多功能微电脑电子秤的设计.docx

1、多功能微电脑电子秤的设计华中科技大学文华学院毕业设计(论文)题目：多功能微电脑电子秤的设计 学 生 姓 名： 学号： 学 部 （系）： 专 业 年 级： 指 导 教 师： 职称或学位： 讲师 2010年5月15日 多功能微电脑电子秤的设计摘 要随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。做为重量测量仪器，智能电

2、子秤在各行各业开始显现其测量准确，测量速度快，易于实时测量和监控的巨大优点，并开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量称，成为测量领域的主流产品。本文设计的电子秤以单片机为主要部件，用汇编语言进行软件设计，硬件则以半桥传感器为主,测量0500g电子秤，随时可改变上限阈值，并达到阈值报警的功能。称重传感器输出的电量是模拟量，数值比较小达不到A/D转换接收的电压范围。所以送A/D转换之前要对其进行前端放大、整形滤波等处理。然后，A/D转换的结果才能送单片机进行数据处理并显示。其数据显示部分采用LCD显示，成本低且能很好地实现所要求的功能。关键词：SP20C-G501，AT89S52，称重传感器，A/D转换

3、器，LCD显示器The electronic scale design based on microcontrollerAbstractWith the application of micro-electronics technology, tradition ponderation instrument used in market has been not satisfaction with hunman requirements already. In order to make up for the traditional apparatus shortcoming, we impr

4、ove the apparatuss control system with intelligence and automation. This system is mainly controlled by microcontroller, the section of height measurement accomplish by supersonic sensor, the section of weight measurement accomplish by weight sensor and A/D transformer, this apparatus have many char

5、acteristic such as having more function, consume less energy, small and move easily, low price, measure precisely, the speed is quick, automatic work without people and so on.The system is mainly controlled by the microcontroller AT89S52, the periphery is consist of the circuit of clock and calendar

6、, the circuit of measure height and weight, the circuit of display and print, all of these comprise the circuit board of the intelligent apparatus of height and weight. It can achieve all function of the apparatus.Key Words：SP20C-G501，AT89S52，ponderation sensor，A / D converter，LCDDisplay前言 称重技术自古以来就

7、被人们所重视，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。电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、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。称重装置不仅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国民经济各领域，取得了显著的经济效益。因此，称

8、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子衡器以来，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

9、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。电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、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. 概述1.1 本设计的任务和主要内容电子秤的硬件设计1、半桥电子秤的任务分析与实现传感器的选择，放大电路的设计，采集电路的设计，显示电路的设计，键盘电路的设计，报警电路的设计2、电子秤的软件设计监控程序的设计，数据处理子程序的设计，数据采集子程序的设计，显示子程序的设计，键盘扫描子程序的设计，报警子程序的设计电子秤的基本结构电子秤

10、是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。不管根据什么原理制成的电子秤均由以下三部分组成：（1）承重、传力复位系统它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。(2)称重传感器 即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是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型式不同，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）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是

11、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；有较好的频响特性；稳定可靠。(3)测量显示和数据输出的载荷测量装置即处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补尝元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮器件等）。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。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

12、传递到称重传感器，传感器随之产生力电效应，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不断扫描键盘和各种功能开关，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。电子秤的计量性能电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有：量程、分度值、分度数、准确

13、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。电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积来表示，即Max = n d（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、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，如下表1-1所示：表1-1电子秤等级分类标志及等级电子秤种类分度数范围特种准确度基准衡器n 100 000高准确度精密衡器10 000 n 100 000中准确

14、度商业衡器1 000 n 10 000普通准确度粗衡器100 n 1 0001.2 设计思路 目前,台式电子秤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、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。现有的便携秤为杆秤或以弹簧、拉伸变形来实现计量的弹簧秤,居民用户使用的基本是杆秤。弹簧盘秤制造工艺要求较高,弹簧的疲劳问题无法彻底解决,一旦超过弹簧弹性限度,弹簧秤就会产生很大误差,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。 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

15、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AT89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。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，为此我们还设计了过载提示和声光报警功能。综上所述,本课题的主要设计思路是：利用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，然后再经过模数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，得出当前所称物品的重量及总额，

16、然后再显示出来。此外，还可通过键盘设定所称物品的价格。主要技术指标为：称量范围05kg;分度值0.01kg;精度等级级;电源DC1.5V（一节5号电池供电）。这种高精度智能电子秤体积小、计量准确、携带方便,集质量称量功能与价格计算功能于一体,能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。2. 硬件电路设计2.1 传感器的选择在设计中,传感器是一个十分重要的元件,因此对传感器的选择也显的特别的重要,不仅要注意其量程和参数,还有考虑到与其相配置的各种电路的设计的难以程度和设计性价比等等.传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。一般来

17、说，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素后，经过大量的实验而确定的。其公式如下：CK0K1K2K3(WmaxW)/N （2.1）C单个传感器的额定量程；W秤体自重；Wmax被称物体净重的最大值；N秤体所采用支撑点的数量；K0保险系数，一般取值在1.21.3之间；K1冲击系数；K2秤体的重心偏移系数；K3风压系数。本设计要求称重范围05kg，重量误差不大于

18、0.01kg，根据传感器量程计算公式（2.1）可知：C1.2511.031（201.9）19.01205 （2-1）为保证电子秤称量结果的准确度，克服传感器在低量程段线性度差的缺点。传感器的量程应根据皮带秤的最大流量来选择。在实际工作中，要求称重传感器的有效量程在20%80%之间，线性好，精度高。重量误差应控制在0.01Kg，又考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，根据式2.1的计算结果，所以我们确定传感器的额定载荷为7.5Kg，允许过载为150%F.S，精度为0.05%，最大量程时误差0.01kg，可以满足本系统的精度要求.综合考虑,本设计采用SP20C-G501电阻应变式

19、传感器,其最大量程为7.5 Kg.称重传感器由组合式S型梁结构及金属箔式应变计构成，具有过载保护装置。由于惠斯登电桥具诸如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，广泛用于各种结构的动、静态测量及各种电子秤的一次仪表。该称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，其工作原理如图2-1所示： 图2-1称重传感器原理图表2-1传感器主要技术指标准确度等级 C3 0.02 0.03 额定载荷 kg 1、2.5、5、7.5、10、15 灵敏度 mV/V 1.80.08 非线性 %F.S. 0.02 滞后 0.02 重复性 0.02 蠕变 %F

20、.S./30min 0.02 蠕变恢复 零点输出 %F.S. 1 零点温度系数 %F.S./10 0.02 额定输出温度系数 输入电阻 415445 输出电阻 349355 绝缘电阻 M 5000 供桥电压 V 12（DC/AC） 温度补偿范围 -10+50 允许温度范围 -20+60 允许过负荷 %F.S. 120 极限过负荷 %F.S. 200 四角误差 %F.S. 0.03 连接电缆 mm 3.8300 接线方式 输入 Input（+）: Red 输入 Input（-）:White 输出Output（+）:Green 输出Output（-）:Blue 屏蔽 Shield : Yellow

21、 其测量原理：用应变片测量时，将其粘贴在弹性体上。当弹性体受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。由于内部线路采用惠更斯电桥，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： （2-2）2.2 放大电路的设计传感器输出电压为毫伏级，而A/D转换器所能处理的电压是05V，所以必须在A/D转换器前加入一个前置差动放大电路以实现电压的放大，放大倍数为100200倍，使输出电压为05V。由于单运放在应用中要求外围电路匹配精度高、增益调整不便、差动输入阻抗低，故采用三运放结构。三运放结构具有差动输入阻抗高、共膜抑制比高、偏置电流低等优点，且有

22、良好的温度稳定性，低噪单端输出和和增益调整方便，适于在传感器电路中应用。如图3-2所示，图中 为增益调节电阻，整个芯片仅 为外接电阻，而运放 为增益为1的差动输入放大器。 2-2-1 放大电路硬件原理图2.3 采集电路的设计数据采集系统的组成数据采集系统的核心是计算机，他对整个系统进行控制和数据处理，他由采样/保持器，放大器，A/D转换器，计算机组成。数据采样保持器进行模数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即A/D转换的孔径时间。当输入信号频率较高，由于孔径时间的存在，会造成较大的转换误差；为了防止误差需在中间加一个功能器件采样/保持器，进行有效、正确的数据采集。采样/

23、保持器通常由保持电容器、模拟开关和运算放大器组成。其中对于低速场合可以采用继电器作为开关以减小开关漏电流的影响；在高速场合也可以用晶体管、场效应管来作为开关。 采样保持器的原理：如图，当开关闭合时，V1通过限电流电阻向电容C充电，在电容值合理的情况下，V0随Vi的变化而变化；当K断开时，由于电容C有一定的容量，此时输出V0保持输入信号再开断开瞬间的电平值。图2-3-1 采样保持原理图在模拟信号输入通道中，是否需要加采样/保持器，取决于模拟信号的变化频率和A/D转换器的孔径时间；对快速过程信号，当最大孔径误差超过允许值时，必须在A/D转换器前加采样/保持器。但如果输入模拟量是直流量或者被测信号模

24、拟量随时间变化非常缓慢，采样/保持（S/H）电路可以省去。A/D转换器设计中A/D转换器用的是ADC0809 A/D转换器，它是8路8位逐次逼近式转换器，结果为8位二进制数据，转换时间短（一般在级），满足题目要求的“实时采样”，并且它的转换精度在0.1%上下，比较适中，适用于一般场合。由图2.3.3可见，单片机通过读控制线WR和0809片选线控制启动A/D转换及输入通道地址锁存，写控制线WR与ADC0809片选线控制输出允许。由于ADC0809具有通道地址锁存功能，通道选择ADD.A、ADD.B、ADD.C直接接单片机的数据口。模拟电压由IN0通道输入，A/D采样电压在05v之间变化。所模拟通

25、道IN0地址口为0AOOOH，但是ADC0809无内置时钟，所以CLOCK由外部时钟信号控制。 图2-3-2 A/D转换器和单片机的接口电路2.4 显示电路的设计显示部分可以将处理得出的信号在显示器上显示，让人们直观的看到被测体的质量，也可以进行报警提示。LCD液晶显示器是一种极低功耗显示器，从电子表到计算器，从袖珍时仪表到便携式微型计算机以及一些文字处理机都广泛利用了液晶显示器。本设计采用的显示模块是12864点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提

26、供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。2.5 键盘电路的设计利用键盘可选择电子秤工作模式、设定测量上限等。键盘部分采用矩阵式的键盘，采用这种结构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。矩阵式的键盘的优点是需要的测试线的数量少，对于一个MN的矩阵键盘与主机连接只需要M+N条测试线，这样键盘的规模越大，矩阵时键盘的优点越显著，当需要的按键数目大于8时，一般都采用矩阵式键盘。图 2-5-1 矩阵式键盘结构图2.6 报警电路的设计报警电路是超过设定的范围，单片机输出信号驱动蜂鸣器发声警报，如图 所示

27、，当BDLL端为低电平时，有电流通过蜂鸣器，蜂鸣器报警，反之不报警，这里设定当超过质量的上限时通过软件使8031的P1.0口清零，再过P1.0口出来的低电平信号连接到BELL端蜂鸣器发声报警。图 2-6-1 报警电路3. 软件的设计3.1 监控程序的设计智能仪器的设计既要满足设定的功能的完成如计算等功能的任务功能程序，也要有可以监控仪器仪表正工作，保证其可靠性方面的监控程序。整个智能仪器的测量都是智能仪器自动完成的，所以设计一套功能完备的监控程序是必须的也是必要的。监控程序的主要作用是实时的响应来自系统的各种信息，按信息的类别进行处理；当系统出现故障时，能自动的采取有效的措施，消除故障，保证系

28、统能够继续进行正常工作。3.2 数据处理子程序的设计数据处理子程序是整个程序的核心。主要用来调整输入值系数，使输出满足量程要求。另外完成A/D的采样结果从十六进制数向十进制数形式转化。系数调整在IN0输入的数最大为5V，要求的质量500g对应的是4.8V，为十六进制向十进制转换方便，将系数放大100倍。并用小数点位置的变化体现这一过程。数制转换数制之间的转换：在二进制数制中，每向左移一位表示数乘二倍。以每四位作为一组对数分组，当第四位向第五位进位时，数由8变到16，若按十进制数制规则读数，则丢失6，所以应进行加六调整。DA指令可完成这一调整。可见数制之间的转换可以通过移位的方法实现。其中，移出

29、数据的保存可以通过自乘再加进位的方法实现，因为乘二表示左移一位，左移后，低位进一，则需加一。否则，加零。而通过移位已将要移入的尾数保存在了进位位中，所以能实现。图3-2-2 数据处理原理框图3.3 数据采集子程序的设计 数据采集用A/D0809芯片来完成，主要分为启动、读取数据、延时等待转换结束、读出转换结果、存入指定内存单元、继续转换（退出）几个步骤。ADC0809初始化后，就具有了将某一通道输入的05模拟信号转换成对应的数字量00HFFH，然后再存入8031内部RAM的指定单元中。在控制方面有所区别。可以采用程序查询方式，延时等待方式和中断方式。图3-3-1 数据采样原理框图3.4 数据显

30、示子程序的设计显示子程序是字符显示，首先调用事先编好的8279的键盘显示子程序。 调用8279初始化命令，然后输出写显示命令。在显示过程中一定要调用延时子程序。当输入通道采集了一个新的过程参数，或仪表操作人员键入一个参数，或仪表与系统出现异常情况时显示管理软件应及时调用显示驱动程序模块，以更新当前的显示数据显示符号。 图3-4-1 显示原理框图3.5 键盘扫描子程序的设计如图2.5.1所示：键盘电路设计成4X4矩阵式，由键盘编码方式可以得出0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F，各键键值为：0D8H,0D0H,0D1H,0D2H,0C8H,0C9H,0CAH,0C0H,

31、0C1H,0C2H,0C3H,0CBH,0D3H,0DBH,0DAH,0D9H 。在程序中可以先判断按键编码，然后根据编码将键盘代表的数值送到相应的存储单元，再进行功能选择或数据处理。图3-5-1键盘扫描原理框图3.6 报警子程序的设计由于要求要键盘设定阈值，所以要求有报警电路，报警电路可以有声报警也可有光报警，将设定的阈值与实时显示的值进行比较，如果设定值小于实时显示的值，则将P1.0置为1，将发光二极管点亮，或使蜂鸣器发出声音。这就需要一段比较程序以及一小段置1清0程序。图3-6-1 报警原理框图4. 主程序设计 图4-1 系统主程序流程图结束语随着集成电路和计算机技术的迅速发展，使电子仪器的整体水平发生巨大变化，传统的仪器逐步的被智能仪器所取代。智能仪器的核心部件是单片机，因其极高的性价比得到广泛的应用与发展，从而加快了智能仪器的发展。而传感器作为测