数字电子秤的设计与实现毕业设计.docx

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数字电子秤的设计与实现毕业设计

数字电子秤的设计与实现

摘要

单片机作为计算机发展的重要分支，信息处理速度不仅快而且处理能力特别强，是现代绝大多数电子产品最重要的核心部分。

本设计实物采用AT89S52单片机进行制作，设计成的实物将能显示称量范围内物品的重量、调节物品的价格以及显示被秤物品的金额，充分体现了单片机的优越性。

本设计主要针对传感器、放大器、A/D转换器以及LCD液晶显示器等电子秤主要硬件电路模块进行组合设计。

对电子秤的信息采集处理、自动称重、信息显示等进行了简单设计和实物制作，阐明了用单片机在电子秤设计中的工作原理以及各个主要模块中的数据采集、转换等内容。

在软件方面，采用更为简洁、方便、高级的C语言程序设计，修改方便且不易出现故障。

关键词电子秤；传感器；单片机

Thedesignandimplementationofdigitalelectronicscale

Abstract

Single-chipmicrocomputerasaimportantbranchofthedevelopmentofcomputer,informationprocessingnotonlyfastandparticularlystrongprocessingcapacity,isthemostimportantcorepartofmostmodernelectronicproducts.ThisdesignobjectsmadeofAT89S52MCUdesignintophysicalcanshowtheweightoftheweighingscaleitems,adjustthepriceofthegoods,aswellasshownbytheamountofthebalanceitems,fullyembodiestheadvantagesofsinglechipmicrocomputer.

Thisdesignmainlyaimedatthesensor,amplifier,A/Dconverter,andLCDliquidcrystaldisplaysandotherelectronicscalecombinationdesignmainhardwarecircuitmodules.Theinformationcollectionandhandlingofelectronicscale,automaticweighing,informationdisplayandsoonhascarriedonthesimpledesignandrealproduction,illustratestheworkingprincipleindesignofelectronicscaleMCUandthemainmodulesofdataacquisition,conversion,etc.Intheaspectofsoftware,amoreconcise,convenientandadvancedClanguageprogramdesign,modifyconvenienceandnoteasytofail.

KEYWORDSelectronicscale;sensors;single-chipmicrocomputer

1绪论

物品称量是市场交易中很基本的内容，是商业领域最基本的衡具。

在日常生活中，到处必须用到称，尤其是现代超市和一些其他交易市场上，称是必不可少的测重工具。

随着人们生活水平的不断提高，商业行为也越来越现代化，人们对商品度量的速度和精度也提出了新的要求。

从20世纪70年代开始，在世界范围内掀起了一股“电子秤热”，各先进工业国都很重视传感器技术和电子秤的研究、开发和生产。

传感技术已经成为重要的现代科技领域，电子秤及其系统生产已经成为了重要的新兴行业。

数显电子秤是现今生活中常用的电子秤重衡器，在各大超市、物流配送中心、大中型商场都可以见到。

数显电子秤在结构和原理上取代了传统的机械式称量衡器。

与传统的称量衡器相比较，数显电子秤具有应用范围广、称量精度高、易于操作使用等优点，在工作原理、材料和结构上都是全新的计量衡器。

数显电子秤的设计是通过压力传感器采集到被测物体的确切重量并将其转换成相应的电压信号。

输出的电压信号通常会很小，需要相应的放大电路进行准确的线性放大。

放大后的模拟电压信号经A/D转换器转换成相应的数字信号量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，就可以显示出被测物体的确切重量。

随着市场的需求以及技术性能的要求，电子秤的国内外发展现状和趋势主要有以下几个方面：

（1）小型化

装载体积小、重量轻、高度低。

近几年来新研制的电子秤结构充分体现了小型化发展方向。

对于低量程的电子平台秤，可采用将薄型的圆形传感器，直接嵌入钢板底面与称重传感器外径相同的盲孔内，形成低外形的秤体结构，钢板就是秤体的台面，称重传感器既是传感元件，又是承力的支点，这就极大地减化了秤体结构，减少了活动连接等环节，不但降低了成本，而且还提高了稳定性和可靠性。

（2）集成化

对于某些电子衡器，例如小型电子平台秤、专用秤、静动态电子轨道衡等等，都可以实现秤体与称重传感器，钢轨与称重传感器，轨道衡秤体与铁路线路一体化。

如秤体与称重传感器一体化的便携式静动态电子轮轴秤，大多是用硬铝合金厚板制成。

其结构原理是经过固溶热处理强化的铝合金板，或通过在4个角上钻孔和铣槽分别形成4个悬臂梁型称重传感器。

这就使得秤体与称重传感器合二为一。

以后者结构的8t便携式动态电子轮轴秤为例子，其尺寸为700mm×500mm×30mm，重量约为24kg。

（3）模块化

对于大型的承载器结构，比如大型的静动态电子汽车衡，已经开始采用几种长度的标准结构模块，经过分体组合，而产生新的品种和规格。

这种模块化的分体式秤体结构，不仅提高了产品的通用性、可靠性和互换性，而且也提高了生产效率和产品的质量。

同时还降低了成本，增强了企业的市场竞争能力。

（4）智能化

电子衡器的称重显示控制器与电子计算机组合，利用电子计算机的智能来增加称重显示控制器的功能。

使电子衡器在原有功能的基础上，增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织等一些智能功能，这就是当今市场上采用微机化称重显示控制器的电子衡器与采用智能化称重显示控制器的电子衡器的根本区别。

（5）综合性

电子称重技术的发展规律就是不断的加强基础研究并扩大相应的应用，扩展新的技术领域，向相邻学科和行业渗透，综合各种技术去解决称重计量、信息处理等问题。

对某些商用电子计价秤来说，只单单具备称重、计价、显示、打印这些功能还是远远不够的，现代商业系统还要求它能提供各种销售信息，把称重与管理自动化紧密结合在一起，使称重、计价、进库、销售管理一体化，实现管理自动化。

这就要求电子计价秤能与电子计算机联网，把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统。

（6）组合性

在工业称重计量过程中，不少称重计量系统还要求具有可组合性，就是指测量范围等可以任意的设定；硬件能够依据一定的条件作某些相应的调整，硬件功能向软件方向发展；软件能按一定的程序进行修改。

现在市场上使用的称量工具，有些是结构复杂，有些是运行不可靠，成本高，精确稳定性也不好，调整的时间长，维修困难，易损件多，能源消耗大。

电子秤产品的整体水平不高，部分小企业的产品质量差且技术力量薄弱，缺乏产品的开发能力，电子秤产品处在低层次。

所以有针对性地开发出一套有实用价值的电子秤系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善电子秤系统在应用中的不足之处，具有现实意义。

2设计思路

新事物的产生必然会有新科技的推动，电子秤及其各种技术发展到今天有了特别巨大的进步。

一方面，各种电子元件的类型和功能有所增加；另一方面，现代社会要求测量必须达到更高的准确度、更小的误差、更快的速度、更高的可靠性。

2.1设计要求

（1）基本要求

设计并制作一款基于单片机的数字电子秤。

（2）具体要求

本设计的内容是以AT89S52单片机为控制核心，实现电子秤的基本策略及价格计算功能。

外围电路主要有电源模块、信号采集模块、信号放大积分模块、数据处理存储模块、显示模块、电压报警模块六部分组成。

单片机最小系统部分主要包括AT89S52单片机、经典复位电路和晶振电路；信号采集模块由称重传感器、信号放大和A/D转换部分组成，信号放大和A/D转换部分主要由专用型高精度24位AD转换芯片HX711实现；人机交互界面为键盘输入和点阵式液晶显示，主要使用4*4矩阵键盘和1602液晶显示器，可以方便的输入数据和直观的显示重量、单价、金额。

（3）主要设计功能如下：

可实现电子称基本的称重功能（称重范围为0～10Kg，重量误差不大于±5g）；

应具备显示重量、可以输入单价并能自动计算总价的功能；

超出最大测量范围10Kg时应有报警指示功能（蜂鸣器报警提示）。

2.2设计方案的确定

过查找资料和论证，结合所学知识，可通过以下方案来实现课题要求实现的指标，各方案介绍如下所述。

方案一数码管显示。

图2-1数码管显示方案简图

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，接口电路易于实现，硬件部分简单，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

简图如图2-2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，但用数码管，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，对大部分字符不能很好的显示，不仅称量物体重量的精度必受到限制，而且动态扫描时处理不好易出现闪烁现象。

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、信号转换等措施来增加信号采集强度但会增加相应的设计成本；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，当需要增加扩展功能时可以通过切换液晶显示界面的方式来实现。

结构简图如下图2-3所示。

图2-3带有键盘输入及液晶显示的结构简图

鉴于上述三种方案的优缺点，本系统在设计时充分考虑到系统的实用性及成本的可行性的前提下，不仅能够达到设计要求，而且使硬件电路设计模块达到最简优化。

最终采用方案三来作为本次设计与制作的思路。

2.3电子秤的主要组成

通过以下部分的介绍，可以对电子秤的主要模块以及工作原理有一个大概的了解。

2.3.1电子秤的基本结构

电子秤是利用地球上的物体都受到重力作用来确定物体质量（重量）大小的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、特性。

不管依据什么原理制成的电子秤均由以下三部分组成：

（1）称重传感部分

即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是直接与物体接触把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。

按照称重传感器的结构形式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）、应变传感器（电阻应变式、卢表面谐振式）或利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。

对称重传感器的基本要求是：

输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频率特性；稳定可靠。

（2）数据处理部分

数据处理部分就像人的中枢大脑，接收信息进行处理后再下达命令进行总的支配和控制。

其具体来说主要是把电子秤从外围传来的各种信号，通过相应的逻辑关系，计算处理数据，再把处理好的数据传输到相应的模块进行显示和控制。

现在市场上主要有各种芯片，如单片机，FPGA，还有各种专用的电子秤核心芯片。

当然由于专用芯片的技术性和专一性强，本设计不考虑用电子秤的专用芯片。

此外，对电子秤芯片的要求兼容性强、结构简单、工作可靠性强、易于编程操作等特点。

（3）键盘输入、显示和输出模块

键盘输入主要是通过键盘输入的数值改变不同物体价格的具体参数，使不通的物体对应不同的价格，通过数据处理中心的处理，做出最终的结果，显示到显示器上，其主要有各种按键组成。

显示模块一般就是显示器，通常有数码管显示、液晶显示等。

其中液晶显示又包含很多种，如1602、12864等等许多。

输出模块即模数转换、电源、调节器、补偿元件等。

在数字式的测量电路中，通常包括放大、滤波、变换、运算、计数、寄存、控制和驱动等环节。

2.3.2电子秤的工作原理

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，传感器随之产生力一电效应，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。

2.3.3电子秤的参数指标

电子秤的主要参数指标有：

量程、分度值、分度数、准确度等级等。

（1）量程：

电子衡器的最大称量Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大值。

（2）分度值：

电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值，用e或d来表示。

（3）分度数：

衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用n表示。

（4）准确度等级：

国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成T、II、III、Ⅳ四类等级，分别对应不同准确度的电子秤和分度数n的范围，如表2-1所示。

表2-1不同准确度的电子秤和分数度

标志及等级

电子秤分类

分度数范围

特种准确度

基准衡器

n>100000

高准确度

精密衡器

10000

中准确度

商业衡器

1000

普通准确度

粗衡器

100

3元件选择及硬件电路的设计

以下主要介绍内容是电子秤的元件以及硬件电路模块。

3.1元件选择

不同的元件有不同的功能，本部分对功能的要求以及综合考虑到相同类型元件的优缺点，对元件的选择、参数、优缺点进行了详细的介绍。

3.1.1单片机的选择

单片机的选择在整个系统设计中至关重要，要满足大内存、高速率、通用性、价格便宜等要求，鉴于以上考虑本课题选择AT89S52作为整个系统的主控芯片。

AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写10000次的Flash只读程序存储器，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S52芯片具有以下特性：

（1）指令集和芯片引脚与Intel公司的8051兼容；

（2）8KB片内在系统可编程Flash程序存储器；

（3）时钟频率为0～33MHz；

（4）128字节片内随机读写存储器（RAM）；

（5）32个可编程输入/输出引脚；

（6）2个16位定时/计数器；

（7）2个中断优先级；

（8）全双工串行通信接口；

（9）监视定时器；

（10）2个数据指针。

AT89S52单片机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚，2个外接晶振的引脚，4个控制与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。

AT89S52单片机引脚图如图3-1所示。

图3-1AT89S52单片机引脚图

3.1.2传感器的选择

压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发压电式传感器。

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3-2为一直流供电的平衡电阻电桥，Ein接直流电源E。

图3-2电阻应变式传感器原理图

设各桥臂的初始电阻为Ra=Rb=Rc=Rd=R，当弹性体承受载荷产生变形时，4个桥臂电阻分别产生微小变化，输出信号电压可由下式给出：

上式说明电桥的输出电压Eout和四个桥臂的应变片感受应变量的关系。

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。

3.1.3A/D转换器的选择

无线数据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，该芯片集成了包括片内时钟振荡器、稳压电源等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有响应速度快、集成度高、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。

芯片管脚图如图3-3所示。

图3-3HX711管脚定义

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、±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。

3.1.4显示器的选择

本设计采用点阵字符型LCD1602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调节。

具体引脚说明如下表3-1所示。

表3-1LCD1602液晶显示器引脚说明

编号

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

VSS

电源地

DataI/O

VDD

电源正极

DataI/O

液晶显示偏压信号

DataI/O

数据/命令选择端

DataI/O

R/W

读/写选择端

DataI/O

使能信号

DataI/O

BLA

背光源正极

DataI/O

BLK

背光源负极

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，这些字符有：

阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、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。

因此，用LCD1602能很好的满足设计要求。

3.2硬件电路的设计

以下部分内容是本设计最主要的内容，通过这部分的设计，电子秤设计的电路原理以及怎么工作的将得到完整的呈现。

3.2.1电源电路

由于该系统中51单片机及AD转换芯片及液晶显示器所需供电电压均为5V电压，所以要保证系统稳定可靠的工作，需要设计一个可以稳定提供5V电压的供电系统。

本设计采用单电源接口供电方式，USB接口供电方便程序调试。

该系统电源电路设计如图2-4所示。

图3-4电源接口电路图

3.2.2主控电路

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3-5所示。

图3-5主控电路图

复位是单片机的初始化操作，单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位。

其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，因而，复位是一个很重要的操作方式。

但单片机本身是不能自动复位的，必须配合相应的外部复位电路才能实现。

本设计复位电路采用按键手动复位加上电复位来实现，K1为复位按键，复位按键按下后，复位端通过1K的小电阻与电源接通，电容迅速放电，使RST引脚为高电平；当复位按键弹起后，电源通过10KΩ的电阻对10μF的电容C1重新充电，RST引脚端出现复位正脉冲。

初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，复位后单片机片内各特殊功能寄存器的状态见表3-2，表中“x”为不定数。

表3-2复位后单片机片内各特殊功能寄存器状态

特殊功能寄存器

初始状态

特殊功能寄存器

初始状态

ACC

00H

TMOD

00H

0000H

TCON

00H

PSW

00H

TL0

00H

07H

TH0

00H

DPTR

0000H

TL1

00H

P0-P3

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