毕业设计（论文）厨房便携式称量勺设计

1、 题目厨房便携式称量勺设计英文题目Design of portable kitchen weighing spoon作 者 声 明本人以信誉郑重声明：所呈交的学位毕业设计论文，是本人在指导教师指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术标准和其他侵权行为。文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，不包含他人成果及为获得东华理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本设计论文的研究做出重要奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本毕业设计论文引起的法律结果完全由本人承当。本毕业设计论文成果归东华理工大学所有。特此声明。毕业设计论文作者签字： 签字日期：

2、 年 月 日 本人声明：该学位论文是本人指导学生完成的研究成果，已经审阅过论文的全部内容，并能够保证题目、关键词、摘要局部中英文内容的一致性和准确性。 学位论文指导教师签名： 签字日期： 年 月 日摘 要 本文介绍的厨房便携式称量勺是基于单片机为核心具有角度补偿的电子称量系统。在设计上采用模块化设计，分模块实现功能，应用单片机接口技术将各模块整合成一个完整的系统，设计思路清晰，使得硬件设计、软件编程、调试较易实现，成品的故障诊断和维护变得简单易操作。 硬件电路由电源模块、CPU模块单片机最小系统、按键电路、压力传感器电路、AD数据采集电路模块、角度检测模块、显示模块7大局部组成。考虑到称电压升

3、至5V，用一节纽扣电池供电即可。角度的实时检测，系统对角度产生的误差进行实时补偿是本设计的一个特色，由MPU6050电子陀螺仪芯片及其外围电路构成的，其中包括X、Y、Z三个维度坐标轴角度和加速度检测，在这个系统中，我们只需对MPU6050模块的Z坐标轴角度检测的数据进行CPU的运算并处理。系统软件的设计那么按照各模块功能分成了假设干个模块进行编写，分别是主程序、A/D模块程序、按键模块程序、角度检测模块程序、LCD显示模块程序。关键词：单片机；角度检测；便携性；称量勺；系统ABSTRACT The portable kitchen weighing spoon is introduced in

4、 this paper based on single chip microcomputer as the core of the electronic weighing system with Angle compensation. It uses the modular design,different module realize the different function. single chip microcomputer interface technology makes different module integration into a complete system,

5、the idea clarity, it makes the hardware design, software programming and debugging is easy to implement, the fault diagnosis of the finished product simple easy to operate and maintenance.Hardware circuit by the power supply module, CPU module (single chip microcomputer minimum system), the key circ

6、uit and pressure sensor circuit, AD data acquisition circuit module, test module and display module . Considering the portable of weight spoon, we use MAX1676 make voltage from 1.5 V to 5 V, section with a button batteries. Angle real-time detection, the system on the perspective of real-time error

7、compensation is a feature of this design, composed of MPU6050 electronic gyroscope chip and its peripheral circuit, including the X, Y, Z axis Angle and the acceleration test.In this system, we just need to Operation and process MPU6050 module of Z axis Angle data by CPU. System software design is c

8、arried out in accordance with the module function is divided into several modules, respectively is the main program, A/D module, keys module program, the Angle detection module, LCD display module.Keywords: MCU;Angle detection;Portable; Weight spoon; System目 录摘 要IABSTRACTII绪 论1第1章 系统方案总体设计41.1 系统总体框

9、架设计41.2 系统方案选择51.3 系统结构设计方案61.4 设计目的及工作要求7第2章 系统硬件介绍82.1 厨房便携式称量勺设计思路82.2 MAX1676升压型DC-DC转换器92.2.1 MAX1676简介92.2.2 MAX1676的特点和工作原理92.2.3 MAX1676的参数设置112.3 MCU模块STC89C52单片机122.3.1 主控单元单片机初选型122.3.2 STC89C52RC单片机简介及应用122.3 称重传感器142.3.1 称重传感器简介142.3.2 电阻应变式称重传感器142.4 A/D转换器152.4.1 A/D转换器简介152.4.2 A/D转换

10、器主要性能参数152.4.3 HX711 A/D转换器152.5 角度检测162.5.1 角度检测方案选型162.5.2 MPU6050角度检测原理及应用17第3章 系统硬件电路设计183.1 系统主控电路183.2 电源电路193.2.1 主电源电路193.2.2 辅助电源电路193.3 按键电路203.4 压力传感器电路213.5 A/D转换电路213.6 MPU6050角度检测电路233.7 显示电路24第4章 系统软件设计与调试254.1 软件开发环境254.2 系统程序设计254.2.1 主程序设计254.2.2 子程序设计274.3 系统调试274.3.1 生成HEX文件274.3

11、.2 HEX文件下载284.4 系统实物调试294.4.1 系统功能实现294.4.2 同类型称量勺性能比照30结论33致 谢34参考文献35附录一 原理图36附录二 实物图39附录三 程序代码40绪 论1、选题的背景与意义 称重系统是人们生活中必不可少的计量系统。传统的机械式称量衡器，采用的是杠杆原理，即力与力臂的乘积相等。称量结果往往受其灵敏度不够，精度不高和体积大等缺陷影响实际的使用体验，日渐满足不了现代人生活水平及具体功能要求，而且还存在且携带和放置不方便等诸多诟病，使之慢慢地淡出我们的视线，渐渐被电子称重系统取而代之。传统的机械式称量衡器较为容易受外界环境影响产生误差，而且由于受到灵

12、敏度不够的限制，往往在某些特定环境特殊要求下达不到预期的称量目的。相比拟而言，电子衡器有灵敏度高、数码显示较为直观，减小人为因素视读误差、精确度高，放置携带方便等优点。 在互联网+的大环境下，电子称量系统现如今不仅仅局限于日常家用，而是向多元化开展。电子称量系统能够为实现生产过程中的自动化实时提供相关数据，可以提高生产效率减少本钱，所以电子称量系统得以在数据处理和工业控制等相关领域广泛使用，像运输、销售等领域。所有技术的革新及完善都要归功于称重传感器的种类日益丰富和性能指标的上升，电子称量系统才有了今天量的突破和质的飞跃。在称重传感器方面，国内、外的相关产品和品种推陈出新，技术不断进步，相关功

13、能不断完善。电子称量系统以其优越的性能和稳定性，进一步地应用到生产过程监控和企业综合数据采集分析系统。电子称重系统能较好适应和满足现代各行各业的实时检测的要求，使得电子称量系统在现代社会有着不可或缺的地位。厨房便携式称量勺设计是新型电子称量系统研究其中的一个方向。随着现代社会节奏的加快，生活压力的增大，进而激发了人们对生活质量提高的欲望。人们常说的“吃穿住行，“吃放在了首位，这并不是偶然，养生学讲究“吃出健康，活出滋味，但是都得有度。这个要求的提出，就需要有均衡饮食科学普及和落实，说到落实计量系统就按讷不住得粉墨登场了，均衡饮食讲究的是食材和佐料的科学搭配，主料和佐料除了烹饪技巧之外还有量的把

14、握，这样才能烧出一道道美味又健康的佳肴，然而要做到美味又健康，懂得养生和烹饪的人都知道，佐料的量非常重要，这时我们所要设计的厨房便携式称量勺变得极为迫切需要的厨房工具。总而言之，厨房便携式称量勺就是出于对饮食与健康的考虑，在均衡饮食科学与烹饪科学指导下做出美味佳肴使得在佐料量的控制方面做到有的放矢不可缺少的计量工具，从而吃出生活质量。2、 国内外的研究成果及现状 本课题设计的厨房便携式称量勺是一种特殊的电子衡器。最初的质量衡器 于贸易结算的前期工具，但在历史的长河中其并未受其功用性单一而淡出人们的视线。恰好相反，由于它是保证广阔消费者正当消费权益的重大保障和前提，在各个国家和政府都得到应有的重

15、视，并得到最前沿技术革新的支持，在每个时期，称重衡器都得以延续和开展。随着二战后工业革命的高速开展和沉重技术的慢慢积淀，历史进程对称重衡器提出了全新的历史使命，一如既往延续其在贸易这一领域国之根本的重要地位，不同的是工业化进程对其提出了新的要求，将称重技术引入全新的领域制造业，具体履行工艺称重自动化检测，从此称重衡器沐浴在了电子技术的春风中蓬勃开展。1954年，与新式打印机联动的倾斜式秤应运而生，应用其输出信号控制收银结算器，配有简易的电磁结构及人工操作的按键 。1960年，在之前的根底上，一款专门称重值打印机被制造出来，虽然其称重的工作方式还是传统的机械式，但是其显示、记录和远距离传输的控制

16、器都已经做到电子式。电子称重技术的开展历程与其他新生事物一样，也经历了由简单到复杂、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演变过程。其逐步的对新兴技术的吸收及很好的应对市场需求的功能拓展才有了今天称重技术欣欣向荣的场面，在现场称重、配料定量称重、以及产品质量的监测等工业工艺系统中承当着检测、校验控制功能，推动着工业生产和贸易交往的自动化和合理化。电子称重技术有今天的蓬勃之态，当然是离不开称重传感器在称重过程中的纽带作用，可以说有电子称重技术今天的开展历程既是称重传感器的开展过程。在20世纪60年代的国外如美国、西欧等一些兴旺国家，具有精度传感器的电子秤被制造出来用于某些

17、相对精密的工艺过程。70年代中期，已经完成了75%左右的传统机械称机电结合式改造。我们国家在20世纪40年代末期以前，称重衡器均为传统单一功用的机械式称重衡器，在此之后，受世界的大环境影响下，开始着手引进研究生产机电结合的称重衡器，进入80年代初期以来，我国相关领域的科研人员通过学习、引进、吸收和消化国外先进技术，结合自身开展情况进行了大量的工业工艺称重和贸易称重技术改造。现如今，已根本上实现了由传统机械式到全电子型和数字智能型电子式称重衡器的转变。由于电子式衡器具有动态快速称量、示值直观易读、环境适应性强、输出信号便于与计算机技术相结合实现动态监测和过程控制等智能优势，该称重技术应用市场的接

18、受度和满意度均呈现出增强趋势，广泛应用于工矿企业、能源交通、商业贸易和科学技术等各个领域。称重传感器技术以及超大规模集成电路技术和微电子技术的进一步开展决定着电子称量技术要往小型化、模块化、智能化、集成化；其技术性能趋向于速率高、准确度高、可靠性高；其应用性趋向综合性、组合性的方向开展。我国作为电子称量衡器生产和使用大国，在称量传感器技术和制造上也取得了不错的成就，在称重传感器研发和生产制造领域，有160余家相关产品研发、生产单位和企业，工、商业电子秤用称重传感器的出货量突破300多万只，家用电子秤称重传感器年产量更是数以千万计，作为称重传感器生产制造大国，但在质量上与国际同类产品相比还是差强

19、人意。根据2002年国家有关机构对抽查7省市，16个企业，共48只称重传感器，仅合格18只,合格率37.5%的结果来看，抽查结果与称重传感器生产制造大国地位极不相称，说明国内的一些生产技术和工艺都有待提高。我们国家现阶段大局部电子称量衡器产品无论在技术上还是产品品质上都和国外的先进水平有一定的差距。国内相关企业想要做大做强，走向国际化与国际水平接轨就需要在研发上多下功夫，让国内电子称重衡器在量和质上都做到一个大国水平，这就要求国内相关企业不能急功近利，国家相关部门一定得加以引导，让整个行业都在以技术为先导、以质量为中心、以管理为根底，努力提高制造技术与制造工艺水平的气氛下蓬勃开展，从而实现产品

20、品质的上升，进而增强进军国际市场走向国际化的核心竞争能力。做到“四化两性：小型化、模块化、集成化、智能化、综合性和组合性，即可到达现代电子称量衡器总的开展趋势“四化两性和也是相关研发和生产人当前及将来很长一段时间为之奋斗前行的目标。3、 课题研究的根本内容与拟解决的主要问题 课题研究的根本内容及要求：1. 选取适宜的称量传感器。2.以单片机为处理器，对重量进行采集并显示。3.选取适宜的传感器，实现物体重量的角度补偿，来确保称量精度。4.本课题对便携式厨房称量勺进行研究，实现对食盐、花椒、料酒等低重量物体的称重，并确保一定的称量精度。需要具体实物作为成果。课题拟解决的主要问题：本课题对便携式厨房

21、称量勺进行研究，实现对厨房低质量的调味品称量的功能，为了更好控制各种调味品的摄入，让健康与美味从厨房吃出来。通过对上述设计要求的剖析，拟解决的主要问题首先要确定称量勺的结构和具有实时检测快速显示的调味品质量的功能，通过硬件选型和功能设计到达“四化两性现代称重衡器的要求，在产品设计过程也要尽可能考虑到产品的可生产性和理论转化性，以便在产品量产后的产品制造、更新和维护的有序进行。第1章 系统方案总体设计1.1 系统总体框架设计 本课题中具有角度补偿的厨房电子计量勺要实现其功能至少得有电源模块、主控单元单片机最小系统、功能按键电路、压力传感器、A/D电路模块、角度检测模块、显示模块这7局部组成。 其

22、中电源模块局部，得充分考虑到称量勺的便携性，在设计上尽可能的减少电源局部在电路板的空间。 主控单元那么是包括电源电路、复位电路、外部时钟电路、使能电路在内的最间MCU工作电路构成。 压力检测电路可以采用应变片电阻式传感器构成桥电路，由应变片受力后的微小形变产生的阻值变化在桥电路中产生微小的电压量的变化U，供A/D电路模块采集处理。 A/D电路模块需要一款能采集毫伏级信号并放大模拟/数字(A/D)转换器，能将采集到的微小电压信号U进行放大并进行模数转换，输出数字信号供单片机处理。 角度检测模块拟采用MPU6050电子陀螺仪芯片及其外围电路构成的，其中包括X、Y、Z三维坐标轴角度检测，本课题那么只

23、需利用该模块的Z坐标轴角度检测。显示模块尽可能的去找到或定制一款微型的液晶显示器。系统结构框图如图1-1所示。图1-1 系统结构框图1.2 系统方案选择本课题所设计的厨房便携式称量勺，在设计时出于对市场和生产的前瞻性，考虑到产品量产方便流水线作业和产品后期维护，本设计采用模块化设计，厨房便携式称量勺的设计方案有如下几种：方案一：采用传统电子秤的设计思路，其设计思路框图如图1-2所示。LED数码管显示MCU处理A/D转换数据采集图1-2 传统电子秤设计思路框图MCU：微控制单元(Micro Controller Unit；MCU) ，也可以理解为日常我们能接触到单片微型计算机(Single Ch

24、ip Microcomputer )或者单片机，本文将屡次用到MCU这一单片机英文缩写，下文再出现不在多做介绍。本方案沿袭了传统电子秤的设计思路，其优势在于系统精简，本钱低；但是这一设计存在着不可躲避的弊端：LED数码管体积大、外表易刮花、显示内容较为死板、易缺笔，这样不利于系统的集成，影响产品的整体性和美观性，同时在数码管缺笔状态下会造成用户读数困惑，影响用户使用体验和满意度。该方案在可多项选择的情况下不可取。方案二：在传统电子秤设计思路上，对显示模块和功能加以增强进行改善，引进LCD显示模块和按键电路，加强人机交互方面的人性化设计。其设计思路框图如下列图1-3所示。数据采集LCD显示MCU

25、处理A/D转换按键电路图1-3 传统电子秤改进版设计思路框图该设计方案在传统电子秤设计思路上改用LCD液晶显示，能大大的改善第一套方案会给我们的产品所带来的缺陷，LCD液晶显示技术已日趋成熟，在工艺上可以满足各类个性化定制要求，从而实现我们设计对高集成和显示自然、易读的要求。同时本方案还参加了按键电路，这样就可以大大加强其功能性，在传统电子秤单一功能注入另外的活力，实现人机交互的人性化设计，在传承传统电子秤单纯显示视值的根底上加上拓展的按键控制功能，增强了该系统的包容性，做到了更高层次的人机对话。如果按照这个设计思路去做，外表上看来可以取得很不错的效果，但是该方案还是存在缺乏之处。该方案还有待

26、进一步改善。方案三：在传统电子秤的根底上引入角度实时检测和补偿。其设计方案思路框图如下列图1-4所示。角度检测MCU处理数据采集信号放大A/D转换LCD显示按键电路图1-4 具有角度补偿的称量勺设计思路框图本设计方案在综合考虑到产品的“四化两性的设计理念，在框图中未表达出来系统供电局部MAX1676升压模块构成，使用一节纽扣电池供电即可，大大的缩小电源模块占用电路板的空间。最重要是该方案引入一个特色功能，即角度的实时检测和系统的实时补偿，解决了现有计量勺无法实时检测并显示勺体与水平面的倾角和消除因勺体未平行水平面带入误差的问题，这款产品保证了勺取量精准的同时也使得用户体验得到一个质的飞跃，可以

27、随心所欲勺取调味品并不需要在意勺体是否与水平面平行而去拘泥于拿勺姿势。方案选取：综合了各方面因素，在和合作开发伙伴的讨论和老师的建议下，最终选取了方案三作为厨房便携式称量勺的设计总思路。1.3 系统结构设计方案 设计思路确定系统的构成主要由电源模块、MCU模块单片机最小系统、按键电路、压力传感器电路、A/D电路模块、角度检测模块、显示模块7大局部组成。但是一款好的产品不仅是靠其优越的系统来征服用户，结构上的工业设计也是至关重要的，好的壳体结构工业设计是赢得用户的眼球和青睐的第一步。下列图1-5为产品构造图。图1-5 产品构造图为壳体手柄；为电源按键；为复位清零开关；为锁定视值按钮；为应变式压力

28、传感器；为勺体；为升压模块；为角度检测模块与勺体平行放置； 为液晶显示模块。1.4 设计目的及工作要求1、 方案拟解决问题 本课题是基于STC89C52RC为主控MCU的一款具有角度补偿的厨房电子计量勺。顾名思义，本方案所设计电子称量勺区别于普通电子称的地方就是可以倾斜一定的角度去测量被测物品真实重量，所以本课题拟解决的主要问题就是对倾角和压力的实时检测并通过MCU软件局部进行计算最终在LCD1602液晶屏上进行显示被测物品的真实重量。2、方案实施的知识储藏 a、 通过互联网和图书馆纸质书籍查询方案涉及相关领域研究的信息，进一步确定本设计的具体实施方案； b、 有针对性的加强学习方案所涉及的单

29、片机概念与应用及C语言程序设计知识，做到灵活运用单片机I/O口和外部扩展； c、 熟悉并掌握升压模块MAX1676、A/D模块HX711、角度检测模块MPU6050功能结构及其相关应用电路；d、 熟悉并到达较为熟练使用绘图软件Altium Designer绘制电路原理图。e、 温习、加强对Keil uVision4软件的使用； f、仔细阅读东华理工大学本科生毕业设计论文工作指南，对与研究相关相关信息进行一些必要确实认。3、方案的具体实施 a、建立基于STC89C52单片机的控制系统整体结构框图，确立最终实施的具体方案； b、根据课题设计要求和拟实施的方案，使用Altium Designer绘制

30、硬件电路原理图； c、根据设计硬件电路原理图进行元器件选型和购置相关元器件，进行实物成品制作；d、使用C程序语言编写软件系统控制程序，并在Keil uVision4中进行程序编译调试并生成.Hex，将其烧录进硬件电路中进行实物调试；e、在硬件和软件调试均较为理想的前提，对本设计做产品工业设计，进行壳体包装到达成品的效果； f、撰写毕业论文设计报告，写出设计过程中的详细步骤和细节。第2章 系统硬件介绍2.1 厨房便携式称量勺设计思路 本课题所设计具有角度补偿的厨房电子计量勺主要由电源模块、MCU主控单元、按键电路、压力传感器电路、A/D电路模块、角度检测模块、显示模块7大局部组成。其中电源模块局

31、部，考虑到称量勺的便携性，本设计采用升压芯片将1.5V电压升至5V，用一节纽扣电池供电即可，升压芯片为MAX1676。 主控单元那么是包括电源电路、复位电路、外部时钟电路、使能电路在内的最间MCU工作电路构成。压力传感器电路由应变片电阻式传感器构成桥电路，由应变片受力后的微小形变产生的阻值变化在桥电路中产生微小的电压量的变化，供A/D电路模块采集处理。A/D电路模块由自带增益的HX711 电子秤专用模拟/数字(A/D)转换器芯片为核心构成的，将采集到的微小电压信号进行放大并进行模数转换，输出数字信号供单片机处理。角度检测模块那么由MPU6050电子陀螺仪芯片及其外围电路构成的，其中包括X、Y、

32、Z三维坐标轴角度检测，本课题那么只需利用该模块的Z坐标轴角度检测。显示模块采用液晶显示LCD1602及其外围灰度调节电路。厨房便携式称量勺设计思路框图如图2-1所示。图2-1 厨房便携式称量勺设计思路框图2.2 MAX1676升压型DC-DC转换器2.2.1 MAX1676简介MAX1676是由美国MAXIM公司设计推出的新型DC-DC升压转换器，这一芯片有高效率、静态电流低、超小型MAX封装、噪声低等特色。其输出电压有三种方案任选，固定电压值输出分别有3.3V和5V，可调电压输出范围为25.5V，芯片的启开工作电压为0.9V，芯片启动后，正常工作状态下，输入电压UIN仍然可以继续工作。在芯片

33、内部集成了整流电路，不再需要外加任何形式的整流电路，大大增强了电源模块在产品电路中的集成性，同时也提高了运行效率。这三种升压方案被广泛用于便携式手提电子产品电源模块升压电路，比方说掌上导航器、小型医疗器械，还有本文设计的厨房便携式称量勺。2.2.2 MAX1676的特点和工作原理MAX1676的封装形式采用的是10MAX，如下列图2-2所示。图2-2 MAX1676封装图PFM为脉冲频率调制Pulse frequency modulation和PWM为脉冲宽度调制pulse width modulation。下文出现PFM和PWM将不再做注释。MAX16

34、76升压型DC-DC转换器兼有了PFM超低静态电流和PWM高输出电压，低功耗等优点。恒定的峰值电流限制使流过电感的电流能够在限值范围内平缓渐变，MAX1676在正常工作时，内部一对开关管控制着开关频率，关断时间和导通时间分别可到达1S和4S，流过N-MOSFET的峰值电流的开关频率那么和输入电压和负载大小有关，最高可达50KHZ，峰值电流可到达1A。 MAX1676之所以会有这样优良的工作效果和稳定输出，决定性因素究其内因是其内部结构的优良，MAX1676内部结构如下列图2-3所示。图2-3 MAX1676内部结构图 MAX1676的具体工作特点和引脚功能相关信息如下表2-1所示。表2-1 M

35、AX1676功能特点表2.2.3 MAX1676的参数设置设置输出电压。通过改变1脚FB端连接方式可选择输出电压的方式和大小，以MAX1676典型电路为例，见下列图图2-4。FB直接接地时，电压输出端OUT输出固定电压5V；FB与芯片10脚和相连时，输出固定电压值为3.3V；如果需要输出2-5.5V之间的电压，那么跟反响电阻R5和R6有关，R6一般取值在260K以下的阻值，其中VREF=1.3V，R5的值是： 2-1那么 2-2电阻R4是电池电压检测的分压电阻，其阻值一般也是取比260K更小的阻值，在本设计中采用一节纽扣电池1.5V的情况下，R3的取值受芯片启动电压VIRIP、基准电压VREF

36、、电阻R4和模块输出电压VREF共同作用。 2-3图2-4 MAX1676典型电路2.3 MCU模块STC89C52单片机2.3.1 主控单元单片机初选型 单片机MCU即单片微型计算机，从功能上来讲就是计算机中央处理器在频率、功能和规格上进行有所取舍的次生产物。现有的单片机技术将内存RAM和ROM、USB接口、计数器和A/D转换等周边接口甚至一些功能电路根据不同的要求整合在一块芯片上构成芯片意义上的计算机，广泛应用于工业自动化、智能仪器仪表和家用电器等领域，做到对汽车电子、电机、机械手臂和电子秤等的控制。 在查阅了大量单片机的数据手册之后，综合设计需求，扩展需求和资源的占用情况等多方面因素，在

37、诸多因素当中，主要结合了平时在电子方面的认知和本设计中各功能实现对主控单元所提出的最低要求进行考量，主控单元MPU初步选型为STC89C52RC，这一型号单片机在一些小型的控制系统里面作为主控芯片较为常见，同时也是我自己电子制作经常用到的元器件，其程序调试和下载工具都是免费可获得，且简单易操作，使用对于这一芯片可以较为熟练地上手运用。关键是在系统初步设计中，单片机STC89C52RC无论在在内存8K、I2C总线技术接口SCL和SDA、功耗对电源的要求MAX1676DC-DC升压转换器可满足其工作要求和单片机芯片本钱35元等各方面都比拟满足厨房便携式称量勺系统的功能和本钱控制要求。2.3.2 S

38、TC89C52RC单片机简介及应用STC89C52RC单片机是一款由宏晶科技基于51内核设计推出的51加强型8位单片机，是现在市场上最常见同时也是小型嵌入式系统电子制作主控芯片首先其封装外形设计采用的是传统的40PIN直插式，其引脚功能图如图2-5所示。在内部存储技术上采用Flash可电擦/写闪存技术，同时也继承了传统51单片机低本钱、低功耗的优点，与Intel公司推出的MCS-51单片机在硬件和指令系统上完全兼容。总的来说，STC89C52RC单片机是一款集低功耗、高性能、高速、超强抗干扰能力等优点于一芯的高性价比单片机。STC89C52RC单片机可在2.76V电压，024MHZ频率范围内工

39、作，但是单片机系统需要正常工作至少得有电源电路、外部时钟电路、复位电路的支持，即构成单片机最小系统。单片机正常工作时，其工作电压VCC为5V，外部时钟电路晶振一般选用12MHZ，有特殊要求的通信系统那么按要求选取适当的石英晶振，与两个瓷片电容构成外部时钟振荡器为单片机提供时钟信号，由单片机18脚和19脚接入。外部复位电路一般是两种方式：上电复位和按键复位并存，电平信号由9脚接入。除了单片机内部功能端口外，剩余I/O端口可结合软件对LED亮灭控制，电机工作状态控制，以及对本课题设计的厨房便携式称量勺各个模块的信号处理以及控制。图2-5 STC89C52RC管脚分布图2.3 称重传感器2.3.1

40、称重传感器简介称重传感器是称量衡器由机械式称量衡器开展成电子式称量衡器的产物，它能在电路中将力转变成有规律的电信号。现在市场中常见的几种称重传感器主要有电阻应变式、电容式、光电式、电磁力式和液压式，其中电阻应变式在各领域应用的最多，电阻应变式传感器如图2-6所示。图2-6 电阻应变式传感器实物图2.3.2 电阻应变式称重传感器电阻应变式称量传感器主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆这4局部组成，其中电阻式应变片是称重传感器的核心元件。电阻应变式传感器的工作原理是：首先，弹性金属梁在外力作用下产生可恢复弹性形变；然后，使粘贴在它外表的电阻应变片也随之产生可恢复弹性形变，最后由电阻应变片

41、产生阻值的变化，变化规律如公式2-4所示， 2-4其中表示电阻的电阻率， L表示应变片变化后的长度，S表示应变片变化后的横截面积。当压力传感器受外力作用而伸长时，其L变大，S减少，R就会会增大；当压力传感器外力作用而压缩时，L减小而S增加那么，R会减小。最后由全桥式等臂电桥电路把各个应变片电阻变化后电路提供偏差电压信号U，这个信号最终将由主控单元处理。 2-52.4 A/D转换器2.4.1 A/D转换器简介在数字技术和信息处理技术高速开展与普及的当今社会，为了提高生产效率和产品质量，人们往往会想到使用计算机技术去实现生产机械的控制和信号的处理，从而去提高系统的性能到达降低本钱提高效益的目的。然

42、而，实际生产和生活中，系统内要控制或者说要处理的信号往往是温度、压力、位移等模拟量，而计算机技术只适用于数字信号的处理，这时就需要一种媒介能将模拟量转变为计算机能识别和处理的数字信号，而能实现这一功能的桥梁就是A/D转换器。2.4.2 A/D转换器主要性能参数A/D转换器的性能好坏主要在于对其性能参数：分辨率、量化误差、转换时间、绝对精度和相对精度的综合考虑。表2-2 A/D转换器主要性能参数简介2.4.3 HX711 A/D转换器 本课题设计的是厨房便携式称量勺，称量勺主要用于日常勺取盐、味精、胡椒等调味品，由于这些调味品在日常烹饪时用量都比拟小，这就要求称量传感器的灵敏度和A/D转换器的分

43、辨率都足够高。称量传感器拟选取500g量程，分度值为0.1g的电阻应变式传感器，由于精度=感量最小分度/秤量，由式(2-6可知 2-6 那么 2-7N为A/D转换器的分辨率，由公式2-7可知N>12即可满足设计所需的分辨率。在网上查阅大量相关资料后，发现一款常用于电子秤的A/D转换器HX711可以满足设计要求。HX711是专门为电子秤而设计一款分辨率为24位的专用A/D转换芯片，而且内部A通道自带可编程增益为128或64，可识别和转换毫伏级别的电压信号。其封装技术采用SOP-16封装，各引脚功能如图2-7所示。图2-7 HX711引脚功能图2.5 角度检测将电子角度检测模块集成于厨房便携

44、式称量勺是出于产品人性化设计，在勺体处于任意角度都能读得示值，使得该厨房便携式计量勺在传统电子计量勺传承的根底又有了质的飞跃。2.5.1 角度检测方案选型角度检测技术在各技术领域都有应用，但是各个技术领域会根据各自领域的个性化提出不同的具体要求，这样就催生出了五花八门的角度检测方案。有单轴倾角检测传感器SCA60C、磁阻效益测量角度传感器KMZ41、超低功耗ADXL345三维加速度计和MPU6050角度传感器等。考虑到前三种角度检测方案分别存在检测精度不高、抗电磁干扰能力弱及需要较高质量的供电源且本钱高的缺乏，经过综合考虑，最终拟采用拥有I2C接口的数字传感器MPU6050角度检测的方案。2.

45、5.2 MPU6050角度检测原理及应用MPU6050是三维空间和三维加速器的姿态检测传感器，和其他多组件方案相比拟，可以防止陀螺仪与加速度计组合时出现轴间差的问题，同时也大大缩小了角度和加速度综合检测模块的封装体积。极大的便利了需要高集成的角度检测装置的设计，被广泛应用于体感游戏娱乐、掌上导航装置等领域，还有本课题厨房便携式称量勺也拟选用电子陀螺仪MPU6050作为角度实时检测模块。其工作原理可以理解为一个物体在盒子内以不同姿势存在会给盒子造成不同力的作用，MPU6050也是正是利用这样的原理只不过其内部有两种形式检测，分别可以提供陀螺仪和加速度计检测的数据供系统软件处理，所以角度检测的算法

46、分这两种方向：陀螺仪角度算法、加速度计角度算法。图2-8 角度检测模型图利用反正切函数求角度，此模型中R对XOY所在平面的角度即本设计要检测的角度，如图2-8所示。这是MPU6050的功能就表达出来了，它检测到的相关数据x、y、z，可以通过指令将其读取出来进行反余切计算即可求得倾角并用于系统重量补偿。此时需要引入一个中间变量 2-8那么R对XOY所在平面的夹角的角度值值res 2-9此时，利用重量补偿算法真实值=测得值/测得角度余弦值即可算得所称物品真实质量： 2-10第3章 系统硬件电路设计本课题设计的系统硬件电路由系统主控电路单片机最小系统、电源电路、按键电路、压力传感器电路、A/D转换电

47、路、角度检测电路、显示电路七局部电路构成。3.1 系统主控电路厨房便携式称量勺系统主控电路单片机最小系统如图3-1所示，系统控制电路包括复位电路、外部时钟电路、单片机使能电路及单片机下载接口。复位电路由S1、R12和C6构成两种复位方式：上电复位和按键复位，两种复位方式都是在单片机第9脚接入高电平大于0.7VCC2S以上，上电复位电路是当电源接通后，电容C1开始充电，由于电容两端的电压不能突变，需要充电时间由公式3-1知 3-1t=0.1S才能充满，这时VCC、C6、R12和GND构成回路，C6和R12串联分压，所以一开始电阻R12分得的电压为5V即高电平接入单片机第9脚RST端，系统复位。按

48、键复位电路是在单片机正常工作时，按下S1按键，S1将C1短路，此时VCC、S1、R12和GND构成回路，电阻R12上端接入单片机第9脚RST电压即电源电压VCC，单片机系统复位。图3-1 系统主控电路外部时钟电路由C10、C13和Y1构成。标准51单片机STC89C52RC采用的机器周期为12T模式，即时钟周期T=1/f，机器周期t=12T。在软件中执行单周期指令时，指令周期既是机器周期，设计时选用12MHZ晶振就是为了方便计算执行一条指令的时间，C10和C13配合12MHZ晶振一般选取20pf-30pf的电容，30pf电容在该电路中为比拟典型常选取的值，电容值越大，晶振电路越稳定，精度会下降

49、；反之，抗干扰能力减弱。查STC89C52RC单片机数据手册结合软件设计确定单片机执行内部存储程序，由单片机数据手册知，单片机31脚EA端接高电平即可执行内部存储程序，所以EA直接连接VCC。3.2 电源电路3.2.1 主电源电路主电源电路采用MAX1676升压DC-DC转换器电路如图3-2所示。主要由电池、电压设置电路、滤波电路组成。图3-2 MAX1676升压DC-DC转换电路VCC_1.5V选取1.5V的纽扣电池供电即可。电压设置电路，在第2章已经介绍过，MAX1676升压DC-DC转换器有三种电压输出模式。在本设计中电源需要输出恒定5V 电压，将MAX1676芯片1脚接地即可。滤波电路

50、是由C16=47F、C17=0.1F、C20=0.1F、C19=0.1F和C18=47F构成，其中大容值C16和C18滤除低频干扰信号，小容值C17、C20和C19滤除高频干扰信号。3.2.2 辅助电源电路由于MPU6050传感器的工作电压是3.3V，所以需要设计一个3.3V的辅助电源，辅助电源电路图如图3-3所示。辅助电源由3.3V稳压芯片、外围滤波电路和电源指示灯电路，3.3V稳压芯片为MPU6050模块上自带的芯片ME6211C33，在输入电压VIN大于3.6V时，可稳定输出3.3V。外围滤波电路也是采用了大小容值的电容相结合进行电源高、低频干扰信号的滤除，在这个辅助电源电路中可以看出更

51、多是在滤除高频干扰信号。电源指示灯电路那么由电阻R1和普通圆头红色发光二极管串联构成，普通红色发光二极管正常工作时，应将电流控制在320mA，在这个范围对二极管的保护方面和光强都比拟适宜；正常工作时，普通红、绿、黄光二极管的压降大概都是2V左右。本设计选用的是红光LED，所以电阻R1的取值为1K。图3-3 辅助电源电路3.3 按键电路在厨房便携式称量勺设计中有两处用到了按键电路。一处是系统主控电路中的复位电路按键S1；另外一处就是系统锁存显示按键S2，如图3-4所示。图3-4 系统按键电路查数据手册可知，STC89C52RC单片机P3口内部有上拉电阻，系统正常工作时，单片机14脚P3.4接入高

52、电平VCC，系统锁存显示功能不工作。当按键S2按下时，P3.4接地接入低电平，软件标志位开始计数、数据处理和判断，显示锁存；当再次按下按键S2时，软件标志位再次计数、数据处理和判断，显示锁存功能被屏蔽。3.4 压力传感器电路压力传感器电路采用的是全桥等臂式电路，如图3-5所示。图3-5 全桥等臂式电路全桥等臂式电路由4片参数相同的应变片电阻组成，R2、R4的阻值不变，R3和R5的阻值随着受力发生改变，这样去设计的目的主要在于完全相同对称的电路设计可以相互抵消外部因素对系统的数据采集的影响，全桥等臂式电路灵敏度较高。在本设计中采用的压力传感器是量程为500g，精度为0.1g的电阻应变式压力传感器

53、。图3-5中E+、E-、A+ 和 A- 分别是桥式传感器的：鼓励电压正、负，其中E+值的大小由公式3-1可知约为4.3V，E-接HX71的模拟地AGND；输出电压正、负，在HX711电路模块中有对应的接口电路如图3-6所示。3.5 A/D转换电路在本设计中A/D转换电路采用的是电子秤专用的HX711 A/D转换电路，如图3-6所示。HX711 A/D转换电路主要由HX711芯片和外围一些功能选择电路组成。结合图2-7 HX711引脚功能图对该电路进行设计。其中电容在该电路中分两种耦合电容和滤波电容，和模拟电源与模拟地串接的电容C4、C5和C7均为电源滤波电容；而C8和C9两个电容那么起到退耦作用，对传感器输出信号减小后级HX711采集电路波动造成的影响起到保护作用。三极管Q2在电路中起到的