基于MCS51的电子秤设计.docx
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基于MCS51的电子秤设计
基于MCS-51的电子秤设计
摘 要：
本文设计一种利用电阻应变式压力传感器和MCS-51单片机等器件制作的电子秤。
该秤可以对200g量程范围内的物体进行称量，能实现称重、数码显示、去皮/清零等功能。
该电子秤利用电桥测量原理，将压力应变传感器阻值转换为电压值，再经过放大器将电压放大，通过确定输出电压和标准重量的关系，形成一台原始电子秤。
将此输出电压经过模数转换，送入MCS-51单片机处理，再控制数码管驱动电路，最后显示出测量结果。
关键词：
电子秤；应变式压力传感器；电桥；放大电路；单片机
1总体方案设计
本设计由以下几部分组成：
电阻应变传感器、信号放大器、模数转换、单片机、显示器。
其结构图如下所示。
由电阻应变式传感器感受被测物体的质量，通过电桥输出电压信号，通过放大电路将输出信号放大，而后送入A/D转换单元进行模数转换，将转换后的数字信号送给单片机；单片机接收数据后，对数据进行处理，将其转换为对应的重量信息，送液晶显示模块进行显示。
单片机同时也可以进行去皮调零操作，因此单片机还需查寻键盘是否有输入，执行相应的功能。
2硬件电路设计
2.1电阻应变传感器
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元件。
由电阻应变片和测量线路两部分组成。
电阻应变片产生的误差，主要来源于温度的影响，本设计主要在实验室内进行，温度的影响暂不处理。
在电桥测量电路中，将一对变化相反的应变片接入电桥一臂，另一臂接两个相同的阻值作为基准值；当桥臂电阻初始值R1＝R2＝R3＝R4=350时平衡，其变化值为ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4=d时，其桥路输出电压Uout与d成正比。
2.2放大电路设计
由于传感器输出的信号比较微弱，必须通过一个放大器对其进行放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求。
本设计中选用由三运放构成的具有高输入阻抗，高共模抑制比的仪表放大器作为前级，再接一个反相比例放大器作为后级输出。
另外，仪表放大电路中电阻Rw1可用于微调放大倍数；而后级放大器原接地端现在通过Rw2接入一电压值，可以对输出电平进行平移。
2.3单片机电路设计
2.3.1单片机最小系统
对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括单片机、晶振电路和复位电路。
下面给出一个51单片机的最小系统电路图。
复位电路:
由电容串联电阻构成,一般教科书推荐C 取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平.
晶振电路:
典型的晶振取11.0592MHz（因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合）/12MHz（产生精确的us级时歇,方便定时操作）
2.3.2模数转换与单片机接口
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。
（1）引脚说明：
IN0－IN7：
8条模拟量输入通道，要求信号单极性，电压范围是0－5V；
地址输入和控制线：
4条
数字量输出及控制线：
11条
CLK为时钟输入信号线：
所需时钟信号必须由外界提供；
VREF（＋），VREF（－）：
参考电压输入。
（2）工作过程：
请参考ADC0809时序图。
ST为转换启动信号，当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。
EOC为转换结束信号。
当EOC为高电平时，表明转换结束。
OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。
D7－D0为数字量输出线。
（3）接口电路：
ADC0809的时钟由51ALE信号给出；
数字量输出和51P0口直接相接；
地址控制线同样使用P0口，用一片74373锁存地址，然后连入ADDA~ADDC，373的使能由51ALE控制；
ADC0809各个使能端们由P2.0和读写标志口共同控制，任意写一个数时允许ADALE并启动转换（ADSTART端）；读入时应该使AD读端口使能（ADENABLE端）；
数字量传输使用中断方式，将ADEOC接入51INT0，转换完成后可以触发51执行中断程序。
这样连接的ADC由于使用51P2.0口和ADIN0，地址应该是0xFEF8；实际使用的实验箱中有唯一地址译码器，地址为0xcfa0；另外，实验箱部分电路已经连好，包括51最小系统和AD、显示输出的必要连线，Vref也已经连为5V不能改变。
2.3.3显示输出单元与单片机接口
利用8279键盘显示接口电路和实验箱上提供的数码显示，可以完成该功能。
利用8279可实现对键盘/显示器的自动扫描，以减轻CPU的负担，且具有显示稳定、程序简单、不会出现误动作等特点。
8279操作命令字较多，根据需要来灵活使用。
实验箱中数码显示地址为0xcfe8，将七段显示编码送入即可；显示控制单元地址为0xcfe9，可以控制输出到哪一位数码显示块上。
2.3.4去皮清零键与单片机的接口
将一手动控制的高低电平信号（手动单脉冲）送入单片机P1.0口，通知单片机进行去皮操作。
2.4Protel与PCB制版
使用Protel进行PCB制版时应遵循相应的步骤。
（1）连接原理图，选好参数以及封装，还可以对放大部分进行仿真
（2）电器检查
（3）新建pcb图
（4）创建NET表，导入/更新pcb图
（5）排位置，自动布线
（6）手动修补，完成设计
3软件与算法设计
3.1数据采集与放大倍数
传感器输入：
选择一个合适的电桥基准电压，传感器电桥输出电压为300.50mV~301.45mV，对应0~20g重物，平均每克变动不到0.1mV；由于它的变动范围很小，因而设计300mV的偏移量，不让其在0mV上下变动，以减少运放零漂的影响。
输出到AD：
ADC0809的Vref在实验箱内已经设定为5V，因而其分辨率约为5V/256=20mV。
这样，信号的放大倍数应该在200~400左右。
为了使输出更准确，使用+/-15V电源给集成运放供电，最后采用分压电阻使其符合0~5V的AD输入。
根据选取的参数值以及Rw1所调的阻值1k，总的放大倍数为25/1*47/5.1*33/10*1/3=253。
3.2数字量的处理
放上秤盘，调节Rw2，使放大器输出约为0.5V。
这时放上重物200g，放大器输出约2.7V左右。
根据放大器输出电压对应的数字值，以及重物重量（输出显示值），可以确定它们的关系。
砝码个数
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
数字量值
31
43
55
59
71
88
104
112
119
131
139
重量显示
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
LinearmodelPoly1:
f（x）=p1*x+p2
Coefficients（with95%confidencebounds）:
p1=1.784（1.66,1.908）
p2=-54.37（-65.95,-42.8）
式中的常数可以通过去皮清零键补偿，比例系数可以通过单片机进行乘法运算调整。
3.3单片机程序设计
单片机程序主要是输出显示和去皮清零两大部分。
输出显示时需要做乘法运算，同时换成相应的十进制数；去皮清零时需要根据操作者的指示预存一个数字信号。
设计的程序如下。
#include
#include
#defineLed_datXBYTE[0xcfe8]
#defineLed_ctlXBYTE[0xcfe9]
#definead_portXBYTE[0xcfa0]
unsignedchartable1[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};/*0-9*/
unsignedcharresig=0,renow=0,vbase=0;
voidDisplay_byte（unsignedcharloc,unsignedchardat）
/*将ad转换的数字值处理并显示为十进制*/
{
unsignedintm;
unsignedchartab[3];
loc&=0xf;
m=dat*1.75;/*换算倍数关系，根据3.2节中p1=1.784*/
tab[0]=m/100;//计算各位
tab[1]=m/10;
tab[1]=tab[1]%10;
tab[2]=m%10;
Led_ctl=loc|0x80;
Led_dat=table1[tab[0]];/*显示由ad转换得到数（对应的十进制数）的高位*/
loc++;
Led_ctl=loc|0x80;
Led_dat=table1[tab[1]];/*显示由ad转换得到数（对应的十进制数）的中位*/
loc++;
Led_ctl=loc|0x80;
Led_dat=table1[tab[2]];
}
voiddelay（unsignedintt）
{
for（;t>0;t--）;
}
voidmain（void）
{
Led_ctl=0xd1;//init
while（（Led_ctl&0x80）==0x80）;
Led_ctl=0x31;
while
（1）
{
ad_port=0;//准备读ad
while（INT0）;
while（!
INT0）;
renow=P1;
if（renow!
=resig）//清零按键
{
vbase=ad_port;
resig=renow;
}
else{//输出显示
Display_byte（0,ad_port-vbase）;
}
delay（20000）;
}
}
4总结
本课程设计制作的电子秤，集传感器技术、微机技术于一体，实现了基本的秤重显示功能，稍加扩展，还可与其他生产质量管理系统相连接，实现数据交换记录分析等功能，具有推广应用价值。
我们小组几人分工学习，相互配合，终于完成了课程设计的要求。
课程设计过程中，我们将课上学习的理论知识加以运用，锻炼了自主学习能力，遇到不懂的查资料，出现问题相互讨论，实际操作中锻炼的动手能力。
姜老师对我们的指导和帮助功不可没，她还教会了我们使用Protel软件的方法，我们向她表示由衷的感谢。
在实际操作中，放大器部分遇到的问题最大。
由于传感器输出电压较小，使得放大电路的调适任务比较困难。
对此，我们先是选用合适的电路形式，即仪表放大接一级可调电平高低的比例放大；接下来给放大器各级输入一个容易实现的电压，看看各级放大倍数是否与理论相符；这之后再使传感器输出在一个基准值上下变化，如300mV，而不是在0上下变化，这样放大出的电压较为稳定；增加的基准电压由第三级调到0左右，不能准确调零的部分再由单片机去皮调零。
5参考文献
［1］北京精仪达盛科技有限公司.EL型微机教学实验系统，在线帮助文件.北京.
［2］AtmelCorporation.AT89C52DataBook［Z］.1999.
［3］NationalSemiconductorCorporation.ADC080xDataBook［Z］.1999.
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