基于51单片机控制的电子秤设计实现分析-update

1、-PAGE . z.基于51单片机的可穿戴式电子秤设计与实现作者 翟成英 指导教师 徐冬寅【摘 要】本设计以51单片机模块设计、A/D转换模块、传感器为核心部份，实现人体尺度的根本系统的硬件局部包括数据采集与处理模块、CPU控制模块、液晶显示模块、电源模块。数据采集及处理模块由称重传感器，放大电路和A/D转换电路组成，本设计采用的是H*711集成芯片。CPU控制模块主要外部扩展电路；液晶屏显示模块。可以直接在显示屏上显示,非常人性化；无线传输模块采用FBT06_V2进展数据的发送与接收。系统电源使用220V进展降压处理所得正常工作电源。本智能秤平衡系统的设计，显示器可以拿在手上读数据，用户不要

2、低头看体重。使用方便，具有一定的开发价值。【关键词】 51单片机；传感器；A/D转换模块Wearable wireless weight measurement instrument research and implementation【Abstract】The design system microcontroller to STM8S003F3P6 to control the core hardware part of the basic system of the human scale, including data acquisition and processing modul

3、e, CPU control module, wireless transmission module and LCD touch screen display module, clock module, power supply module and five. Data acquisition module by the load cell amplification circuit and A / D conversion circuit, the design is the H*711 integrated chip. CPU control module including STM8

4、S003F3P6 and e*ternal e*pansion circuit; LCD touch screen display module for touch color display, intuitive display that was the historical weight value on the display, and can be directly related to the operation, is very user-friendly 。System power 220V-buck treating the resulting work properly po

5、wer.The intelligent wireless body scale system uses a split design, you can display in your hand to read the data, users do not have to look down at the weight. users to be able to clearly see the changes in their weight, easy to use, has a certain value for development.【Keywords: hotel】stc89c51；sin

6、glechip；目录1绪论.4TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc3876463091.1设计背景及意义 PAGEREF _Toc387646309 h 4HYPERLINK l _Toc3876463101.2设计容及关键技术 PAGEREF _Toc387646310 h 4HYPERLINK l _Toc387646311电子秤的工作原理 PAGEREF _Toc387646311 h 4HYPERLINK l _Toc387646312电子秤的计量性能 PAGEREF _Toc387646312 h 5HYPERLINK l _Toc3876463132设计方

7、案与根底 PAGEREF _Toc387646313 h 6HYPERLINK l _Toc3876463142.1设计方案 PAGEREF _Toc387646314 h 6HYPERLINK l _Toc3876463152.2 MCS-51单片机及开发环境介绍 PAGEREF _Toc387646315 h 6HYPERLINK l _Toc3876463162.2.1 51单片机的介绍 PAGEREF _Toc387646316 h 6HYPERLINK l _Toc3876463172.2.2 开发环境的介绍 PAGEREF _Toc387646317 h 7HYPERLINK l

8、_Toc3876463183硬件设计 PAGEREF _Toc387646318 h 8HYPERLINK l _Toc3876463193.1 硬件总体设计 PAGEREF _Toc387646319 h 8HYPERLINK l _Toc3876463203.2 主控制模块 PAGEREF _Toc387646320 h 8HYPERLINK l _Toc3876463213.3 传感器模块 PAGEREF _Toc387646321 h 8HYPERLINK l _Toc3876463223.4 显示模块 PAGEREF _Toc387646322 h 9HYPERLINK l _Toc

9、3876463233.5 AD转换模块 PAGEREF _Toc387646323 h 11HYPERLINK l _Toc3876463244 单片机软件设计 PAGEREF _Toc387646324 h 12HYPERLINK l _Toc3876463254.1 总体设计 PAGEREF _Toc387646325 h 12HYPERLINK l _Toc3876463264.2 主程序模块 PAGEREF _Toc387646326 h 12HYPERLINK l _Toc3876463274.3 AD模块 PAGEREF _Toc387646327 h 13HYPERLINK l

10、_Toc3876463284.4 液晶显示程模块 PAGEREF _Toc387646328 h 13HYPERLINK l _Toc3876463295系统测试 PAGEREF _Toc387646329 h 16HYPERLINK l _Toc3876463305.1单片机根本电路的调试 PAGEREF _Toc387646330 h 16HYPERLINK l _Toc3876463315.2传感器称重调试 PAGEREF _Toc387646331 h 16HYPERLINK l _Toc3876463326 开发与体会 PAGEREF _Toc387646332 h 17HYPERL

11、INK l _Toc387646333致 PAGEREF _Toc387646333 h 18HYPERLINK l _Toc387646334参考文献 PAGEREF _Toc387646334 h 19第一章 绪 论设计背景及意义伴随着社会的迅速开展和人民生活水平的提高，人们愈来愈关注自身的身体安康问题。很多人因为工作的压力和不良的饮食习性，身体情况越来越差，疾病也伴随而来了，然而在这些人群中，患有肥壮和营养不良的病人占大多数。所以，拥有一台能够时刻关注自己体重的人体秤非常必要。现在市场上有各种类型的人体秤，人体秤已然成为家庭保健的必需品，但目前绝大多数的人体秤依然是传统的技术，测量数据是

12、离散的，而且功能相对单一，对安康评价的意义并不大。 我所设计的可穿戴式体重测量器设计，可以将拿显示器在手上读数据，用户不用低头看体重，本设计所采用的是24位A/D转换芯片，测量数据精准、方便、简单、快捷，可以随时随地查看自己的体重，让人们可以时刻关注自己的安康问题。设计容及关键技术本设计是基于51单片机的可穿戴式电子秤，采用的传感器是应变片式称重传感器，量程围为0150Kg；A/D转换芯片采用的是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片H*711。整个系统有发送和接收两个局部.发送局部以STC89C51单片机为中心，传感器经过放大电路来采集数据，经AD采样电路后发送到单片机模块进展处

13、理，把处理好的实际值送到发送缓冲区。 接收缓冲器将接收到的体重数据发送到最后重量的液晶显示屏上。本课题关键问题：1. 硬件电路的PCB板设计焊接与电路的调试。2. 嵌入式编程3.称重传感器数据的读取与处理。4.液晶显示屏界面的设计。1.2.1电子秤的工作原理 可穿戴式体重测量主要有传感器、A/D放大电路、单片机模块、液晶显示四局部组成。其中最重要的是称重传感器。当有物体压在传感器上面时候，传感器得到一个模拟信号，然后把模拟信号发送到A/D转换器里面将其转换为数字信号，经过放大以后放到单片机模块，最后由单片机模块发送到液晶显示屏上面显示。1.2.1电子秤的计量性能电子秤的主要技术指标包括：分度值

14、、围、划分数等。(1) 围：电子称是在正常工作，最大测量体重值。(2) 分度值：电子秤的测量标准被分为假设干等份，每份值即为分度值。(3) 分度数：电子秤测量分成几个部份，总份数即为分度数用n表示。2设计方案与根底2.1设计方案根据系统任务的的需求，本次方案设计主要由五局部构成：信号采集局部、模数转换局部、LCD数据显示局部、主控制器局部和电源局部，系统设计方案如图1所示：图1方案设计框图硬件方案 硬件电路由5个局部组成，即电源电路、时钟电路、复位电路、LCD数字显示电路以及A/D转换电路 各局部功能实现如下：电源电路：为整个系统提供+5V电压，保证系统正常工作键盘输入电路：提供按键信号时钟电

15、路、复位电路：单片机正常工作需要LCD数字显示电路：用于实时显示经数模转换后的数据A/D转换电路：将采集的模拟信号转变成数字信号软件方案此次方案的软件局部完成的功能主要有：数模转换、数据处理和LCD实时显示。 各模块任务实现如下：A/D转换模块：对采集到的模拟信号进展数字化处理并送给单片机数据处理模块：对通过A/D转换得到的数据乘以一个转换系数，得到实际重量LCD数据显示模块：实时显示采集到的信息状态2.2 51单片机及开发环境介绍2.2.1 51单片机的介绍STC89C51是宏晶科技公司生产的与产业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容的单片机。STC89C51是一种低功耗、高性能CMOS8

16、位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，置4KBEEPROM，MA*810复位电路，2个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断构造，全双工串行口。另外,STC89*51可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停顿工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停顿，直到

17、下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。其PDIP封装如图2.1所示。2.2.2 开发环境的介绍KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言的功能、构造、可读性、可维护性具有明显的优势，所以很容易学习和使用。它是本设计的编程环境，Keil提供了一个完整的开展方案包括C编译器、宏汇编器、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器，经过一个集成开发环境uVision将这些部份组合在一起。运行Keil软件要求要用WIN98、NT、WIN2000、WIN*P等操作系统。假设你利用C语言编程，则Keil几乎就是你

18、的不贰之选，如果是不使用C语言而只用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。3硬件设计3.1 硬件总体设计本次方案的设计采用的是应变片式传感器进展重力测量，获取模拟信号；继而把得到的模拟信号通过信号放大器对其功率放大，并送到A/D转换器进展模拟量和数字量的转换处理和数据处理；最后，通过STC89C51单片机控制SMC1602A液晶屏来实时显示转换后的数据。故本系统主要由重力传感器模块、A/D转换模块、主控器模块和LCD显示模块组成,共同完成这次设计的任务，硬件方案设计总体框图如下所示： 图1 单片机电子秤硬件方案3.2电源电路首先，我们要明白-对于任何一个基

19、于51单片机设计的系统电源的供给是必不可少的，由于单片机属于微型控制计算机，所以承受不了过大的电压，一般的情况下，只需对其外供+5V电压即可保证单片机正常工作。一般的设计方案由USB直接供电和采用三端稳压芯片7508+整流桥来实现对单片机的供电。 此次方案的电源设计局部，由于外供+9+36V电压，故直接通过三端稳压芯片7805和假设干电容、电阻对外供电压进展降压并稳压处理，省去了整流桥，从而到达为单片机STC89C51提供+5V工作电压的目的。设计原理如下图：3.3主控制电路本次设计的方案主控制器主要采用STC89C5单片机，为了保证单片机系统的正常工作，其外围必须构建复位电路和时钟电路，主控

20、制器电路如下图。3.1.1单片机复位电路复位要求 单片机复位的原理是，在时钟电路开场工作后，在单片机的RST施加两个机器周期以上的高电平，单片机即可实现复位。在复位期间单片机的ALE引脚和引脚均输出高电平。当RST引脚从高电平跳变为低电平后，单片机便从0000单元执行程序。在实际应用中，采用外部复位电路来进展单片机复位一般在RST引脚保持10ms以上的高电平，保证单片机能够可靠的复位。复位操作方式复位操作根据实际需求分为上电自动复位、按键电平复位和外部脉冲复位。在本系统中采用的是既可以手动复位，又可以上电复位的电路，这样可以实现人工复位单片机系统。这种电路设计如下图。上电复位局部的原理也是RC

21、电路的充放电效应。除了系统上电的时候可以给RST引脚一个短暂的高电平信号外，当按下开关的时候，VCC通过通过一个电阻接到RST引脚，给RST一个高电平；按键松开的时候，RST引脚恢复为低电平，此时复位完成。3.1.2单片机时钟电路振荡器和时钟电路用于产生单片机正常工作时所需要的时钟信号。AT89S51单片机采用CMOS工艺，部包含一个振荡器，可以用于CPU的时钟源；也允许采用外部振荡器，由外部振荡器产生的时钟信号来供部CPU运行使用。此次设计采用部时钟模式作CPU的时钟源。AT89S51单片机部包含一个高增益的单级反相放大器，引脚*TAL1和*TAL2分别为片反相放大器的输入端口和输出端口，其

22、工作频率为033MHz。当单片机工作于部时钟模式时，只需在*TAL1和*TAL2引脚连接一个晶体振荡器或者瓷振荡器，并接两个电容后接地即可，如下图。图3-6在使用是，对于电容的选择有一定要求，即：当外接晶体振荡器时，电容值一般选择C1=C2=3010pF当外接瓷振荡器时，电容值一般选择C1=C2=4010pF在实际电路设计时，应该注意尽量保证外接的振荡器和电容尽可能地靠近单片机的*TAL1和*TAL2引脚，这样可以减少寄生电容的影响，使振荡器能够稳定可靠地为单片机CPU提供时钟信号3.4 信息采集模块针对此次设计的功能要求，信息采集局部的称重传感器常见有压电式传感器、电容式传感器和电阻应变式压

23、力传感器，但由于此次设计的是比拟精细的电子秤，电阻应变式压力传感器在这方面具有得天独厚的优势，所以本次设计方案最终选用电阻应变式压力传感器作为整个系统的信息采集局部。电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等构成，其核心部件就是电阻应变片。它的部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷发生变形时，电阻应变片转换元件在被拉伸或压缩变形后，其电阻会发生变化增大或减小，则会使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，供后续电路测量与处理。电阻应变式传感器构造原理如图2所示。图2 应变式传感器构造示意图3.5 A/D转换模块本次设计主要采用24位A/D 转换器芯片H*711来实现模数转换，在设计高精度电

24、子秤时它是电子产品设计师的首选。该集成芯片的主要优势在于高集成度、快速反响、抗干扰性强等。对于低本钱的电子秤而言，可以提高整体性能和可靠度。另外，该芯片与单片机STC89C51的接口和编程都非常简单，控制信号全部由其对应引脚启动，无需额外再对芯片部的存放器编程。选择输入开关可随意选取A通道或B通道，并且与其部的低噪声可编程放大器相连。A通道的可编程增益为128 或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为20mV或40mV。B通道则固定增益为32 ，用于检测系统参数。芯片的时钟振荡器不需要任何外接器件，上电自动复位的功能大大简化了开机初始化过程。H*711管脚图引脚功能如下：1. VSUP: 电

25、源 稳压电路供电电源: 2.6 5.5V不用稳压电路时应接AVDD2.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 5.5V4. VFB: 模拟输入 稳压电路控制输入不用稳压电路时应接地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1

26、3. *O: 数字输入输出 晶振输入不用晶振时为无连接14. *I: 数字输入 外部时钟或晶振输入；0: 使用片振荡器15. RATE: 数字输入 输出数据速率控制，0: 10Hz; 1: 80Hz16. DVDD: 电源 数字电源: 2.6 5.5V此次设计的A/D转换原理图H*711的11引脚和12引脚分别和单片机P1.0端口和P1.1端口相连接，实现数据的通讯。H*711的7引脚、8引脚、9引脚和10引脚分别和将电阻应变式压力传感器信号放大的功率放大器相连接，从而构成一个完整的A/D转换电路，如下图:A/D转换电路图3.6 LCD显示电路SMC1602A液晶显示器是常见的16*2字符型液

27、晶显示器，此次采用带背光的1602液晶显示屏作为实时显示数据模块。16脚的1602LCD引脚接口及说明如下所示:1602管脚图1602管脚说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极此次的液晶显示模块原理设计如下图。其中，第1脚接GND；第2脚为液驱动电源接VCC；第三脚VL为液晶的比照度调节端口，经过在VCC和GND之间接一个10K滑动变阻器，中心抽头接VL，可实现液晶比照度

28、的调节；液晶的控制线RS、R/W、E分别接单片机的P2.2、P2.1、P2.0；数据口接在单片机的P0.0P0.7口；BL+、BL-为液晶背光电源，分别接VCC和GND。如图 1602液晶模块的接线图4 单片机软件设计4.1 软件总体设计本设计选用的是C语言编程，以keil C51软件为编译环境，实现编辑、编译、连接、调试、仿真等全部开发程序。本次方案的软件设计采用模块化程序设计，主要包括主体程序、初始化程序、A/D数据转换处理程序以及LCD液晶显示程序。采用此种方法的软件设计主要优点在于-构造清晰、编程简单和容易理解，同时也方便调试和修改。图10 程序构造4.2主程序模块程序固化在STC89

29、C51快闪存储器系统，包括主程序和子程序。主程序的功能是系统初始化，管理和调用各个子程序。本设计的流程图如图11所示。图11 程序流程图代码如下：void main() uint m; init_1602();/1602初始化 for(m=0;m8 ; AD2=AD2+AD1; delay(1); AD3=(float)(AD2/20.0) ; AD2=0; AD4=(ulong)(AD3); zero=AD4; while(1) AD_zhuanhua(); if(AD4=zero)AD4=AD4-zero; else AD4=0; zhong=AD4*ishu;/计算重量 AD4=(ulo

30、ng)(zhong*1000); write_zfc(0*80,Weight=); write_(0*87); write_dat(tableAD4/10000); write_dat(tableAD4%10000/1000); write_dat(.); write_dat(tableAD4%1000/100); write_dat(tableAD4%100/10); write_dat(tableAD4%10); write_dat(K); write_dat(g); 4.3 A/D转换程序模块模数转换程序功能是将读取的模拟信号进展量化处理转变成数字信号并传送给单片机存储和处理的程序。设计

31、流程图如下图：A/D转换器局部代码如下：/*AD转换控制程序*AD.h*/void AD_zhuanhua() uchar k; for(k=0;k8 ; AD2=AD2+AD1; AD3=(float)(AD2/10.0) ; AD2=0; AD4=(ulong)(AD3);4.4 数据处理程序模块 数据处理这一块的软件设计主要思想是：通过A/D转换存储在单片机里的数字乘以转换系数0.0005714，来实时显示物体的真实重量。数据处理程序代码如下：while(1) AD_zhuanhua(); if(AD4=zero)AD4=AD4-zero; else AD4=0; zhong=AD4*i

32、shu;/计算重量 AD4=(ulong)(zhong*1000); write_zfc(0*80,Weight=); write_(0*87); write_dat(tableAD4/10000); write_dat(tableAD4%10000/1000); write_dat(.); write_dat(tableAD4%1000/100); write_dat(tableAD4%100/10); write_dat(tableAD4%10); write_dat(K); write_dat(g); 4.5 LCD显示程序模块 本次LCD液晶显示程序直接调用1602.h库函数来实现其功

33、能，为设计任务省去了好多麻烦，从而节省了大量时间。针对SMC1602A 16*2液晶显示器的程序编写主要包括读和写两种功能，因此想要清楚地编写显示程序，必须理解1602芯片的时序图，这对于准确编写程序有很大帮助。如下图是1602液晶显示器进展读/写操作时，引脚4、引脚5和引脚6的状态定义和相应时序图：读状态输入RS=L，R/W=H，E=H输出D0D7=状态字写指令输入RS=L，R/W=L，D0D7=指令码，E=H输出无读数据输入RS=H，R/W=H，E=H输出D0D7=数据写数据输入RS=H，R/W=L，D0D7=数据，E=H输出无如图 1602液晶模块的读操作时序1602液晶模块的写操作时序

34、局部代码如下：1602液晶显示局部程序如下：/*1602控制程序* 1602.h */void write_zfc(uchar dizi,const uchar *str) /1602写字符串 write_(dizi);while(*str!=0)write_dat(*str);str+;void init_1602()/1602初始化 en=0; write_(0*38); write_(0*0c); write_(0*06); write_(0*01);5系统测试5.1单片机根本电路的调试 可穿戴式体重测量仪器硬件的元器件都焊接好以后，然后再进展程序的编译。将编译和调试经过的程序代码烧录到

35、stc89c51集成开发芯片中，然后测量一下接地引脚和电源引脚之间地电压，看是否与电源电压一致，比方常用的5V电压。而后再检查复位件地引脚电压是不是到达正常状态。按顺序检测放开复位按钮和按下复位按钮的电压值，看是不是准确。然后检查晶体是正确的吗，一般用示波器观察晶振引脚的波形，特别是应该使用示波器探头的*10档。在调试系统的时候要非常耐性，不能担忧，要坐下来一点点的来检测，不能着急，否则会影响整个设计的结果。5.2传感器称重调试 可穿戴式电子秤的硬件体系的电路生产完成所有的焊接和调试，程序可以编译和下载到单片机里面调试和运行。按照实际情况能够经过修改传感器产生的子程序每次发送的重量和测量的时间

36、间隔，来适应不同时间的衡量标准的需求。根据电路的参数和程序的设计，测重量围可以测体重约为05KG，最大重量的测量误差不能超过0.0004KG。系统调试完成以后要对测量误差和反复率进展几次实验剖析，对系统不断优化让其实际生活中的衡量需求。误差的围涉及广泛，以下是有关的数值误差：实际重量KG测量重量KG最大误差值(KG)32.99990.00014.34.28790.01213.833.8210.6 开发与体会通过几个月对应变式传感器、单片机模块和C语言编程的认真研究和学习，让我对电子产品核心模块的设计有了非常深刻的了解，感学校在毕业之前给我们安排了一个这样的动手实践的时机。本次设计我做的是基于5

37、1单片机的可穿戴式体重测量仪，这个系统主要就是来测量人的体重。这局部所用到的主要是单片机模块、传感器模块、A/D转换模块，在这之前我已经花费了几个月系统的学习过了单片机和传感器，对A/D转换模块也相当的了解了。并做了课程设计，所以对单片机的应用还是比拟熟练的，而且此次的设计让我对单片机部构造及功能局部有了更加深刻的了解。其实衡量体重部份的关键在于称重传感器的选取，由于一开场我对称重传感器和压力传感器的了解不是很明白，造成一些概念上地混乱，导致在整个设计的过程中我走了一些弯路，做了无用功。然而它也提醒了我，我认为以后不管做什么事情首先要把概念先弄清楚，不要盲目的下手。这样不仅可以缩短我们做事情的工作时间而且也不会让自己的思维产生局限性。同时称重部份的放大电路的设计也是非常关键的问题，即使在测量体重时候对测量精度的要求不是非常的高， 然而这局部的抗干扰设计会影响到整个仪器的抗干扰性能，所以在设计这局部花费的时间相当的多。因为整个系统都依