实用电子称.docx
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实用电子称
目录
摘要-3-
第一章电子称整体设计方案论证-4-
1.1控制器选取-4-
1.2数据采集方案的选取-5-
1.2.1传感器部分-5-
1.2.2A/D转换器的选取-6-
1.2.3放大器选取-8-
1.3人机交互界面方案选取-8-
1.3.1键盘输入-8-
1.3.2显示输出部分-9-
1.3.3报警系统-9-
1.4开发流程-10-
1.4.1编译环境-10-
第二章数据信号采集-11-
2.1数据采集元件-11-
2.1.1传感器-11-
2.1.2A/D转换器部分-11-
2.2数据采集过程-12-
3.3数据转换显示-14-
第三章实用电子称硬件设计-15-
3.1机械部分-15-
3.1.1传感器的安装-15-
3.2电路部分-16-
3.2.1基于STC89C52的主控制模块-16-
3.2.2电源模块-16-
3.2.3A/D转换模块-16-
3.2.4键盘模块-17-
3.2.5显示模块-18-
3.2.6时钟模块-18-
3.2.7报警模块-19-
第四章实用电子称软件设计-20-
4.1程序流程图-20-
4.1.1系统的主程序流程框图-20-
4.1.2具体子程序的程序流程框图-21-
4.2算法说明-23-
4.2.1均值算法-23-
4.2.2减少称重变化的响应时间-23-
4.2.3消除输出结果的闪烁-24-
第五章测试方法与测试数据-25-
5.1测量仪表-25-
5.2操作方法-25-
5.3测量方法-25-
5.4测量数据及测量结果分析-25-
总结-27-
参考文献-27-
附录A程序源代码-28-
摘要
为满足实用电子称的要求，经过对各个单元电路方案的比较论证及确定。
本系统采用单片机STC89C52为控制核心，实现电子称的基本控制功能。
系统的硬件部分基本包括最小系统板、数据采集、人机交互界面三大部分。
最小系统部分主要是扩展了外部数据存储器，数据采集部分由压力传感器、信号处理部分和A/D转换部分组成。
人机界面部分为键盘输入，128×64点阵式液晶显示，可以直观的显示中文。
同时在此基础上本系统增加了报警电路，以免测量量超出测量范围。
软件部分应用单片机C语言实现本设计的全部控制功能，包括基本的称重功能，去皮功能，总额累加计算和发挥部分的显示购物清单的功能，可以设置日期并显示购物日期、收银员编号、售货单位和重新设定10种商品的单价，具有超重报警功能。
此电子称具备了功能多、性能价格比高、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。
技术报告以电子称的设计为主线，包括电子称的软硬件设计，以及控制算法研究等，共分为六章。
其中，第一章主要介绍了电子称的总体方案的选取，对单片机资源的分配作了说明。
第三章对电子称的硬件设计进行了详细的介绍，主要介绍了电路的设计；第四章描述了电子称的软件设计和相关算法。
第五章中叙述了我们对该电子称的测试和误差分析。
关键字：
电子称，称重，计价，压力传感器，STC89C52，HX711
第一章电子称整体设计方案论证
按照设计功能的要求，本系统由5个部分组成：
控制器部分、数据采集部分、人机交互界面、时钟日历电路和报警电路。
系统设计总体方案框图如图1.1所示：
图1.1系统设计总体方案框图
数据采集部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号，而后经放大电路部分处理后送入A/D转换器，将模拟信号转换为数字量输出。
控制器部分接受来自A/D转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号，并将其储存到外部储存器中。
在人机交互部分，控制器还要通过对扩展I/O的控制，对键盘进行扫描，而后通过一些程序实现对整个系统的控制，并根据需要通过数据显示器显示功能。
报警系统部分，当称量物体的重量超出称量范围时，系统发出警告信息。
1.1控制器选取
方案一：
采用大规模可编程逻辑器件来实现，因为系统需要大量控制液晶显示器和键盘。
由于大规模可编程逻辑器件一般是使用状态机方式来实现，即所解决的问题都是规则的有限状态转换问题。
本系统状态较多，难度系数较大。
故不宜采用大规模可编辑逻辑器件：
CPLD、FPGA来实现。
方案二：
采用51系列单片机来实现。
因为系统需要大量控制液晶显示器和键盘，另外系统没有其他高标准的要求，有考虑到本设计中程序部分比较大，根据总方案设计的分析，可以选用带EPROM的单片机，由于应用程序不大，应用程序直接储存在片内，不用在外部扩展存储器中，可一定程度上简化电路。
INTEL公司的8051和8751都可以使用，在这里选用STC公司生产的STC89CXX系列单片机。
STC89CXX系列与MCS-51相比有两大优势：
第一，片内储存器采用闪速存储器，使程序写入更方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路体积更小。
此外，价格低廉、采用80C51核心处理器单元，具有1K字节RAM；64/32/16/8kB片内Flash程序存储器，支持12时钟（默认）或6时钟模式，4个8位I/O接口。
这些设备能够很好地实行本仪器的测量和控制要求。
最后我们最终选择了方案二，并采用STC89C52这个单片机来实现系统的功能要求。
内部带有8KB的程序存储器，在外面扩展了32K数据存储器，以满足系统要求。
1.2数据采集方案的选取
1.2.1传感器部分
方案一：
采用电阻应变式称重传感器
电阻应变式称重传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件：
利用它将被测的重量转换为弹性体得应变值；另一个是电阻应变计：
它作为传感元件井弹性体的硬币，同步地转换为电阻值的变化。
在电阻应变式称重传感器中通过桥式电路将电阻的变化转换为电压变化。
它包含一个具有至少两个可变桥臂的4电阻结构的电桥，其中由由所称重量引起的电阻变化可产生一个叠加在电源电压的一半共模电压之上的差分电压。
电阻应变式传感器工作原理框图如图1.2所示：
图1.2电阻应变式传感器工作原理框图
电阻应变式称重传感器桥式测量电路如图2-3所示：
R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻，组成了桥式测量电路，Rm为温度补偿电阻，e为激励电压，V为输出电压。
图1-3桥式测量电路
当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由下式给出：
由于测量电桥采用惠更斯电桥，且惠更斯电桥具有抑制温度变化的影响，抑制干扰，补偿方便等优点。
所以该传感器测量精度高，温度特性好，工作稳定等优点。
同时全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵消，所以在本设计中我们采用该方案。
方案二：
采用压磁式称重传感器
它是一种力—电转换的无源传感器。
它的工作原理是利用压磁效应，将被称重量的变化变换成传感器导磁体的导磁率变化并输出电信号。
压磁传感器具有输出信号大、抗干扰性能好、过载能力强、不均匀载荷对测量准确度的影响小，但准确度低、反应速度慢。
所以不采用该方案。
方案三：
采用电容式称重传感器
它是以各种不同类型的电容器作为转换元件，是一个具有可变参数的电容器。
电容式传感器由于它存在输出特性的非线性、寄生电容和分布电容对灵敏性和称重精度的影响、传感器联接电路比较复杂等原因，直接影响到它的可靠性，所以不采用该方案。
通过对三种方案的分析和比较，又因为本系统要求最大称重为9.999公斤，重量误差不大于
0.005公斤，且考虑到称台自重、振动和冲击分量，还有避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定称重9.999公斤。
综上我们最终采用矽普电子HL-8型称重传感器，额定量程为15Kg,精度为0.01%，满程误差为
0.005kg。
可以满足本系统的精度要求。
以下为该传感器的技术参数。
表1.1称重传感器技术参数
量程（Kg）
3，15
综合误差（%F.S）
0.05
额定输出温度漂移（%F.S/10℃）
≤0.15
灵敏度（mv/v）
1.0±0.1
零点输出（mv/v）
±0.1
非线性（%F.S）
0.05
输入电阻（Ω）
1000±50
重复性（%F.S）
0.05
输出电阻（Ω）
1000±50
滞后（%F.S）
0.05
绝缘电阻（MΩ）
≥2000（100VDC）
蠕变（%F.S/3min）
0.05
推荐激励电亚（V）
5~10
零点漂移（%F.S/1min）
0.05
工作温度范围（℃）
-10~+50
零点温度漂移（%F.S/10℃）
0.2
过载能力（%F.S）
150
1.2.2A/D转换器的选取
因为本系统设计要求最大称重为9.999公斤，重量误差不大于
0.005Kg,所以要求精度达到0.05%FS。
A/D转换器位数的选择：
12位A/D精度：
10Kg/（
）=0.0024Kg
14位A/D精度：
10Kg/（
）=0.00061Kg
考虑到其他部分所带来的干扰，要满足系统精度要求需要14位或精度更高的A/D。
方案一：
并行比较A/D转换器：
如ADC0808。
并行比较ACD是现今速度最快的模/数转换器，采样速率在1GSPS以上，通常称为“闪烁式”ADC。
它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分别组成。
这种结构的ADC所有位的转换同时完成，其中转换时间主要取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。
缺点是：
并行比较式A/D转换的抗干扰能力差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于8位，因此并行比较式A/D只适合于数字示波器等转换速度较快的仪器中，不适合本系统。
方案二：
逐次逼近型A/D转换器：
如ADS7805、ADS7804等。
逐次逼近型ADC是应用广泛的模/数转换方法，这一类型ADC的优点：
高速，采样速率可达1MSPS；与其他ADC相比，功耗相当低；在分辨率低于12位时，价格较低。
缺点：
在高于14位分辨率情况下价格较高；传感器产生的信号在进行模/数转换之前需要进行调理，包括增益级和滤波，这样会明显增加成本。
故该方案不可采用。
方案三：
积分型A/D转换器：
如ICL7135。
积分型ADC又称为双斜率或多斜率ADC，是应用比较广泛的一类转换器。
它的基本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。
于此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现A/D转换。
积分型ADC两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定，因此所得到的表达式与时钟频率无关，其转换精度只取决于参考电压VR。
此外，由于输入端采用了积分器，所以对交流噪声的干扰有很强的抑制能力。
若把积分器定时积分的时间取为工频信号的整数倍，可把由工频噪声引起的误差减少到最小，从而有效地抑制电网的工频干扰。
这类ADC主要应用于低速、精密测量等领域。
其优点是分辨率高，可达22位；功耗低、成本低。
缺点是：
转换速率低，转换速率在12位时为100~300SPS。
所以考虑到分辨率要在14位以上，而该类ADC的转换速率较低，故不采用该方案。
方案四：
采用
技术制成的ADC转换芯片
该类芯片具有较高集成度，通常集放大器、模拟开关、A/D转换器、比较器、数字滤波器、输出接口集于一体。
仅需几个外围器件便可构成一个完整的A/D转换系统，大大减少了电路的复杂度。
由于其集成度高，所以故障概率较采用分立元件A/D转换系统有明显降低，进而提高系统可靠性。
此外，其内部置高性能仪表放大器，大大降低对信号源的要求。
电子称电阻应变式称重传感器输出信号为mV级，若采用一般的A/D转换器往往需要放大后才能进行A/D转换。
而
A/D转换器大都采用了增益可编程放大器，可编程数字滤波、多种自校准技术等多项先进技术，并多数采用微处理器来管理与控制转换程序，由于采用了多种综合技术措施，放大器的增益调整、数字滤波和误差校正都集中在同一芯片中，外围器件少，使用方便可靠。
故采用该方案。
经过对以上几种方案的分析与比较，我们最终采用了矽普电子的HX711型称重传感器专用24位模拟/数字（A/D）转换器芯片。
该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器模拟开关、
A/D转换器、比较器、数字滤波器等以及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。
1.2.3放大器选取
因为ADC还应包含一个低噪音可编程增益放大器（PGA）,它具有很高的内部增益以放大来自称重传感器的微小输出信号。
与需要外部增益电阻器的分立放大器相比，集成的PGA经过优化能够提供低的温度漂移。
由于采用
技术制成的ADC转换芯片HX711,其内部置高性能仪表放大器，大大降低对信号源的要求，具有优良的低噪音指标（50nVrms）和最大增益为128mV/mV的前端增益级。
因此称重传感器可以与这类ADC直接相连。
1.3人机交互界面方案选取
1.3.1键盘输入
由于电子称需要设置单价（10个数字键），还需具有确认、删除等功能，总共需设置16个键。
键盘的扩展方案为：
采用矩阵式键盘：
矩阵式键盘的特点是把检测线分为两组，一组为行线，一组为列线，按键放在行线和列线的交叉点上。
当键盘的数量大于8个时，一般都采用矩阵式键盘。
图2-4给出了一个4
4的矩阵键盘结构的键盘接口电路，图中的每一个按键都通过不同的行线和列线与主机相连。
4
4的矩阵键盘共可安装16个键，但只需8条测试线。
图1.4键盘电路图
1.3.2显示输出部分
方案一：
采用带有字库的点阵图形液晶显示模块显示。
点阵图形液晶模块是一种用于显示各类图像、符号、汉字的显示模块，其显示屏的点阵像素连续排列，行和列在排布中没有间隔，因此可以显示连续、完整的图形。
当然它也能显示字母、数字等字符。
因为设计要求显示的全部内容采用中文显示，所以要求的显示器必需带有中文字库。
该类显示器具有功耗低、体积小、质量轻、超薄和可编程等优点。
故可以采用该方案。
方案二：
采用LED数码管显示。
数码管只能显示有限的数字和符号，显示内容少，无法满足设计要求。
故不采用该方案。
经过对以上方案的分析和比较，我们采用带中文字库的12864液晶显示器。
它具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
1.3.3报警系统
在本系统中，设置报警的目的就是在超出电子称测量范围时，发出声光报警信号，提醒用户，防止损坏仪器。
超限报警电路是有单片机的I/O口来控制的，当称重物体重量超过系统设计所容许的重量时，通过程序使单片机的I/O值为高电平，从而使三极管导通，使蜂鸣器发出报警声，同时使报警灯发光。
1.4开发流程
1.4.1编译环境
在制作过程中，运行的编译环境为KeiluVision3。
KeiluVision3是众多单片机应用开发软件中优秀的软件之一，它支持众多不同公司的MCS51架构的芯片，它集编辑，编译，仿真等于一体，同时还支持，PLM，汇编和C语言的程序设计，它的界面和常用的微软VC++的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。
第二章数据信号采集
2.1数据采集元件
2.1.1传感器
传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。
用传感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这一点对正确使用传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个系统的可靠性和安全性。
因此传感器外围电路的抗干扰能力是数据采集部分电路设计的关键环节。
传感器检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。
常用的电阻应变片有两种：
电阻丝应变片和半导体应变片，本设计中采用的是电阻丝应变片，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，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。
电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，所以测量时我们一定要注意，其中温度的影响最重要，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。
B.电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。
对于因温度变化对桥接零点和输出灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，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，解决的方法是在被粘贴的集片上采用适当温度系数的自动补偿片，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，一般来说主要是由结构设计决定，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。
我们采用的是矽普电子HL-8型称重传感器，额定量程为15Kg,精度为0.01%，满程误差为
0.005kg。
该称重传感器采用全桥式等臂电桥。
2.1.2A/D转换器部分
由于采用的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。
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。
同时降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。
并且该芯片与后端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。
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。
以下为HX711管脚说明：
图2.1HX711管脚说明示意图
表2.1HX711管脚说明表
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（不用稳压电路时应接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（不用稳压电路时接地）
5
AGND
地
模拟地
6
VBG
模拟输出
参考电源输出
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数据采集过程
当A/D转换器的数据输出管脚DOUT为高电平时，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（如图3.2所示）。
图2.2数据输出、输入通道和增益选择时序图
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个时钟脉冲完成，24位输出数据从最高位至最低位逐位输出完成。
第25至27个时钟脉冲用来选择下一次A/D转换的输入通道和增益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。
如果PD_SCK从低电平变高电平并保持在高电平超过60μs，HX711即进入断电状态（图2.3）。
图2.3断电控制图
如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进入正常工作状态后，通道A和增益128会被自动选择作为第一次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。
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低电平，输出有效数据。
3.3数据转换显示
A/D转换结果D与被测量X存在以下关系：
式中：
S——传感器及其测量电路的灵敏度
——A/D转换器满量程输入电压
——A/D转换器满量程输出数字
由于被测量X总是以其测量数字N和测量单位
表示
所以得
可见只要满足以下条件：
则可以使A/D转换结果D与被测量x的数值N相等，即D=N，在这种情况下将A/D转换结果作为被测量的数值传送到显示器显示出来。
第三章实用电子称硬件设计
3.1机械部分
3.1.1传感器的安装
由于我们采用的传感器为HX711称重传感器，根据该传感器的受力方式和安装说明，见图3.1、图3.2。
我们决定采用如图3.3所示的安装方式。
传感器受力方式：
图3.1传感器受力方式
安装说明：
图3.2传感器安装说明
安装方式：
图3.3传感器安装方式
3.2电路部分
3.2.1基于STC89C52的主控制模块
图3.4主控制电路图
3.2.2电源模块
由于系统需要＋5V电源，传感器需要±5V以上或＋10V以上的线性电源（不能用开关电源，否则称重数据不稳定）。
我们买了一块廉价的，具有＋5V，±12V输出的开关电源，＋5V直接作为数字电源，±5V由±12V通过LM7805和LM7905进行DC/DC变换得到，效果非常好，物美又价廉。
3.2.3A/D转换模块
图3.5A/D转换电路图
3.2.4键盘模块
矩形键盘的结构与工作原理：
在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩形形式。
在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。
这样，一个端口（如P3口）就可以构成4
4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘读出一倍。
矩阵式键盘的按键识别方法：
确定矩阵式键盘上何键被按下，我们采取先列扫描后行扫描的方法。
具体过程如下：
判断键盘中有无键按下，首先将行全部为高电平，列全为低电平，然后检测行线的状态。
只要有一行的电平为低，则表明键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根列线相交叉的4个按键之中。
若所以的行线均为高电平，则键盘中无键按下。
判断闭合键所在的位置，在确定有4按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。
其方法是：
依次将行线置为低电平，即在置某行为低电平时，其他线为高电平。
在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。
若某列为低，这该列与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。
以下为键盘电路：
图3.6键盘电路图
各按键的功能为：
0,1,2,3,4,5,
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