基于51单片机的商业用智能电子秤设计.docx

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基于51单片机的商业用智能电子秤设计

摘要

随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。

为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，在本设计中将智能化、自动化、人性化用在了电子秤重的控制系统中。

本系统主要由单片机来控制，测量物体重量部分由称重传感器及A/D转换器组成，加上显示单元，此电子秤俱备了功能多、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。

本系统以AT89C51单片机为主控芯片，外围附以称重电路、显示电路、键盘电路等构成智能称重系统电路板，从而实现自动称重系统的各种控制功能。

可以说,此设计所完成的电子秤很大程度上满足了应用需求。

关键词AT89C51称重传感器A/D转换器LCD显示器

Abstract

Withtheapplicationofmicro-electronicstechnology,traditionponderationinstrumentusedinmarkethasbeennotsatisfactionwithhunmanrequirementsalready.Inordertomakeupforthetraditionalapparatusshortcoming,weimprovetheapparatus'scontrolsystemwithintelligenceandautomation.Thissystemismainlycontrolledbymicrocontroller,thesectionofheightmeasurementaccomplishbysupersonicsensor,thesectionofweightmeasurementaccomplishbyweightsensorandA/Dtransformer,thisapparatushavemanycharacteristicsuchashavingmorefunction,consumelessenergy,smallandmoveeasily,lowprice,measureprecisely,thespeedisquick,automaticworkwithoutpeopleandsoon.

ThesystemismainlycontrolledbythemicrocontrollerAT89S52,theperipheryisconsistofthecircuitofclockandcalendar,thecircuitofmeasureheightandweight,thecircuitofdisplayandprint,allofthesecomprisethecircuitboardoftheintelligentapparatusofheightandweight.Itcanachieveallfunctionoftheapparatus.

KeyWords:

AT89C51;weighingsensor;A/Dconverter;LCDMonitor

第一章绪论

1.1电子秤的概述

电子秤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。

特别是近30年以来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出电信号的电子衡器。

这是由于电子衡器不仅能给出质量或重量信号，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制和检验功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。

近年来，电子秤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，为电子秤的发展奠定了其础，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%称量准确度的电子秤，并在70年代中期约对75%的机械秤进行了机电结合式的电子化改造。

称重装置不仪是提供重量数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，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、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。

称重装置的应用已遍及到围民经济各领域，取得了显著的经济效益。

因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。

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了衡器以来，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。

现今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。

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。

电子秤是电了衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是围计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。

1.2设计目的

单片机以其功能强，体积小，功耗低，易开发等很多优势被广泛应用。

但单片机不是万能的，也存在不适合的场合，我们要充分利用单片机的内部资源和选择合适的单片机来完成我们的设计。

本数字电子秤的设计过程中需要用到A/D转换、键盘、液晶显示、复位电路和蜂鸣器报警驱动电路的知识，同时在软件的设计过程中需要用到键盘扫描、液晶显示驱动、模数转换程序及汉字库的的设计，可以很好的将数电、模电、单片机知识进行综合应用。

在综合应用中进一步熟悉单片机设计的开发各个流程，最终达到"巩固基础、注重设计、培养技能、追求创新、走向实用"的目的。

第二章系统方案的设计

2.1设计要求

1）参数要求

量程：

4.999kg感量（分辨率）：

1g数字显示：

重量31/2位

2）设计要求

（1）采用单片机控制，要求设计出硬件系统和软件系统。

（2）合理选择传感器、转换电路和显示输出电路等。

3）其它要求

能实现转换、显示和调校等多，种功能，具有准确度高、实时性好等特点。

2.2进度安排

4.4-4.24查找设计资料，画出原理电路框图；

4.25-5.15完成硬件电路的具体设计；

5.16-5.29完成软件程序的设计和编写；

5.30-6.5仿真调试；

6.6-6.24撰写设计报告（论文），答辩。

2.3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。

2.4系统的整体设计思路

根据电子秤的工作原理可以将电子秤大致能划分为三大部分，数据采集模块、控制器模块和人机交互界面模块。

图2.1为系统的整体框图。

数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成。

测量过程中把被测物体的重量通过传感器将重量信号转化为电压信号输出。

信号的前级处理将来自传感器的微弱信号进行滤波和放大，放大后的电压信号经过模数转换把模拟量转换成数字量。

控制器模块将数据采集模块传来的数字信号进行处理，完成被测物体重量的判断、显示等功能。

此部分对软件的设计要求比较高，系统的大部分功能都需要软件来控制。

人机交互界面模块主要由键盘和显示器组成。

键盘输入是系统接受用户指令的直接途径。

显示器采用LCD液晶显示器，可以直观的显示物品的重量，单价和总金额。

图2.1系统整体框图

第三章系统硬件电路设计

3.1压力传感器

传感器的定义：

能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

通常传感器由敏感元件和转换元件组成。

其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。

现代科技的快速发展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理，而传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知获取与检测信息的窗口；传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号。

因此，传感器的地位与作用特别重要。

称重传感器在电子秤中占有十分重要的位置，被喻为电子秤的心脏部件，它的性能好坏很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。

通常称重传感器产生的误差约占电子秤整机误差的50%~70%。

若在环境恶劣的条件下（如高低温、湿热），传感器所占的误差比例就更大，因此，在人们设计电子秤时，正确地选用称重传感器非常重要。

称重传感器的种类很多，根据工作原理来分常用的有以下几种：

电阻应变式、电容式、压电式等。

一压电传感器

压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。

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。

二电容式传感器

电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。

它有结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。

电容传感器可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。

电容传感器的基本工作原理可用最普通的平行极板电容器来说明。

两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，其电容量为

（3.1）

式（3.1）中

——两极板间的距离；

A——两平行极板相互覆盖的有效面积；

——介质的相对介电常数；

——真空中介电常数。

若被测量的变化使式中

、A、

三个参量中任一个发生变化，都会引起电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出[4]。

虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素：

（1）小功率、高阻抗。

受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法至几十皮法。

因C太小，故容抗

=1/

C很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因其视在功率P=

C，C很小，则P也很小。

故易受外界干扰，信号需经放大，并采取抗干扰措施。

（2）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。

三电阻应变式传感器

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。

电阻应变片式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。

下图为一直流供电的平衡电阻电桥，

接直流电源E：

图3.1传感器结构原理图

当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。

当忽略电源的内阻时，由分压原理有：

=（3.2）

当满足条件R1R3=R2R4时，即

（3.3）

=0，即电桥平衡。

式（3.3）称平衡条件。

应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。

若差动工作，即R1=R-△R,R2=R+△R,R3=R-△R，R4=R+△R,按式（3.2），则电桥输出为

（3.4）

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。

通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第三种方案。

题目要求称重范围0～4.999Kg,分辨率为1g，考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定称重4.999Kg。

我们选择的是电阻应变片压力传感器，量程为5Kg，精度为0.01%，满足本系统的精度要求。

3.2前级放大器

经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低；经由电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行信号转换。

为此，测量电路中常设有模拟放大环节。

这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。

放大器的输入信号一般是由传感器输出的。

传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。

因此，一般对放大器有如下一些要求：

1、输入阻抗应远大于信号源内阻。

否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。

2、抗共模电压干扰能力强。

3、在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。

从而保证放大器输出性能稳定。

4、能附加一些适应特定要求的电路。

如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。

综合以上要求，我们采用了最为简单的反相比例运算电路来实现放大的功能。

3.2.1反相比例运算电路

（1）电路的组成

图3.2反相比例电路

反向比例运算电路的组成如图3.2所示。

由图可见，输入电压ui通过电阻R1加在运放的反向输入端。

Rf是沟通输出和输入的通道，是电路的反馈网络。

同向输入端所接的电阻RP为电路的平衡电阻，该电阻等于从运放的同向输入端往外看除源以后的等效电阻，为了保证运放电路工作在平衡的状态下，同相输入端的电阻应该取

RP=R1//Rf

（2）电压放大倍数

图3.3反相比例运算电路

理想运算放大器组成的反相比例运算电路见图3.3，显然是一个电压并联负反馈电路。

在输入信号作用下，输入端有电流iI、i′I、if。

根据虚断的特性有i'I0（3.5）

于是iIif（3.6）

根据虚短的特性，有u+u-（3.7）

所以（3.8）

放大倍数Au为（3.9）

（3）反向比例运算电路的输入电阻

（3.10）

为了保证运放电路工作在平衡的状态下，同相输入端的电阻应该取

RP=R1//Rf

（4）由于反向比例运算电路具有虚地的特点。

所以共模输入电压为

（3.11）

反相比例运算电路由于具有“虚地”的特点，运放的同相输入端和反相输入端均为0电位，所以反相比例运算电路的共模输入电压等于0。

3.2.2前级放大电路

图3.4放大电路图

3.3A/D转换器

3.3.1方案比较

A/D转换部分是整个设计的关键，这一部分处理不好，会使得整个设计毫无意义。

目前，世界上有多种类型的ADC，有传统的并行、逐次逼近型、积分型ADC，也有近年来新发展起来的∑-Δ型和流水线型ADC，多种类型的ADC各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求。

目前，ADC集成电路主要有以下几种类型：

（1）并行比较A/D转换器：

如ADC0808、ADC0809等。

并行比较ADC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组成。

这种结构的ADC所有位的转换同时完成，其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。

（2）逐次逼近型A/D转换器：

如：

ADS7805、ADS7804等。

逐次逼近型ADC是应用非常广泛的模/数转换方法，这一类型ADC的优点：

高速，采样速率可达1MSPS；与其它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。

（3）积分型A/D转换器：

如：

ICL7135、ICL7109、ICL1549、MC14433等。

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。

与此同时，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小到最小，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，如数字电压表。

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。

（4）压频变换型ADC：

其优点是：

精度高、价格较低、功耗较低。

缺点是：

类似于积分型ADC，其转换速率受到限制，12位时为100～300SPS。

考虑到本系统中对物体重量的测量和使用的场合，精度要求不是很苛刻，转换速率要求也不高。

因此首先考虑常用的数模转换芯片ADC0809，由于本设计只需采集仪一路数据，ADC0809为并行的8路数据采集芯片，且接线较复杂，因此考虑采用串行的A/D转换芯片0832完成设计。

3.3.2ADC0832芯片介绍

ADC0832与MSC-51单片机接口构成了串行的8位通道，微处理器通过软件写入三位串行控制命令决定ADC0832的工作方式，CH0单端输入，输入范围0-5V，非调整误差为正负1LSB，电路仅使用微处理器的两根控制线，两根数据线可方便进行光电隔离增强抗干扰能力。

适用于智能化检测仪器仪表。

正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。

但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。

当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。

当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。

此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。

在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。

在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能，

当此2位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。

当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。

当2位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。

当2位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。

到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。

从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。

直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。

也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATA0。

随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。

最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。

3.3.3采样电路图

图3.5采样电路图

3.4控制器

根据题目要求，有以下两种控制方案：

方案一：

采用现场可编程门阵列（FPGA）为控制核心，利用EDA软件编程，下载烧制实现。

系统集成于一片Xilinx公司的SpartanⅡ系列XC2S100E芯片上，体积大大减小、逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点，可实现大规模和超大规模的集成电路。

但是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，难度较大。

方案二：

目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出被测物体的重量，。

本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器,而且以单片机为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。

这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。

再则由于系统没有其它高标准的要求，又考虑到本设计中程序部分比较大，根据总体方案设计的分析，设计这样一个简单的的系统，可以选用带EPROM的单片机，由于应用程序不大，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展存储器，这样电路也可简化。

INTEL公司的8051和8751都可使用，在这里选用ATMENL生产的AT89SXX系列单片机。

AT89SXX系列与MCS-51相比有两大优势：

第一，片内存储器采用闪速存储器，使程序写入更加方便；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、性能比较稳定的MCPU，具有8K×8ROM、256×8RAM、2个16位定时计数器、4个8位I/O接口。

这些配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求

最后我们最终选择了AT89C51这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。

AT89C51内部带有8KB的程序存储器，基本上已经能够满足我们的需要。

3.4.1AT89C51芯片介绍

AT89C51（如图所示）是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多