【基于单片机的简易数字电子称设计与实现8700字（论文）】

基于单片机的\o"292397:大专机电设备维修管理毕业论文：简易数字电子称设计"\t"46:81/Crm/Task/_blank"简易数字电子称设计与实现目录TOC\o"1-3"\h\u32617第一章引言 IV298361.1课题研究目的以及意义 IV75771.2国内外研究现状 IV24835第二章系统结构以及功能介绍 VII49332.1功能介绍 VII77922.2系统方案设计以及工作原理的概述 VII42962.3芯片方案的选择与论证 VII207772.3.1主控制器的选择 VIII43502.3.2提示装置的选择 VIII145982.4最终的方案确定 IX2821第三章系统硬件设计 X298753.1系统硬件的基本组成 X78953.2各模块的电路设计 X62273.2.1电源供电电路 X316973.2.2晶体时钟电路 XI313483.2.3按键复位电路 XI308253.2.4蜂鸣器驱动电路 XII290253.2.5按键控制输入电路 XIII196163.2.6LCD1602显示电路 XIII19548第四章系统软件设计 XV115064.1软件设计概述 XV284804.2主程序的设计 XV127544.3按键输入控制程序的设计 XV278044.4LCD显示程序的设计 XVI6128第五章系统实物的制作与调试 XVIII64755.1系统硬件调试 XVIII20205.1.1静态测试 XVIII117875.1.2动态测试 XVIII184155.2系统软件调试 XIX283325.3实物测试 XX43285.3.1LCD1602实物测试 XX194005.3.2矩阵键盘实物测试 XXI183355.3.3称重托盘以及砝码实物测试 XXI23331结论 XXIII9249参考文献 XXV

第一章引言1.1课题研究目的以及意义从古至今，秤一直都是公平的代名词，时人类在生活的环境中所不可或缺的工具。在以前人们所用的称是由机械杆，秤砣以及秤盘所组成的秤来进行对物体重量的度量，但是随着社会的发展以及技术的进步，现在对于物体重量的度量主要是智能化的电子称。而以前的机械式杆秤已经逐渐的被淘汰了。随着电子称的兴起，因此在各大超市、商场、菜市场以及个体户都是采用电子称来对所卖的物品进行重量的度量，电子秤有很多的方面都比传统的机械称更有优势，比如其具备可视化的数字式显示，让人们一目了然的知道自己所购买物品的重量；可以设置单价，让电子称直接帮忙计算出物品的总价格，这样就不需要售卖者以及消费者再去用计算器计算价格。这样的一个重量称重设备既简单又能更好的的满足人们的需求，因此设计一款电子秤是具体一定的意义的。1.2国内外研究现状在我国，电子秤行业经过了一个漫长的发展历程，主要体现在传统产业和基础行业。数百年来，我国都是以机械秤为主，直到二十世纪90年代，我国的电子秤技术发生了天翻地覆的变化，电子秤界进行了一项“手动改自动、机械改电子”的伟大技术革命REF_Ref29178\r\h。自从电子秤技术改革后，我国的电子秤从传统的机电结合型逐步地发展成现代的全电子秤，而技术装备和巡查试验手段都已达到水平，电子秤制造技术及其应用达到了质的飞跃。比如，电子称重技术也得到了相应的发展，传统的静态称重向动态称重过渡发展，传统的模拟测量向数字测量发展，传统的单参数测量特点向多参数测量发展，尤其是在快速称重和动态称重的研究与发展领域上，出现了在称重仪表、称重元件和动态称重的先进企业REF_Ref29224\r\h，这些企业为我国的电子秤制造业的发展做出了突出的贡献，更在舞台上展现它们的身影，为国家争了光。可是，若从世界工业发达国家角度来看的话，我们与世界电子秤产品的数量和质量都有较大的差距，这些差距往往体现在技术与工艺不够先进、工艺装备落后，开发潜力不足，产品品种单稳定性与可靠性都难以得到保证。从电子秤产品市场发展角度来看的话，主要是受到技术水平的限制，不管是国内市场还是市场，现在的电子秤产品技术含量低，发展市场也是低端市场，这样在一定程度上就制约着我国电子秤产品市场的拓宽。所以，我国的电子秤产业要想在国内市场占有一席之地和在市场具有竞争力REF_Ref29282\r\h，必须要电子秤制造企业以技术为先导，以新产品研发和制造工艺水平为突破口，让我国电子秤技术含量达到水准，继而扩大国内市场和增强在国际市场上的地位REF_Ref29318\r\h。第二章系统结构以及功能介绍2.1功能介绍本章主要介绍电子称的主要组成部分和工作原理，对于硬件设计和软件设计进行简单说明，对电子称的原理进行剖析。其中在硬件设计上面包括文献的查找和对比，结合本课题的设计需求选择性价比最高的硬件部分电路。其中硬件选型对比包括了主控芯片的选取以及声音提示装置的综合对比，最终确定方案。本设计的主要功能就是实现对生活中各种各样的物品进行精确的度量。让人们体会到更加快捷和方便的生活体验。2.2系统方案设计以及工作原理的概述本次设计是以STC89C52为主控制芯片的最小系统，再由电源电路、蜂鸣器驱动电路、LCD显示模块电路、传感器信号检测电路、传感器设备电路以及按键控制电路组成的电子称。当整个系统上电的时候，最小系统初始化完成之后，首先蜂鸣器会响一次提示用户可以开始对物品进行称重操作，同时显示器上也会显示为0。接着根据不同的物品用按键控制输入不同的单价然后再进行称重操作，最终实现对各种各样物品进行称重的功能。其系统整体框图如图2-1所示。图2-1系统整体框图2.3芯片方案的选择与论证本节主要介绍此设计的硬件模块以及芯片的选择与定型。主控芯片的选择是用市面上运用比较广泛的STC89C52单片机。传感器信号处理运放是采用称重专门处理的运放芯片HX711-BF。提示输出选择的是外围电路简单，器件成本低廉，报警效果明显的蜂鸣器。2.3.1主控制器的选择（1）、采用STC89C52芯片的单片机来实现本功能。采用MCS-51单片机来完成本设计要求。这一系列的产品有8051，8031以及8751。其中8051中程序存储器在进行芯片处理时，会增强程序的软件，使之具有其他方面的功能。在系统工作方面，STC89C52芯片有很好的抗干扰能力，低功耗，并且具有范围更加宽广的适合系统工作的温度环境REF_Ref29504\r\h。其I/O引脚紧凑，功能简单，成本低廉，可以实现各种丰富的应用。（2）、选用STM8单片机。STM8单片机是一种8位的单片机，他不仅有着强大的内部结构而且此单片机的封装也非常丰富，对于STM8来说20个引脚使它功能强大，而且高达16MHZ的时钟频率使其可以胜任绝大多数场景REF_Ref29537\r\h。不仅仅有着多个外部中断控制，多个定时器进行输出，而且使用起来还很方便。价格方面也比较低廉。是一款应用非常广泛的的单片机，而且在程序编写方面其可以直接对相关寄存器进行操作。方案3：CPLD单片机MCU选用复杂可编程逻辑器件（CPLD）。由于单器件稳定性高，周边可配置I/O资源丰富CPLD大量应用月电路设计中，CPID有着强大的可扩展功能，数据的输入与输出采用并行的方式来实现，这样可以提高很大的数据吞吐量。高带宽的数据处理同时提高了操作系统的处理速度REF_Ref29573\r\h。因此CPLD在需要大规模数据控制的系统电路设计中应用十分广泛。但是CPLD芯片价位相对比较昂贵，从使用以及经济方面的角度去考虑，不合成本最终无奈放弃了此方案。通过上述单片机芯片的数据对比，并且以结合时代发展，要求创新性，可靠性以及功能的完全实现为出发点。故本设计打算采用STC89C52作为设计的核心芯片是无可厚非的。2.3.2提示装置的选择（1）、采用PAM8403功放芯片。是一种属于D类的功放，其输出功率小，广受大家喜欢。它具有低谐波失真特性和低噪声转换特性，从而使噪声回放具有更好的噪声质量，使用了一种新的结构是通过亿通滤波器与未连接的输出电路进行组合。使其直接使用喇叭，从而减少整个成本不占用空间REF_Ref29619\r\h。（2）、通过蜂鸣器实现报警电路，蜂鸣器频率高，波长比较长，因此能发出刺耳的报警声音REF_Ref29655\r\h。而且电路设计简单，只需要控制蜂鸣器的电源输入即可。性能可靠、稳定性高，而且成本低廉（一元左右），在报警领域有其独到的优势但缺点就是无法播放出音符的效果来。（3）、采用音乐芯片来实现报警输出。音乐芯片是一种语音电路芯片，相对比较简单，其内部由振荡电路和少量分立元件组成，上电后就能产生各种比较简单的音乐信号，配合功放输出，可以用于电子闹钟、音乐贺卡、儿童玩具、电子门铃等场合。其具有电路非常简单，成本比较低廉等优点REF_Ref29694\r\h。但是音乐芯片所发出的声音无法起到报警的作用。综上所述，PAM8403功放模块虽然具备低噪声转换特性能将报警声音的质量提高但是在成本方面会高出很多的预算，而音乐芯片在成本上会比功放要低廉得多但是音乐芯片发出的声音无法起到报警的效果。而蜂鸣器不仅成本低廉同时报警效果也非常明显，因此本设计采用蜂鸣器驱动输出来实现提示的功能。2.4最终的方案确定本次设计采用主控芯片方案中的方案一其在顺应时代的发展以及创新的要求上都能非常可靠的完成并实现设计所需的功能而且具有非常高的性价比；在提示输出模块方案中的方案二蜂鸣器的外围驱动电路简单只要一个MOS管即可而且其成本非常低廉。因此将这些方案相结合构成了以STC89C52单片机为主，其他模块为辅的电子称。

第三章系统硬件设计3.1系统硬件的基本组成本硬件系统在考察了市场上现有的电子称以及学习相关理论知识之后，设计并改良出了一套高效节能、稳定可靠的硬件。在硬件的选择上面，首先做了需求的分析然后从各类器件中选择符合设计要求以及性价比高的电子元器件REF_Ref29769\r\h。本课题研究的硬件设计中主要由以下几个部分组成：单片机控制系统、电源供电电路、蜂鸣器驱动电路、按键控制输入电路、传感器信号处理电路以及LCD1602显示电路组成。这种分模块设计的硬件电路可以极大的方便后期维修和更换，如果出现了硬件问题则可以对故障点的快速定位并及时的解决问题。在后期的PCB设计中充分考虑到各个部分之间的干扰，我们在选器件类型时，考虑到稳定性和器件的安装测试，大部分采用插件形式的封装。其系统的原理图如图3-1所示。图3-1系统原理图3.2各模块的电路设计3.2.1电源供电电路电源供电电路主要是用Mrico-USB供电，DC电压输入范围是5V，经过LDO稳压之后输出3.3V作为单片机电压输入源。LDO输出的电压特点是稳定纹波小抗干扰能力强。因此为了确保单片机能稳定的工作所以在电源供电设计就采用LDO输出供电方式。稳压电源供电电路如图3-2所示。图3-2电源供电电路图3.2.2晶体时钟电路外部的晶体时钟电路主要是由晶体震荡器以及相匹配的起振电容所组成的。石英晶振振荡器是Y1，在系统上电信号十秒之后开始让振荡器起振，这时单片机的时钟XTAL定时器会产生一个5V左右的正弦波信号波形为单片机提供一个工作时钟。当然石英晶振的频率控制了晶振时钟的频率，两者之间进行相互的控制。在实际设备设计和应用中，晶振和起振电容也应尽可能的靠近主MCU控制器的振荡器环路，以避免输出失真和不稳定在启动过程中。其中时钟电路如图3-3所示。图3-3晶体时钟电路图3.2.3按键复位电路按键复位电路的设计是由几个部分所组成，其中包括有机械轻触按键、电阻以及电容。由于选用的单片机的复位引脚是高电平有效的，所以当复位键按下的时候，单片机的RST管脚电平与VCC直接连通，此时引脚会处于高电平状态，该电平持续两个时钟周期后单片机就会进入复位状态。此电路还包含了上电复位的操作，当系统上电的时候，电容会处于缓慢充电的状态，单片机的RST引脚的电平由低向高逐步的进行转化，经过相应的充电时间后（取决于电容的容值），电容完成充电，此时单片机的RST引脚就会处于稳定的高电平状态（“1”），此时单片机完成了上电复位的动作。单片机内部系统的子程序是从第0000H行开始运行。如图3-4复位电路所示。图3-4按键复位电路图3.2.4蜂鸣器驱动电路该电路部分的设计主要是以声音的方式和用户端进行信息交互，其主要是用于提示称重的开始或者称重出现异常的现象等。该电路的控制输入为单片机的P1.2接口，利用NMOS管的开关特性实现对蜂鸣器负极的导通与断开进行控制，从而实现对声音提示的控制。当P1.2为高电平的输入时，蜂鸣器报警提示，反之则蜂鸣器不响。同时当P1.2以固定频率进行高低电平切换时，则可以产生错误提示的作用。声音提示电路如图3-5所示。图3-5蜂鸣器驱动电路图3.2.5按键控制输入电路本次设计主要是采用了4*4的矩阵按键来实现对称重物品的单价设置以及特殊称重处理的设置。矩阵按键和独立按键在软件编程处理的时候是有所不同的，独立按键的判断是在硬件上其每个独立的按键都占用单片机的一个IO端口，而矩阵按键则是通过软件扫描的方式来实现对不同按键值的识别，利用单片机的8个IO端口来实现16个按键的不同功能的设置。其矩阵键盘的连接方式如图3-6所示。图3-6矩阵按键电路图3.2.6LCD1602显示电路在选用显示器件时出于对需求以及性价比的考虑，满足条件的有LCD1602以及8位的数码管REF_Ref29831\r\h。8位的数码管在价格上面更低，但是单片机的引脚不能提供足够的驱动电流，需要外加驱动芯片。而LCD1602显示的内容达到了16*2也就是32个，自带了驱动控制的电路以及一款驱动芯片HD44780。在引脚的占用上来分析，8位的数码管需要占用16个IO口，但是液晶显示屏LCD1602只需要8个数据口加上3个命令口便可以显示我们需要的字符REF_Ref29857\r\h。在综合考虑之后我选择了LCD1602作为显示的模块，应用电路如图3-7所示。图3-7LCD1602显示电路图

第四章系统软件设计4.1软件设计概述软件系统的设计是一个非常重要而又关键的环节，如果一个项目中只完成了硬件部分的设计而没有根据功能需求来编写软件代码的话那硬件就没法运行，而只是作为一个摆设而已。因此软件代码的设计和编写也是至关重要的。在本次的课题研究中，软件代码的设计是运用C语言来编写程序代码的REF_Ref29985\r\h。在编写程序的过程中，首先要先将整个项目的主要框架程序设计好，然后再根据不同的功能需求来设计各个模块的软件程序。在编写各个模块部分的程序时，不仅要求对各部分的子程序进行编写和调试，并完成任务要求功能的所有操作，同事还要尽可能将模块化的程序编写的结构更加的简单、明了，在增加可读性的情况下也方便后续软硬件的联调REF_Ref30004\r\h。4.2主程序的设计本章围绕着此次设计中软件程序进行介绍。本设计的主控制器是用STC89C52DE操作来完成整个系统的功能，其模块化的软件包括有LCD1602显示程序的设计，按键输入控制程序的设计以及蜂鸣器驱动程序的设计。本章主要详细的介绍以上的程序设计，同时将模块化的程序整合之后则就可以完成电子称的功能需求。其系统的主程序设计框图如下图4-1所示。图4-1系统主程序流程图4.3按键输入控制程序的设计本次课题对按键的设计是使用中断扫描的方式来进的。因为在电子称的运用中按键的控制输入比较多，处理0-9十个数字之外还有很多的功能按键值，为了避免在执行按键请求的时候干扰到其他程序的运行，所以本次的按键扫描采用中断的方式来执行。其按键输入中断子程序流程框图如图4-2所示。图4-2按键中断子程序流程图4.4LCD显示程序的设计本课题设计所采用的显示方式是LCD1602液晶显示器来显示各种数据信息。单片机处理后反馈的数据信息都会通过并行的传送方式将数据传送到LCD1602显示器上显示出来。系统上电后，显示屏显示程序默认的数据信息，当初始化完成并执行相应的按键子程序之后，则显示屏就会根据按键的功能值显示更新后的状态数据信。依此循环，达到电子称的实时显示效果。显示中断子程序流程框图如图4-3所示。图4-3显示中断程序流程图

第五章系统实物的制作与调试5.1系统硬件调试系统的硬件调试主要是通过上电后分别对每个硬件模块进行通电测试，确保电源的正常供电，然后在运行相对应的模块软件代码对各模块的功能进行分别测试，从而确定每个硬件模块部分都是正常工作并能实现需要的功能。首先在没有运行软件驱动的情况下，用测试设备对每一个元器件进行电气性能的测试，此测试过程中必须要借助万用表或者其他的测试设备来对焊接好的实物进行功能性检查。然后在硬件元器件完成电气性能测试之后，分别运行各模块驱动程序，对各个功能模块进行调试，在此调试阶段软件程序的模块化设计就可以起到很大的辅助作用了。最后上电测试，运行整个实物的软硬件系统，对系统的整体性能进行验证。调试的流程可以分成两大步，分别是静态调试和动态调试。5.1.1静态测试（1）AIO功能检测，在没有仪器设备的情况此功能只能用眼睛来代替。主要通过肉眼观察看制作好的板子是否存在虚焊、漏焊、以及包焊等现象。同时观察在各元器件之间都是焊接完成。（2）硬件电路非上电测试。首先利用万用表测试电源模块在非上电的情况下电源和地是否存在短路的现象，因为电源的短路会对整个系统造成很大伤害，若在短路的情况下直接上电，则很有可能将整个硬件系统都烧坏。所以在实物焊接完成之后进行非上电测试是非常必要的。利用万用表还可以检测到线路之间是否存在断路或者短路的现象，完成检测之后再给进行上电处理。（3）上电测试。在完成目检电路板和设备电路测试之后，接着进行实物的上电测试检查，通过打开电源上电查看是否可以正常工作，观察各个元器件工作是否有异常情况，接着使用电表测量电压是否正常。在电源输出没有问题的情况下再分模块的进一步调试硬件功能。（4）整体性能检查。利用测试或仿真软件对整体硬件功能以及性能进行检查调试，看功能是否都得以实现，接着看性能是否达到要求。在调试过程中，如果反馈功能有问题，需要继续根据问题现象调试程序，反复进行查找问题所在，直到实现所有功能。5.1.2动态测试在静态调试实物都能正常工作的情况下，再进行动态调试。在系统进行动态测试前，需要对设备做进一步的最后检查确认，对每一个器件或模块的工作状态进行检测，确保每一个元器件的测试结果都满足实现系统功能的要求。这一工作步骤主要是为了防止某个元器件因为某些特殊的原因而发生内部损坏，从而影响到整个系统的性能。在确认所有元器件都运行完好且能达到系统所需的功能后，加载运行编译好的程序软件进行系统功能测试。5.2系统软件调试软件代码的编写以及调试的步骤主要有以下几点。（1）首先打开Keil5的软件，并创建一个工程项目将其命名为“电子称”。单击菜单栏中的“project”，然后点击新建“Newproject”，接着输入新建工程名“电子称”，最后点击保存即可完成软件工程的新建操作。（2）在新建的对话框中编辑软件程序代码，将之前设计的各个功能模块函数导入到对话框中，编辑完成之后将其保存在之前新建的“电子称”工程下，命名为“电子称.c”文件，到这个步骤的时候则代表着源码.C文件已经创建完成。（3）程序的编译和调试：首先单击菜单栏中的“Build”按钮，将各个不同模块设计的函数代码进行链接，链接完成且没有错误的情况下再次点击菜单栏中的“Rebuild”按钮，此时系统会对整个系统代码进行编译，等待一定时间后编译完成，此时也会自动生成可执行的.hex文件。此时在输出窗口中就能看到编译的结果，如果窗口的内容提示信息里面有错误信息error的话则需要双击错误的信息就会自动跳转到出现错误代码的位置，此时只要将其修改正确即可再次进行编译，知道运行结果中没有error为止，如图5-1所示。图5-1提示信息无错误（4）如图13所示其信息表明该软件程序的编译已经完全没有问题，因此可以对硬件电路进行软件程序的烧录。烧录完成后根据各模块的功能检测看能否满足本次课题设计的功能需求。（5）同时在软件调试的过程中，可以利用软件的在线仿真功能进行软件调试。首先是利用断点的方式对程序进行分步调试，在实现每个部分的功能后再进行整体化的调试和融合，最终实现整个电子称的所有功能。5.3实物测试整个系统主要是由STC89C52主控单片机最小系统，电源供电电路模块，蜂鸣器提示电路模块，LCD1602显示器模块，矩阵按键控制模块以及称重传感器信号处理模块等构成。本系统的测试中主要就是就行实物测试。将整个硬件系统平放在水平桌面上然后将要称重的物品放置在托盘上实行称重操作。其实物如图5-2所示。图5-2系统硬件实物图5.3.1LCD1602实物测试LCD1602是本次设计的显示模块，其主要是用来显示实际称重的重量值。当在称重托盘上放置不一样重量的砝码则可以通过LCD1602显示屏将实际的数据实时显示出来。这样可以让人们在使用的时候更加直观的观察到物体的实际重量。其实物图如图5-3所示。图5-3LCD1602显示屏实物图5.3.2矩阵键盘实物测试对于电子秤的设计在数据输入处理的时候会有很多的方式，本次设计主要是采用矩阵键盘的形式来作为按键的控制输入。按键的功能主要包含了单价的计算、净重处理等等。同时还能设置不同物种所对应的价格设置。其实物图如图5-4所示。图5-44*4矩阵键盘实物图5.3.3称重托盘以及砝码实物测试本次设计的称重托盘是采用圆形的亚克力来实现托物称重的，托盘的下面是一款悬臂梁式的称重传感器，物品是通过放置在托盘上，然后由称重传感器将模拟信号转换成数字信号后传送给到主控单片机，最后经过单片机对数据的处理之后送往LCD显示器进行显示，从而实现电子称的功能。其称重托盘以及校准砝码实物如图5-5所示。图5-5称重托盘以及砝码实物图结论本次课题的研究在设计和制作电子称的过程中，我发现了一个最为关键的事实那就是实践才是理论应用的最佳验证方式。本次设计是对我在大学所学习的知识进行全面的检查和考核。与此同时还能让我在实践的过程中发现自己的不足从而让自己去改正并做到理论知识的更好应用。本次设计主要用到了模拟电子技术，数字电子技术，单片机控制技术等方面的知识。主要是基于STC89C52的电子称设计与实现。具体的研究内容如下。完成了硬件系统电路模块的设计。其具体包括电源供电电路的设计，蜂鸣器驱动模块电路的设计，称重传感器信号处理模块电路