王014基于单片机的便携式电子秤设计

学士学位论文基于单片机的便携式电子秤设计姓名学号院系专业电气工程及其自动化指导教师年月日学位论文原创性声明本人所提交的学位论文基于单片机的便携式电子秤设计，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的原创性成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中标明。本声明的法律后果由本人承担。论文作者（签名）：指导教师确认（签名）：年月日年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解河北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河北科技学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在_______年解密后适用本授权书。论文作者（签名）：指导教师（签名）：年月日年月日摘要电子秤是一种现代新型秤，它集成了检测和转换技术，计算机技术，信息处理，数字技术和其他技术。它已紧密集成到我们的日常生活中，已成为一种实用，快速且准确的称重工具，广泛用于商业场所，工厂，市场，超市，大型购物中心和零售店等公共场所的信息显示和重量计算。电子天平主要使用一台单片机作为中央控制单元，并通过一个称重传感器使用一个模数转换器单元。它由键盘，显示电路和强大的软件组成。电子秤不仅准确，快速和方便，而且最重要的是自动称重和数字显示。它们越来越影响人们的生活，并且非常受欢迎。该系统是为电子秤的自动称重和数据处理而开发和制造的。为了阐明单片机如何处理扫描的数据，研究了数据采集，转换和计算中的问题，并讨论了单片机控制系统中的主要计算问题。本文基于智能电子秤的硬件设计，详细分析了电子秤的软件控制方法。关键词：单片机；电子秤；设计ABSTRACTTheelectronicscaleisamodernnewtypeofscalethatintegratesdetectionandconversiontechnology,computertechnology,informationprocessing,digitaltechnology,andothertechnologies.Tightlyintegratedintoourdailylives,ithasbecomeapractical,fastandaccurateweighingtoolwidelyusedforinformationdisplayandweightcalculationinpublicplacessuchascommerce,factories,markets,supermarkets,mallsandretailstores.Theelectronicbalancemainlyusesaone-chipmicrocomputerasacentralcontrolunitandusesananalog-to-digitalconverterunitviaaweighingsensor.Itconsistsofakeyboard,adisplaycircuitandpowerfulsoftware.Electronicscalesarenotonlyaccurate,fastandconvenient,butaboveallautomaticweighinganddigitaldisplay.Theyareincreasinglyaffectingpeople'slivesandareverypopular.Thissystemwasdevelopedandmanufacturedfortheautomaticweighinganddataprocessingofelectronicscales.Inordertoclarifyhowthesinglechipmicrocomputerprocessesthescanneddata,theproblemsindataacquisition,conversionandcomputationareexamined,andthemaincomputationalproblemsinthesinglechipcontrolsystemarediscussed.Basedonthehardwaredesignoftheintelligentelectronicscale,thisarticleanalyzesthesoftwarecontrolmethodoftheelectronicscaleindetail.Electronicscales,controlledbysingle-chipmicrocomputers,aresimple,inexpensive,andverypopularwithpeople.Thisarticleexplainsthisindetail.Keywords：Singlechipmicrocomputer;electronicscale;design目录TOC\o"1-3"\h\u20151摘要 129751ABSTRACT 210256第1章绪论 4283111.1研究背景 4153391.2电子秤的组成 5264721.3研究意义 52039第2章系统总体设计 7258302.1单片机为主控制器的设计 7233462.2传感器量程 7138792.2.1确定传感器的额定载荷 7317092.2.2增益电路 813693第3章系统软硬件设计 9319533.1总体规划 9200773.2应用程序 957023.3主程序 10261243.3AD采样程序 114682第4章称重数据处理技术 13231054.1显示程序 1322904.2称重数据处理技术 14253574.3非线性补偿 1429792第5章结论 1610989致谢 1711110参考文献 18第1章绪论研究背景我国的电子秤已经从原始的机电组合型发展到目前的全电子型和数字智能型。如今，电子秤的制造技术和应用有了新的发展。电子称重技术从静态称重发展到动态称重：测量方法从模拟测量发展到数字测量，测量特性从单参数测量发展到多参数测量，尤其是快速称量和动态称重的研究与应用。在分析近年来电子称重产品的发展以及国内外市场的需求时，电子称重的总体发展趋势是小型化，模块化，集成化和智能化。越来越高的可靠性。它的功能通常是称量和度量税收信息和非税收信息的“智能”功能，其应用性能通常是综合的和综合的。电子秤是电子秤之一。称重工具是国家法律测量工具。它们是民生，国防建设，科学研究以及国内外贸易必不可少的测量工具。量表的技术水平直接影响生活中的每个人。现代化程度和社会经济效益的提高。衡器技术一直以来都是人们所重视的。作为一种测量方法，它广泛应用于工农业，科研，交通，国内和对外贸易等各个领域，与人们的生活息息相关。电子秤是电子称重仪器之一。称重工具是国家法律测量工具。它们是国民经济和民生必不可少的指标，国防建设，科学研究以及国内外贸易手段将直接影响各个行业的现代化程度和社会经济效益的提高。与其他事物一样，电子秤的开发过程经历了从简单到复杂，从粗糙到精确，从机械到机电到全电子以及从单功能到多功能的过程。特别是近年来，现场称重，配料的定量称重以及过程流中产品质量的监控与可以输出电信号的电子秤密不可分。这是因为电子秤不仅可以提供质量或重量信号，而且还可以用作整个系统中的一个单元来接管控制和检查功能，从而促进了工业生产和贸易交易的自动化和合理化。近年来，电子秤已越来越多地并入数据处理和过程控制中。现代称重技术和数据系统已成为过程技术，存储和运输技术，预包装技术以及商业和商业销售中必不可少的部分。随着称重传感器性能的不断突破，它为电子秤的发展奠定了基础。在中期大约。机电集成的机械秤中有75％已通过电子方式转换。秤是提供重量数据的单个仪器。作为工业控制系统和企业管理系统的组成部分，它促进了工业生产自动化和管理的现代化。它缩短了运行时间并改善了运行条件。减少能源和材料消耗，提高产品质量，加强公司治理，改善业务管理等方面。规模的应用已扩展到周边经济的各个领域，并取得了显着的经济效益。电子秤的组成电子秤是一种测量仪器，它使用物体的重力来确定物体的质量和重量，也可以用于确定其他与质量有关的数量，参数或特性。不管其原理如何，电子秤都由以下三个部分组成：它是一个在称重物体和转换元件之间的机械传递力的复位系统，也称为电子秤的秤体。这通常包括承受要称重的物体的负载。支撑装置，桥结构的称重，连接部件的悬挂以及减振机构的局限性等。称重传感器是将非电气质量或重量转换为电量的转换元件。它是用于将支撑力转换为适合测量和评估的电信号或其他形式的信号的工具。根据称重传感器的不同结构类型，可将其分为电容式，电感式，电位计，振弦式，腔谐振器和应变传感器电阻应变，表面谐振或使用具有物理效应（如压电和压阻式）的磁弹性传感器。称重传感器的基本要求是输出功率和输入重量保持一个相应的值，并具有良好的线性关系，灵敏度高，并且对称重对象的状况影响很小。并且可以在恶劣的工作条件下工作。具有良好的频率响应特性，稳定可靠。用于测量显示和数据输出的负载计是处理来自称重传感器的信号的电子电路，包括人体放置设备，模数转换，电流源或电压源，调节器，补偿组件，保护电路，显示部件（例如显示，打印，数据传输和存储设备等），通常称为负载计或辅助仪表。在数字测量电路中，它通常包括预放大，滤波，计算，转换，计数，注册，控制和驱动显示及其他连接。当将被称重的物体放在天平的称重平台上时，其重量会通过天平传递到称重传感器上，并且传感器会产生电力作用。这会将物体的重量转换为称重的物体。重量成为特定功能的电信号（电压或电流等）。该信号被放大，滤波，然后由放大电路通过模数（A/D）设备进行转换。然后将数字信号发送到微处理器的CPU进行处理。CPU连续扫描键盘和各种功能开关。并且必须根据键盘输入的内容和各种功能开关的状态进行评估和分析，并且各种计算由仪器的软件控制。计算结果被发送到存储器。当需要显示时，CPU发出指令，从内存中读取指令，然后将其发送到显示器进行显示或发送给打印机进行打印。1.3研究意义当前，台式电子秤在商业交易中已广泛使用，但存在很大的局限性：尺寸大，成本高，携带不便以及应用受限。现有的便携式秤是秤秤或弹簧秤，它们使用弹簧和拉伸变形来进行测量。居民用户通常使用杆秤。弹簧垫圈平衡器的制造过程相对较高，并且弹簧疲劳问题不能完全解决。一旦超过弹簧弹性极限，弹簧平衡器将产生较大的误差甚至损坏，从而影响精度和可靠性，这只是暂时的替代。替代品也已添加到逐步取消的行列中。随着微控制器技术，传感器技术的发展以及计算机技术的广泛应用，电子产品的更新速度已经达到每天变化的地步。在该系统的设计过程中，除了系统的基本功能之外，还添加了可以与其他机器或设备包括上层PC和数据存储设备交换数据的打印和通信功能。该公司的微控制器部分选择了具有良好兼容性的51系列微控制器。更新系统时，几乎不需要添加任何硬件电路，甚至仅可以更改系统控制程序。另外，由于实际应用，秤可能会有一些过载，但不会超出要求的范围。因此，为此目的还提供了过载提醒。总而言之，这种设计的主要思想是使用压力传感器来收集由压力变化产生的电压信号，然后通过电压放大电路对其进行放大，然后通过模拟-到数字转换器，最后将数字信号发送到单片机。经过适当的处理后，单片机接收当前称量的物品的重量和总量，然后显示它们。最重要的技术指标是：称重范围0〜600g，分度值1kg，精度等级III，电源AC220V。这种高精度的智能电子秤小巧，准确且易于运输，可满足商业和居民家庭的需求。第2章系统总体设计2.1单片机为主控制器的设计由于该系统没有其他高标准要求，并且本设计中的程序部分比较大，因此根据对设计这样一个简单系统的总体规划设计的分析，可以选择一个单片机作为应用程序。存储器直接存储在芯片上，并且无需在外部扩展存储器，因此也可以简化电路。可以使用STC的12系列单片机，这里选择STC制造的单片机STC12C5A60S2。该设计要求使用单片机作为系统的主控制器，而以单片机为主要控制器的设计可以轻松地将计算机技术和测量控制技术结合起来，形成一种只能通过更改进行更新的新型。这种新型的智能仪器在测量过程的自动化，测量结果的数据处理以及功能的多样化方面取得了长足的进步。2.2传感器量程2.2.1确定传感器的额定载荷数据采集部分主要包括称重传感器和处理电路，因此该部分的演示主要分为两个方面。可以根据对各种因素的综合评估来确定传感器区域的选择，这些因素包括秤的最大重量，要选择的传感器数量，秤的自重以及可能的最大偏心载荷和动态载荷。通常，传感器的范围越接近分配给每个传感器的负载，称量的精度就越高。然而，在实际使用中，除了要称重的物体外，传感器上的负载还包括重量，皮重，偏心负载，振动和冲击负载。因此，选择传感器范围时要考虑很多因素，以确保传感器的安全性和耐用性。传感器范围的计算公式是通过大量实验确定的，其中充分考虑了影响秤体的各种因素。这种结构的称量范围为0至600g，重量误差不超过0.1kg。为了确保电子天平的称量结果的准确性，克服了传感器在低范围内线性度差的缺点。传感器的范围应根据皮带秤的最大流量进行选择。在实际工作中，称重传感器的有效范围必须在20％至80％之间。线性好，精度高。考虑到称重平台的重量，振动和冲击分量，重量误差应设置为±0oikg。但是，为避免过多的重量损坏传感器，必须根据设计要求确定传感器的额定载荷为1kg，允许的过载为150％FS，精度为0.05％，最大范围的误差±0.1kg可以满足该系统的精度要求。图2-1传感器结构2.2.2增益电路通常，集成仪表放大器具有高共模抑制比和高输入阻抗。因此，集成仪表放大器在常规电路设计中用作前置放大器。但是，对于绝大多数集成仪表放大器，尤其是集成仪表放大器，其共模抑制比和与增益相关的增益越高，共模抑制比就越大。在预处理电路部分，我们认为可以使用以下方案来形成具有常见的低温漂移运算放大器的多级放大器，该放大器会引入很多噪声。由于A/D转换器要求很高的精度，几毫伏的干扰信号会直接影响最终的测量精度。因此，不应采用此方案。差分放大器主要由高精度，低漂移的运算放大器组成，预处理电路由具有高输入阻抗和高增益特性的差分放大器组成，通常可以制成差分放大器放大器。图2-2内部震荡电路第3章系统软硬件设计3.1总体规划传感器放大电路由两级组成，第一级由两个同相运算电路组成，第二级是差分比例运算电路。传感器信号首先进入前级进行初步放大，然后进入后级。由于前级的对称性直接影响后级的共模抑制比，因此考虑到组件电阻的误差，R2和R4使用精确可调的多匝电阻器。为了改善后级对共模信号的抑制，反馈电阻器R3还采用了精确的，多旋转的可调电阻器。传感器放大电路如图2所示。该系统使用应变仪传感器来测量和接收模拟信号，然后将其放大，然后将其发送到单片机进行模数转换处理和数据处理。主控制器由传感器模块，主机接口模块，按钮和显示模块组成，并且是STC12C5A60S2单片机。外围电路很简单，只能通过添加晶体振荡器电路和电源来进行操作。主控制电路如图5所示。1602液晶模块的引脚连接如图所示。其中，第一和第二笔是液晶的驱动电源，而第三笔VL是液晶的驱动电源。液晶的对比度调整。通过在VCC和GND之间连接一个可调的10K多匝电阻，并将中间抽头连接到VL，可以调节液晶的对比度。LCD的控制线RS，R/W和E分别连接到单片机的P0.5，P0.6和P0.7。数据端口连接到单片机的P2端口，BL+和BL-是LCD背光的电源。图3-1液晶模块3.2应用程序在功能，结构，可读性和可维护性方面，它具有明显的优势，使其易于学习和使用。Keilc51软件提供了丰富的库功能，强大的集成开发和调试工具以及完整的Windows用户界面。另一个重要的一点是，只要查看编译后生成的汇编代码，您就会发现keilc51生成的目标代码非常有效。图3-2按键电路大多数指令生成的汇编代码非常紧凑且易于理解。它可以更好地体现高级语言在开发大型软件中的优势。KeilC51可以完成编辑，编译，连接，调试和模拟的整个开发过程。开发人员可以使用IDE本身或其他编辑器编辑C或程序集源文件，然后编译并组合C51和A51编辑器以生成微控制器的二进制可执行文件（.HEX），然后将HEX文件复制到微控制器的Burn编程软件中。微控制器。该软件主要包括三个方面：一个是系统初始化，另一个是密钥识别，第三个是数据获取，数据处理和显示。这三个方面的操作均在主程序中执行。该程序是模块化的，因此程序结构清晰，易于编程，易于阅读以及易于调试和更改。3.3主程序系统程序固化在STC12C5A60S2内部的flash存储器中，分为主程序和若干子程序。主程序的功能是系统初始化，管理和调用各个子程序。本设计的程序流程图如图11所示。图3-3程序流程图3.3AD采样程序本文设计的STC12C5A60S2片内AD程序如下：#include"config.h"////SPEED1SPEED0A/D转换所需时间#defineAD_SPEED0x60//0110,00001190个时钟周期转换一次,//CPU工作频率21MHz时A/D转换速度约300KHz//#defineAD_SPEED0x40//0100,000010140个时钟周期转换一次//#defineAD_SPEED0x20//0010,000001280个时钟周期转换一次//#defineAD_SPEED0x00//0000,000000420个时钟周期转换一次unsignedintget_AD_result(unsignedcharchannel)unsignedcharAD_finished=0;//存储A/D转换标志ADC_RES=0; //A/D转换结果高8位ADC_RESL=0; //A/D转换结果低2位channel&=0x07;//0000,0111清0高5位ADC_CONTR=AD_SPEED;_nop_(); ADC_CONTR|=0xE0; //1110,0000清ADC_FLAG，ADC_START位和低三位ADC_CONTR|=channel;//选择A/D当前通道_nop_();ADC_CONTR|=0x80;//启动A/D电源delay(1);//使输入电压达到稳定ADC_CONTR|=0x08;//0000,1000令ADCS=1,启动A/D转换AD_finished=0;while(AD_finished==0)//等待A/D转换结束{AD_finished=(ADC_CONTR&0x10);//0001,0000测试A/D转换结束否}ADC_CONTR&=0xE7;//1111,0111清ADC_FLAG位,关闭A/D转换return(ADC_RES<<2|ADC_RESL);//返回转换后的结果第4章称重数据处理技术4.1显示程序函数名：ReadDataLCD()功能：从1602读数据说明：入口参数：无返回值：LCD_DataunsignedcharReadDataLCD(void){ LCD_RS=1; LCD_RW=1; LCD_E=0; LCD_E=0; LCD_E=0; LCD_E=1; return(LCD_Data);}函数名：ReadStatusLCD()功能：读取1602状态说明：如果为忙，则一直等到非忙为止入口参数：无返回值：LCD_DataunsignedcharReadStatusLCD(void){ LCD_Data=0xFF; LCD_RS=0; LCD_RW=1; LCD_E=0; LCD_E=0; LCD_E=0; LCD_E=1; delay_18B20(200); // Delay5Ms(); //检测忙信号proteus仿真时，延迟5MS，关闭while循环 while(LCD_Data&Busy) //硬件使用时，不延迟，打开while循环 return(LCD_Data);}4.2称重数据处理技术测量精度和可靠性是电子天平设计的关键。软件数据处理技术的引入可以克服或弥补包括传感器在内的每个测量环节中硬件本身的缺点或不足，从而使信号处理难以通过硬件来实现，可以解决电路问题，从而提高了硬件的综合性能。电子天平。在电子称重系统中，最重要的数据处理技术包括无效的物理量消除，零漂移处理，秤转换技术，非线性补偿技术，数字滤波技术等。无效的物理量消除在称重系统中，称重传感器是来自称重电桥，载体和测量对象之和的转换信号。实际要测量的重量是目标的重量。因此，称重平台，支座等是无效的物理量，应在信号处理过程中通过软件方法消除。零漂移处理零位稳定性是影响电子秤精度的一个非常重要的因素。由于温度或其他因素的影响，零位不稳定。这种现象称为零漂移。由于零漂移的影响，当输入信号为零时，输出可能不会为零。为了消除该零漂移值，使用了零补偿技术。零补偿的目的是存储零漂移值并在此期间减去它。每次记录数据时，获得的值都是消除零点漂移的有效信号。标度转换在实际测量过程中，已识别的测量模拟信号并转换为数字变量后，必须将其转换为操作员熟悉的技术变量。由于经过传感器和A/D转换后从测量对象获得的数字量是一系列数字值，因此这些数字值与尺寸上的原始参数值不对应。它们仅是的大小，因此要求在将其转换为带有尺寸的数字值之前，无法对其进行查看或打印。此转换是技术量转换，也称为规模转换。4.3非线性补偿当检测非线性补偿时，检测传感器的输入和输出特性通常在特定区域中仅近似线性，而在某些区域中显然是非线性的。同时，传感器是分立的，并且还可能具有温度漂移和滞后现象。等待。在信号处理中，软件处理技术也通常用于补偿和校正上述误差。非线性补偿处理的三种常用方法是：分段线性插值，曲线拟合和表格搜索。线性插值可用于不太弯曲的输入和输出曲线，二次抛物线插值可用于非常弯曲的输入和输出曲线，分段曲线拟合可用于不规则的输入和输出曲线。分段线性插值通常用于带有应变测力计的称重系统，因为其非线性不是很大。在数字滤波器技术的实际测量中，由于被测物体的恶劣环境和多种干扰源，在各种电子秤的称重过程中，来自传感器的有用信号常常与不同频率的干扰信号混合在一起。为了抑制某些干扰信号，通常在称重仪器的信号输入端使用RC低通滤波器。这种滤波器可以承受高频干扰信号，但低频干扰信号的滤波效果较差。在数字滤波期间，可以滤除非常低频率的干扰信号。使用数字滤波时，在软件设计过程中，可以使用某种计算方法对输入信号进行数学处理，以减少有用信号中干扰信号的比例，并提高信号的真实性。不必增加硬件，而只需根据指定的过滤器算法进行编译。相应的程序可以达到信号滤波的目的。数字滤波可以对各种干扰信号进行滤波，具有很高的稳定性，并且可以方便地改变滤波参数。一个过滤器程序可以由多个通道一起使用。称重系统中常用的数字过滤技术包括：程序等级过滤方法，平滑过滤方法，中值过滤方法等。在实际应用中，可以根据情况选择一种或几种过滤方法的组合，以便实现对收集到的信号进行数字滤波。该设计结合了五种数据处理技术。第5章结论智能电子秤由于其良好的可靠性，准确性，技术进步和简单的结构而受到用户的青睐。它越来越多地用于商业活动中，使人们的经济生活更加轻松。本文采用单片机STC12C5A60S2的电子天平。测量精度和稳定性均符合国家对电子秤的要求。它们具有良好的校准方法，性能稳定，易于操作且价格低廉。该电子天平将传感器技术，微计算机技术和数字显示技术集成在一起，具有灵敏的响应，高精度，直观的显示和易于操作的特点。只需进行较小的硬件升级和软件修改，便可以设计出性能卓越的价格计算秤和电子平台秤，以满足生活中各个领域对现代电子秤的要求。此外，在稍加扩展的情况下，电子天平还可以连接到生产质量管理系统的其他元素，具有推广和应用的价值。电子秤不仅需要朝着高精度和高可靠性方向发展，而且还朝着多功能化方向发展。据报道，当前电子秤的附加功能主要包括以下内容。电子天平配备有具有处理机构的计算机信息补偿装置，该处理机构可以执行自我诊断，自我校正以及各种补偿计算和处理。它具有特殊功能，例如皮重和净重显示。一些电子秤已经具有