【数显电子秤的设计报告8500字】

2系统总体方案设计数显电子秤的设计目录TOC\o"1-3"\h\u168531引言 1261312系统总体方案设计 253422.1系统设计思路 2299782.2总体设计方案 243502.2.1AT89S52单片机 3164462.2.2称重传感器 7162942.2.3A/D转换模块设计 761782.2.4芯片HX711 7204862.2.5矩阵键盘 8215072.2.6LCD1602液晶显示器 8138293系统硬件电路设计 9131223.1传感器电路 9189913.1.1电阻应变片的工作原理 9123273.1.2应变式传感器测量电路 9148373.2放大与模数转换电路 11301083.3矩阵键盘与液晶显示模块 12212213.4声光指示模块 13307173.5放大电路 14186414系统软件设计 16289744.1系统主程序软件流程图 16220114.2系统显示部分流程图 17170444.3系统按键检测部分流程图 18198985系统整体调试 1950315.1硬件电路调试中遇到的问题 19156725.2系统实物调试效果图 19312796设计总结 2121306参考文献 221引言电子称是利用物体重力通过传感器感应得到数据的一种测量仪器，也能够用来决定与物体质量有关的其余参数的设备。电子秤组成为三个方面：承重、传力复位系统，称重传感器测量显示和数据输出的载荷测量装置。当你需要称一个东西质量的时候，放在这称台上，它的重量不妨通过规模转移到压力传感器上，传感器会孕育发生一个内部的力-电转换行动将物体的重量转换成透露表现物体的重量成一定函数的电信号(电压或电流等)。这个信号被放大电路放大、过滤，而后通过一个模拟/数字转换器(A/D)，那么CPU数字信号传递到微处理器CPU连续扫描键盘和各种效用开关，按键盘输入内容和各种效用开关状态的须要的判断、分析、计算软件各种控制仪器。当计算结果发送到显示内存时，CPU发出一条从内存中读出的指令到显示，或发送到打印机。在这个情况下，放大信号、滤波、A/D转换和信号处理都是在各种算术表中进行的。2系统总体方案设计2.1系统设计思路当前，在商业贸易中，台式电子秤的运用已经格外普遍，但仍存在较为大的局限性：体积过大、高额成本、工频电流电源的连续供应、不方便随身携带、应用场所遭到制约。现有的便携秤都为杆秤或者是通过弹簧的拉伸变形来测量的弹簧秤，群众平民运用的每每是杆秤。制造弹簧秤的要求较为高，弹簧的疲劳问题不能全部处理掉，一旦超过了弹簧的极限状态，弹簧称称东西就会孕育发生较大的误差，以及损坏，影响称量精度和可靠性，只能暂时代替，也被列入逐步取消的行列。单片机技术、传感器技术和计算机技术的飞速发展，让电子产品的更新的速度也连续变化。这个系统的设计过程中，在系统的基本效用之外，还不妨增加打印和通信效用，不妨与其余机器或设备(包括主机、数据存储设备)进行数据交换。另外，系统的单片机一面选择了良好的兼容性AT89单片机，当系统升级时，只有很小的硬件增加，甚至不妨通过篡改系统控制程序来达成。此外，由于实际的应用当中，称可能会有一定的过载，但是不允许超出了需求的范畴，为了防止损坏，我们还设计了过载提示声、光报警效用。综上所述，这个设计的首要思想为：物品放在称量平台上，物品获得的压力传递到压力传感器，压力传感器电压信号由于压力变化和生成的电压放大电路，然后由一个模拟数字转换器转换为数字信号，数字信号来单片机最后，一些处理后的单片机，电流的总量由体重参照这篇文章，然后显示出来。另外，键盘也可以设置商品的价格。技术指标：称重规模0-5kg；0.01公斤分度值：Ⅲ级精度；DC1.5V电源（5号电池供电）。这类智能电子秤，测量精度高，而且体积小，携带方便，设置称重质量效用和价格计算效用于一身，能满足商务和家庭的需要。2.2总体设计方案根据设计要求，在考虑到设计成本及实用性可行的条件下，最终确定系统设计方案如图2-1所示。该系统包括单片机控制核心、数据采集、人机交互3大部分。其中，数据采集包括压力传感器、信号放大和A/D转换3方面内容。压力传感器采集称重物体的重量，并将重量转化为模拟电压信号输入到A/D转换芯片进行数据处理；A/D转换芯片HX711将采集到的模拟电压信号经采样保持、量化和编码后转换为数字信号；模拟电压信号放大部分则集成于A/D转换芯片中，简化了硬件设计。人机交互包括按键输入和液晶显示两部分。用户通过矩阵键盘的不同功能按键输入物品单价等信息，在单片机中做相应计算与处理，并通过程序控制LCD显示屏将需要显示的信息呈现给用户。AT89S52单片机AT89S52单片机压力传感器放大电路A/D转换器LCD显示器按键输入图2-1总体设计思路2.2.1AT89S52单片机AT89S52是一款低功耗高性能微控制器CMOS8位微控制器，在系统可编程存储器中具有8k。Atmel存储器中使用的高密度和抗扰性制造技术完全符合80C51工业产品说明和点火路径。AT89S52具有标准功能：8k字节闪存，256字节RAM，32位I/O指针，2位数据定时器，3个16位定时器/计数器，6位两位数字结构中断，2位串行通量，晶内链时间。此外，AT89S52可以降级为0Hz静态逻辑操作，支持两个程序的备用电源模型。在自由模式下，处理器停止工作，从而允许RAM，计时器/计数器，串行中断继续工作。停电后，RAM内容被保存，振荡器被冻结，并且单片中的所有工作都被停止，直到下一次中断或硬件重启为止。图2-2AT89S52的引脚（1）AT89S52单片机硬件结构的特点MCS-51微控制器的硬件结构具有以下主要功能：①内部程序存储器（ROM）和内部数据存储器（RAM）的容量表2-1中显示了MCS-51内部ROM和内部RAM的容量：表2-1MCS-51单片机存储器容量单片机类型存储器类型掩模ROMEPROMRAMMCS-5151子系列8031//128B80514KB/128B8751/4KB128B52子系列8032//256B80528KB/256B②出口处的输出/输入/输出：MCS-51整体式机器中I/O的数量和种类更多，更多样化，尤其是当它具有两工位串行口时。串行线由两条可以通过编程选择的I/O线组成，MCS-51有32条I/O线，而MCS-48只有27条。③外部程序存储器和外部数据存储器的地址空间：MCS-51可以寻址并且不受64KB系列中不同芯片型号的影响，而程序存储器由内部和外部64KB组成，根据表-1，这是MCS-51外部过程存储器的最大寻址半径是64KB。④堆栈中断功能MCS-51具有5个中断源（对于8032/8052为6），分为2个优先级，每个优先级均可编程。它的位置也是可编程的，并且堆栈深度达到128个字节。而MCS-48仅具有两个没有优先级共享的中断源，并且堆栈位于盘片内部的16字节固定RAM块中。⑤区域延迟/带寄存器计数MCS-51子系列具有2个16位定时器/计数器，可以针对四个工作模型进行编程。MCS-52子系列具有三个16位定时器/计数器。而且MCS-48仅具有8位定时器/计数器。MCS-51在RAM中打开了四个公共工作寄存器，总共有32个公共寄存器可以满足多个中断或子程序的要求。尽管MCS-48的内部RAM仅具有两个常规工作寄存器，但每个寄存器均包含8位寄存器。（2）AT89S52单片机的硬件原理1）如图2-3所示，该图显示了微控制器的主要外围电路。引脚20接地，引脚40连接到+5V电源，以使微控制器工作。引脚18和19连接到晶体振荡器，以向微控制器提供时钟信号。晶体振荡器频率为12MHz。晶体振荡器的振荡频率越高，系统的时钟频率越高，微控制器的速度也越高。液晶显示电路的设计要求单片机具有较高的工作效率，因此选择具有较高频率的晶体振荡器以提高LCD屏幕的刷新率并获得更一致和更平滑的图像显示。如果需要，可以添加一个复位电路，并且复位是微控制器的初始化操作。或者，当微控制器程序无法正常工作并导致死锁状态摆脱困境时，您还需要按复位按钮以重新启动。图2-3AT89S52单片机基本外围电路2）如图2-4所示，左侧为MCU模块，右侧为LCD模块。单片机的P0端口连接到液晶模块的8个数据端口作为数据传输端口。P2.4、5、7、8与选择CS1，CS2芯片以及将液晶模块的R/W，D/I作为控制字记录有关。液晶模块的端子E为使能端子。单片机的三个端口P2.3，P3.7和8向NAND门发送信号以控制液晶模块，同时向使能端子提供高电平和低电平以控制液体的操作晶体模块。液晶模块的VSS接地，VCC和V0连接至滑动变阻器，VCC连接至5V正电源。滑动变阻器分压为LCD模块供电，以使其更好地工作；并用作LCD亮度调节端子，该图像是用于驱动液晶显示器的单片机的基本电路图。NAND门的组合可以使用74LS00芯片，74LS00可以提供3个NAND门。该设计的电路成本低，元件相对通用，可以在市场上轻松购买，从而为整个校准设计提供了便利。该电路简单易焊，可以减少调试过程中的许多麻烦。图2-4单片机和液晶模块连接电路2.2.2称重传感器称重传感器是一种能感受压力并将感受到的压力信号转换成与被测物体重量成比例的可用于输出信号的传感器，作为电子秤的关键组成部件之一，称重传感器的选择十分重要，其性能的好与坏，极大程度上决定了电子秤测量数据的可靠性和精确度。选择合适的传感器，对电子秤的精度、稳定性、成本有重要意义。目前，电子秤用传感器主要有压电式、电容式和应变片式传感器。应变片式传感器具有精度高、性能稳定、价格便宜等优点，而得到广泛使用。2.2.3A/D转换模块设计称重传感器电路将重量信息转换为电压信号后，应变片的输出电压信号形状变化小，几乎不发生变化。输出电压信号在使用前必须放大。此外，放大后的电压信号仍然是模拟信号，不能被单片微机识别，必须将模拟信号转换成数字信号。反应时间和电子秤的其他主要参数，以及放大电路和A/D转换电路的设计，不仅繁琐而且元件多，不能保证电路的精度。为此，选择并实现了高精度电子秤A/D转换芯片HX711。2.2.4芯片HX711HX711芯片是一种用于电子测量系统的专用A/D转换芯片。具有响应快、干扰强、价格低廉等特点。它具有高达24位的转换精度，高达128倍的放大倍数，±40毫伏的输入电压，自动复位电源和自己的可调电源能力。它使用方便，可以满足系统设计的需要。HX711芯片的模拟输入通道A可以直接连接到电阻应变计传感器电路，以放大传感器电路的输出信号。该芯片集成了稳压电源和片上时钟振荡器电路，降低了整体成本，提高了电子秤的整体性能和可靠性。通道A或B可以选择并连接到其内部低噪声可编程放大器。通道A的可编程增益为128或64，相应的总差分输入信号振幅分别为±20MV或±40MV。通道B具有用于系统参数检测的固定64增益。芯片内的稳压电源可以直接为芯片内的外部传感器和A/D转换器供电，不需要向系统板提供额外的模拟电源。芯片中的时钟振荡器不需要外部设备。2.2.5矩阵键盘为了方便用户在使用电子秤时进行参数设置和功能选择，需要设计键盘电路模块。这里使用标准的4×4矩阵键盘。数字键0到9用于设置单价参数；*一个小数点；A是“复位”功能键；B是“累计”功能键；C是“去皮”功能键；D是“单位”切换功能键，#是“存储”功能键。用户可以通过键盘操作相应的功能。每次都会清除电子秤托盘的重量。也就是说，电子秤自动检测程序，并在每次重新启动后将托盘重量存储在变量中。这是电子秤设计时要考虑的问题。因此，每个度量过程的最终重量是实际称重对象的重量。2.2.6LCD1602液晶显示器单片微机系统（LCD1602）是一种点阵液晶显示模块，专门设计用于在4.5～5.0v电压环境下显示字符、数字、符号等，可显示两行32个字符。功耗低，性能稳定，操作方便。引脚分为控制端口、数据端口、调整端口和电源终端。此外，还需要一个10K端口来调节端口，字符的显示亮度可以通过电位计来调节。3系统硬件电路设计3系统硬件电路设计3.1传感器电路3.1.1电阻应变片的工作原理电阻应变传感器是电阻应变仪设计的整个系统数据采集部分的核心。在测量物体重量时，电阻应变计与变形较大的测量仪器（通常是金属）的敏感部分相连。当金属敏感部分变形时，电阻应变计同时变形。电阻应变仪的电阻应变效应改变了电阻应变计的电阻值，电阻值的变化反映了物体的重量。然而，在电子秤的设计中，金属敏感元件变形过大，振动剧烈，稳定时间长，电子秤测量时间长，金属敏感元件变形小。电阻应变计变形量也小，电阻值变化小，测量精度不方便，应变电阻测量转换为电压测量。电阻应变计具有电阻应变效应，即导体的电阻变化是由机械变形引起的。假设有一条电阻线，则原始电阻值如下：式中，ρ是电阻丝的电阻率，l是电阻丝长度，S是电阻丝截面积。当外加拉力作用于电阻丝时将引起电阻变化ΔR。当电阻丝的轴向应变为ε，电阻丝材料泊松系数为μ时，整理可得：电阻丝灵敏系数k0是电阻应变片的主要特性之一，其值一般由实验方法得到且在被测应变的范围内能够保持常数，它的表达式为：由于电阻丝在拉力作用下产生的相对变化量与应变成正比，因此上式可写成：3.1.2应变式传感器测量电路在实际电路中，由于电阻应变片形变量和阻值变化范围十分微小，通常小于0.1Ω，不便后续测量与处理，因此在设计中采用电阻应变片搭建差动全桥式测量电路。如图3-1所示，该测量电路可将应变片微小的机械应变量转化为电压变化量，并在后级电路中稳定放大。此电路一方面可减少分布电感及电容的影响，消除共模干扰，另一方面可提高电路测量稳定性。图3-1差动全桥式测量电路为了减小电路的非线性误差，电桥的一条对角线AD与工作电压相连，另一条对角线BC与输出电压相连，具有相同应力特性的电阻应置于电桥的对面。如图3-2所示，在实际应力下，电阻R1和R4的拉伸电阻增大，电阻R2和R3的压缩电阻减小。当桥臂平衡时，桥臂的相对电阻相等，输出电压为0；当施加压力时，桥臂不平衡，得到输出电压波动UBC。图3-2电阻应变片受力示意图3.2放大与模数转换电路本设计中，HX711是一种24位A/D转换器芯片，用于高精度称重传感器。该芯片集成了诸如稳压电源和放大器等外围电路。稳压电源直接为前级传感器和内部A/D转换器供电。所有控制信号都由芯片引脚驱动，不再需要编程。信号输入可选地选择通道A或B，直接连接到后放大器，通道A的可编程增益为128或64，并且信道B的增益固定。由于整个桥电路的输出电信号较小，设计中采用了通道A。将芯片的数据输出引脚DOUT和数字输入PINPD连接到单片机的I/O端口，并接地速率和X1引脚，利用芯片中的时钟振荡器来确定数据的输出速率。芯片引脚图如图3-3所示。图3-3HX711管脚定义HX711典型应用电路如图3-4所示。图3-4HX711典型应用电路3.3矩阵键盘与液晶显示模块在电子秤测量物体重量过程中按键输入物品的单价值，键盘采用2*4矩阵键盘，利用延时程序消除按键抖动。可分别实现元加减、分加减、累加、去皮、累加置零和清除功能。当系统按键按下时，才能调用液晶显示程序进行按键功能和数据的显示，否则将一直显示初始化界面。点阵字符型LCD液晶显示，相比于数码管显示，虽然会增加设计成本但显示内容更加丰富，可在同一时间显示不同内容。本设计中采用的LCD1602液晶显示屏为5V电压驱动，内部含有128个字符的字符集字库，可显示共2*16位字符，同时可进行字符对比度调节，带背光，其读写、操作均是由指令控制完成。LCD1602具有体积小、功耗低、显示内容丰富、显示操作简单等优势。按键设计流程图如图3-5所示，按键与单片机连接电路如图3-6所示。图3-5按键设计流程图图3-6键盘接口与单片机连接电路3.4声光指示模块为了使用方便和提醒用户，设计了声光指示模块，在电源电压低于一定值时，蜂鸣器连续响、红色发光二极管闪烁，提醒用户超重。在长时间没有物品需要称重时，系统会进入待机省电模式，此时蜂鸣器响2s，提醒用户进入待机模式。声光指示电路与单片机连接电路如图3-7所示。系统上电后，对各个模块参数进行初始化设置，包括液晶显示模块、HX711模/数转换模块及数据采集模块的初始化，并自动完成称重系统的自动校准清零。当有待称重物品放置在称重平台时，则称重传感器电路有模拟量输出，并送入HX711芯片进行放大、A/D转换，转换结束后将称重信息数字信号送单片机存储，并等待用户操作键盘输入相应的控制指令和参数，系统执行相应的控制功能子程序后将计算结果送12864液晶显示器显示，当检测到物重超过电子秤最大量程时，声光指示电路工作，二极管闪烁、蜂鸣器响，提醒用户超重。在称重过程中，如果超过1min检测到没有待称重物品，系统自动进入待机省电模式，显示屏关闭，当有重物放置时退出待机省电模式，进入工作状态。图3-7硬件电路连接3.5放大电路由于来自前端传感器电路的电压很弱，因此只有几毫伏。单片机内部的A/D转换器转换后精度很差。因此，有必要采用一种能够准确识别单片机并使整个系统符合设计要求的放大电路。这里，AD620用作放大器620的核心。AD620具有高精度（最大非线性40ppm）、低失调电压（高达50μV）、低失调漂移（最大0.6μV/℃）等特点，是电子秤、传感器接口等精密数据采集系统的理想选择。AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，DIP不太适合离散电路设计，功耗低，因此非常适合电池供电和便携式应用。为了将增益从1设置到10000，只需要一个外部电阻。选择这种设计的原因是高增益、低功耗和小尺寸。数据表的增益为g=（49.4K/RG）+1，RG是PI1和pin8之间的电阻。三个针脚和两个针脚连接到传感器电路输出端子的正极和负极。滑动调节器连接在1针和8针之间作为增益调节。最后的装配和调试是有用的。6号和5号针脚是放大器电路输出端子的正极和负极。由于小的抖动会引起应变片电阻值的变化和输出电压的抖动变化，所以采用滤波器来解决。电容滤波器和电容程序抖动的结合使得最终显示在显示屏上相对稳定。4系统软件设计4系统软件设计电子秤用C语言设计，用keilUV3语言编写。keilc51是美国keil软件公司生产的51系列兼容MCUc软件开发系统。与汇编语言相比，C语言在功能、结构、可读性和可维护性方面具有明显的优势。keilc51软件提供丰富的库接口和强大的集成开发调试工具，全windows界面。另一个重要的一点是，只要汇编代码是编译后生成的，就可以理解keilc51生成的目标代码是非常有效的。在大多数语句中生成的汇编代码非常紧凑，易于理解。在大型软件的开发中，高级语言的优势得以体现。keilc51可以完成编辑、编译、链接、调试和仿真的整个开发过程。开发人员可以在IDE或其他编辑器中编辑C或汇编源文件，并编译和连接C51和A51编辑器以生成可执行的二进制文件。单片机的十六进制通过单片机写入软件将十六进制文件写入单片机。软件主要包括三个方面：一是初始化系统；二是密钥发现；三是数据采集、数据处理和显示。这三个操作在主程序中执行。程序结构采用模块化结构，易于制作、编程、阅读、调试和修改。4.1系统主程序软件流程图图4-1示出了系统软件的主程序流程图。图4-1系统主程序流程图4.2系统显示部分流程图显示子程序主要是用来确定是否显示以及如何显示最重要的程序之一。设计流程图如图4-2所示。图4-2系统显示部分流程图4.3系统按键检测部分流程图键盘电路设计为4X4矩阵。在该程序中，首先确定键代码，并根据该代码将键盘所表示的值发送到相应的存储设备，并且可以执行功能选择和数据处理。设计流程图如图4-3所示。图4-3按键检测部分流程图5系统整体调试5系统整体调试5.1硬件电路调试中遇到的问题（1）在电子线路的设计中，对各种影响因素的考虑不够充分，没有采取预防措施，如过电压处理等。（2）系统设计没有优化，需要改进。例如，系统的超范围信号由单片机直接送入报警电路，保护电路不由单片机设计和处理而送入报警电路。（3）温度显示功能和通信接口电路与上位机（PC）通信的电路没有扩展，上位机的显示功能在上位机中存储了大量的商品数据。并通过串口或并口通讯与电子秤相连，达到远程控制的目的。（4）对本次系统设计的芯片价格了解不够，选定的称重传感器比较昂贵。这些都对我今后的研究和工作产生了积极的影响。5.2系统实物调试效果图经过重新努力和老师的精心指导，最终调试成功。最终的物理效果图如图5-1和5-2所示。图5-1系统实物称重界面显示效果图图5-2系统实物日历界面显示效果图6设计总结6设计总结本文以AT89S52单片机为核心，从测量精度和稳定性的角度出发，设计了一种能满足普通电子秤要求的电子秤。它是一种性能稳定、操作简便、价格低廉的校准方法。电子秤集传感器技术、微机技术和数字显示技术于一体。它灵敏、准确、直观、使用方便。通过对硬件的扩展和软件的修改，我们可以设计出性能优越的电子秤，以满足各行各业对现代电子仪器的需求。并且，通过扩大电子设备的规模，可以与其他生产质量控制体系项目相衔接。在毕业设计的整个过程中，我系统地了解了在学校期间学到的知识。本人对单片机控制系统的设计与开发有了更深入的了解，解决了系统分析和实践中存在的问题，增加知识，提高经验，提高问题解决能力。系统分析和设计过程是学习的总结，也是学习和探索过程的总结。控制系统的开发与设计是一项复杂的系统工程，必须严格执行系统分析、系统设计、系统实现、系统运行和调试过程。系统分析与设计都是非常辛苦的工作，同时过程中充满了乐趣，在设计过