子天平通常采用组合电路和模拟电路等大量的硬件电路构成,产品不但体积较运行速度慢，而且测量精度也不高，本设计的优点在于读取方便、抗干扰性强，易于传输数据，显示直观、测量的数值精度高，电路原理简单，便于制作调试，元件成本低廉易购。

1.2本课题研究内容

当被称物体放置在天平体的天平台上时，其重量便通过天平体传递到测量转换电路，传感器随之产生力的电效应，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[3]。

1.3本课题设计思路

微控制器技术、传感器技术的发展和计算机技术的广泛应用，电子产品的更新速度达到了日新月异的地步。

本系统在设计过程中，除了能实现系统的基本功能外，还增加了打印和通讯功能，可以实现和其他机器或设备（包括上位PC机和数据存储设备）交换数据，除此之外，系统的微控制器部分选择了兼容性比较好的51系列单片机，在系统更新换代的时候，只需要增加很少的硬件电路，甚至仅仅删改系统控制程序就能够实现[4]。

另外由于实际应用当中，称可以有一定量的过载，但不能超出要求的范围，为此还设计了过载提示。

综上所述，本设计的主要思路是：

利用高精度压力传感器采集因压力变化产生的电压信号，经过电压放大电路放大，然后再经过24位A/D转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机。

单片机经过相应的处理后，通过键盘人机互动，得出当前所称物品的重量及总额，然后在12864液晶显示模块显示出来。

还具有超量程LED报警功能。

主要技术指标为：

测量量程0-10kg，测量精度可达5g。

这种高精度智能电子天平体积小、计量准确、携带方便，能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。

1.4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。

2基于单片机的电子天平的硬件设计

2.1基于单片机的电子天平的硬件方案设计

图2-1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。

2.2称重传感器

传感器是测量机构最重要的部件。

称重传感器其本身含有单调性，它的主要参数指标是指灵敏度、总误差和温度漂移。

（1）灵敏度

称重传感器的电灵敏度是指满负荷输出的电压与激励电压的比值，典型值为2mv/v。

所以当使用2mv/v灵敏度和5v激励电压的传感器时，它的满度输出的电压是10mv。

通常情况下，为了可以使用称重传感器线性度最佳的一段称重范围，我们应该只使用其满度范围的三分之二。

因此满度输出电压应该为6mv左右。

当电子秤被应用在工业环境的时候，在6mv满度范围内测量微小的信号变化就不是一件容易的事。

（2）总误差

总误差的含义是指额定误差与输出误差的比值。

典型的电子秤的总误差指标大概约为0.02%，这个技术指标十分重要，它限制使用理想信号调节电路可以达到的精确度，决定了ADC分辨率的选择以及滤波器与放大电路的设计。

（3）漂移

称重传感器也产生和时间相关的漂移。

目前经常使用的称重传感器是电阻应变式压力传感器、压电式传感器、电容压力传感器。

选择使用时应当按照稳定行、精度登记、安装环境要求和寿命考虑，其主要特点如下：

（1）电容式压力传感器的稳定性相对较差，灵敏度和精度较高，寿命较短，对环境要求苛刻，不易长距离传输。

（2）压电式压力传感器的稳定性很好，灵敏度和精度高，寿命长，但量程大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部件组成，内部的线路采用了惠更斯电桥，每当弹性体承受载荷产生变形的时候，电阻应变片（转换元件）承受到拉伸或者压缩应变片变形时，其阻值将会产生变化（减小或增大），让电桥失去其平衡，发生相应的差动信号，提供给后续电路的测量和处理。

电阻应变式传感器测量原理如图2-2所示。

图2-2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2-3所示。

图2-3测量电桥原理

2.3电子天平专用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，此芯片集合了