基于AT89s52单片机设计的电子秤原理及实现方法

基于51的电子秤摘要本文描述了基于AT89s52单片机设计的电子秤原理及实现方法。该系统由51单片机的改良版52单片机控制，通过液晶屏自动显示所称物体的重量。其电路构成主要有测量电路，差动放大电路，A/D转换，单片机控制电路、显示电路。测量电路利用电阻式应变器件将物体的重量信号转化成相应大小的电信号，通过差动放大电路将电信号放大到AD芯片能够识别的范围内从而能将电信号转换成对应的数字信号送给单片机处理，最终在液晶上显示所称物体的重量，系统通过软件实现自动换挡。发挥部分的显示购物清单的功能，可以设置日期和设定十种商品的单价，还具有超量程和欠量程的报警功能。整个系统结构简单，使用方便，功能齐全，精度高，具有一定的开发价值。关键词：称重传感器差分放大器模数转换器、Basedon51electronicsaysAbstractThisarticledescribesthedesignofAT89s52microcontrollerbasedelectronicscaletheoryandimplementationmethods.Thesystemconsistsof51single-chipmicroprocessorcontrolimprovedversion52,theLCDdisplaysthatobjectautomatically.Itscomponentsaremeasuringcircuit,differentialamplifiers,A/dconversion,themicrocomputercontrolcircuit,showcircuit.ThemeasuringcircuitusingresistancestraintheweightofthedeviceobjectintotheappropriatesignalstothesizeoftheelectricalsignalsthroughthedifferentialamplifierwillsignalamplificationtoADchipcanidentifyscopesothattheycouldbeanelectricalsignalintoadigitalsignalcorrespondingtothehandletotheSCMintheLCDdisplaythattheweightoftheobject,thesystemautomaticallybysoftwareimplementation.Throughdebugging,andtesting,systemperformanceparametersbasicdesignindex.KeywordsWeighingsensorscelldifferentialamplifier目录引言 1第一章设计任务要求与方案设计论证 2第二章、电子元器件的选取与各硬件模块的具体实现方案 5第三章、系统软件设计 10第四章、系统调试 13结论 16参考文献 17致谢 18附录：原器件清单 19引言用电子秤称重的过程是把被测物体的重量通过传感器转换成电压信号。由于这一信号通常都很小，需要进行放大，放大后的模拟信号经模/数变换转换成数字量，再通过显示器显示出重量。由于被测物体的重量相差较大，根据不同的测量范围要求，可由电路自动切换量程，同时显示器的小数点数位对应不同量程而变化，即可实现电子秤的要求。随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，在本设计中将智能化、自动化、人性化用在了电子秤重的控制系统中。本系统主要由单片机来控制，测量物体重量部分由称重传感器及A/D转换器组成，加上显示单元，此电子秤俱备了功能多、性能价格比高、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。第一章设计任务要求与方案设计论证1.1设计任务1测量范围三档：0~1.999kg、0~19.99kg、0~199.9kg三档分别精确到1g、10g、100g2显示采用LCD或数码管，数显被测重量，小数点对应不同量程显示。3精度尽量高1.2选题背景与意义电子秤是日常生活中常用的电子衡器，广泛应用于超市、大中型商场、物流配送中心。电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。相比传统的机械式称量工具，电子秤具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点，在外形布局、工作原理、结构和材料上都是全新的计量衡器。电子秤的设计首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。目前市场上使用的称量工具，或者是结构复杂，或者运行不可靠，且成本高，精度稳定性不好，调正时间长，易损件多，维修困难，装机容量大，能源消耗大，生产成本高。而且目前市场上电子秤产品的整体水平不高，部分小型企业产品质量差且技术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，有针对性地开发出一套有实用价值的电子秤系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善电子秤系统在应用中的不足之处，具有现实意义。1.3技术指标当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力－电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成正比关系)的电信号(电压或电流等)。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数（A/D）转换器进行转换，单片机对转换后的数字信号进行必要的判断、分析，再送到显示电路。电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有：量程、分度值、分度数、准确度等级等。（1）量程：电子衡器的最大称量Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大值。（2）分度值：电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值，用e或d来表示。（3）分度数：衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用n表示，电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积来表示，即：Max=n•d。通过秤重电桥产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入A/D转换芯片TCL2543进行A/D转换，由于此芯片可直接用于数字显示，故转换后的数字量直接用数码显示器进行显示。此方案的优点是外部电路非常简单，能实现较高的精度。缺点是无法对A/D转换进行控制。显示电路A/D转换电路放大电路数据采集电路显示电路A/D转换电路放大电路数据采集电路图1.4方案一方框图通过称重电桥产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入A/D转换芯片进行数据转换，再将得到的数字信号送至单片机进行处理并送入液晶显示。此方案的优点是可控制性好，电路简单，原理思路清晰，液晶的硬件电路也比数码管简单,且技术领先于数码管,能提高产品档次，采用单片机对采集的数据稍加处理,能通过软件在一定程度上弥补与调试硬件所无法避免的数据抖动，使最终所测得的数据更可靠、参考性更强，而且单片机的价钱也不算昂贵，在设计组所能承受的范围之内。所以综合各方面条件我们选择方案二作为最终设计方案。其中自动换挡部分采用软件实现。单片机自动换挡电路显示电路AD转换放大电路数据采集电路单片机自动换挡电路显示电路AD转换放大电路数据采集电路图2.2

方案二方框图第二章电子元器件的选取与各硬件模块的具体实现方案2.1电子元器件的选取基于原理上的考虑，四级换挡每一级别的换挡原理完全一样，加之能承受大重量的传感器价格过高无法承受，所以我们选用量程为3kg的小型称重传感器以实现一二级别档位的自动转换，另两档位在传感器满足条件的情况下可按同样的方式实现，所以该改动对设计的考察范围影响不大。市场上有已成形的集成运算放大器，如AD620仪用放大器能直接用于该设计的放大部分，且集成芯片相对于自己用单运放搭接的运放电路具有更稳定的性能，误差更小；但集成运算放大器价格相对较高，而且自己搭接的运放电路其误差范围已经基本满足本设计的要求，所以我们选取OP07单运放搭接差分运算放大器的方式，同时一定程度上锻炼了模拟电路的实践能力。根据本课题的要求，要满足最低档位的分辨率，必须选取位数较高的A/D芯片，串行的TLC2543芯片驱动程序相对并行A/D复杂一点，但根据市场零售价格比较，该芯片是满足要求的最便宜的芯片，本着开发项目尽量缩减成本的原则我们最终选取了该芯片。选取smc1602aLCM系统硬件以OP07为核心，包括电源模块、数据采集及放大模块、A/D转换模块、自动换档模块、数码管显示模块。2.2硬件模块的具体实现方案3kg称重传感器能承受的激励电压为5～10V，运放电路要求正负9V电源。稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成图4.1

图4.1电源方框及波形图

A整流和滤波电路：整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。B稳压电路：由于得到的输出电压U4受负载、输入电压和温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压U0。集成三端稳压芯片LM7805具有比较高的精确度，加上电容的滤波，对电路可以提供比较稳定的电压。图2.2中电路提供的+5V电源主要用于电桥数据采集、给A/D（TCL2543）供电、液晶显示；+9V电源用于给LM336基准源供电、信号放大电路、；-5V为OP07参考电压和用于调零电路。由于要求输出的电流最大值为2000mA，而且取样电阻为1欧所以要求TCL2543输出的电压至少为2伏，通过计算-5伏的电压足够实现上述要求。图2.2电源原理图电阻应变式传感器就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化,再经相应的测量电路而最后显示或记录被测量值的变化。在这里，我们用电阻应变式传感器作为测量电路的核心。并应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度。电阻应变式称重传感器是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，然后以适当方式组成电桥的一种将力（重量）转换成电信号的传感器。电阻应变式称重传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件：利用它将被测的重量转换为弹性体的应变值；另一个是电阻应变计：它作为传感元件将弹性体的应变，同步地转换为电阻值的变化。电阻应变片所感受的机械应变量一般为，随之而生的电阻变化率也大约在数量级之间。这样小的电阻变化用一般测量电阻的仪表很难测出，必须采用一定形式的测量电路将微小的电阻变化率转变成电压或电流的变化，才能用二次仪表显示出来。在电阻应变式称重传感器中通过桥式电路将电阻的变化转换为电压变化。电阻应变式称重传感器工作原理框电压输出测量电桥电阻变化ΔR应变片应变ε电压输出测量电桥电阻变化ΔR应变片应变ε敏感元件载荷P图4-2-1电阻应变式称重传感器工作原理框图目前的电子称重装置大都使用电阻应变桥式传感器,其核心是由电阻应变计(应变片)构成的电桥电路,这类传感器具有成本低、精度高且温度稳定性好的特点。但其检测原理决定该类传感器输出电压低,要经过差分放大电路放大数百倍才能用于A/D转换。一般说来，传感器输出的电压值都非常小，基本上都是毫伏级甚至微伏级。在设计高精度电子秤时，需要外部放大电路来获得足够的增益。仪表仪器放大器的选型很多，我们这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大器，就是典型的差动放大器。它只需高精度OP07和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放大器。广泛应用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量等数字采集的系统中。OP07参数：(1)低的输入噪声电压幅度—0.35μVP-P(0.1Hz～10Hz)(2)极低的输入失调电压—10μV(3)极低的输入失调电压温漂—0.2μV/℃(4)具有长期的稳定性—0.2μV/MO(5)低的输入偏置电流—±1nA(6)高的共模抑制比—126dB(7)宽的共模输入电压范围—±14V(8)宽的电源电压范围—±3V～±22VOP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。+—8OffsetNull25N.C.6Output7Vcc+Vcc-4InvertingInput2Non-invertingInpute3OffsetNull1+—8OffsetNull25N.C.6Output7Vcc+Vcc-4InvertingInput2Non-invertingInpute3OffsetNull1OP07芯片引脚功能说明：1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚6为输出，7接电源+。本设计中差动放大电路结构图如下：推导过程：I=Vo=(R8+R7+R8)I=(1+)Vi，则Avf=1+在实际的测量和控制系统中检测到的常是时间、数值都连续变化的物理量，这种连续变化的物理量称之为模拟量，与此对应的电信号是模拟电信号。模拟量要输入到单片机中进行处理，首先要经过模拟量到数字量的转换，单片机才能接收、处理。实现模/数转换的部件称A/D转换器或ADC。随着大规模集成电路技术的飞速发展和电子计算机技术在工程领域的广泛应用，为满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同、性能各异的A/D转换电路不断产生。常用的几种A/D类型：积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。12位分辨率、10μs转换时间、11个模拟输入通道、采样率为66kbps；1110I/OCLOCKDATAOUTDATAINPUT+5V1420AIN10AIN9AIN8AIN7AIN6AIN5AIN2AIN4AIN3AIN1AIN0MCS-51P1.0P1.1P1.2P1.3TCL25431110I/OCLOCKDATAOUTDATAINPUT+5V1420AIN10AIN9AIN8AIN7AIN6AIN5AIN2AIN4AIN3AIN1AIN0MCS-51P1.0P1.1P1.2P1.3TCL2543第三章系统软件设计软件设计需要有一个细致全面的过程，一般须先清楚的列出电子秤各部分电路与软件设计的有关特点，并进行定义说明，以作为软件设计的根据。在此基础上画出软件的功能流程图，程序流程图，再根据程序流程图用汇编语言或高级语言写出。本次设计采用C语言编写。3.1电子秤的信号处理流程电子秤要求有及时数据采集、处理、存结果、送显示的运行过程。根据这一要求，电子秤的信息测量与处理分三个阶段：（1）在微处理器的控制下，经传感器转换的电压信号通过输入电路送A/D转换器处理，变为相应的数字量，存入到数据存储器中。（2）微处理器对采集的测量数据进行必要的数据处理。（3）显示处理结果，把数据信号处理为显示及记录所要求的信号格式，通过输出接口电路输出并显示与记录。其信息处理的流程图如下图：输出接口（驱动显示）记录显示用数据数据处理数据存储输入接口数据采集输出接口（驱动显示）记录显示用数据数据处理数据存储输入接口数据采集3.2软件流程图为了方便程序调试和提高可靠性，程序设计采用自上而下、模块化、结构化的程序设计方法，把总的编程过程逐步细分，分解成一个个功能模块，每个功能模块相互独立，每个模块都能完成一个明确的任务，实现某个具体的功能。本设计按任务模块划分的程序主要有初始化程序、主程序，A/D转换子程序、显示子程序。(一)初始化程序设计：单片机系统上电后，进入初始化程序，完成单片机片内各模块的设置和A/D转换器的功能设置初始化，然后进入主程序。（二）主程序设计单片机完成初始化程序后进入主程序，主程序主要完成对存储参数的读取，对检测到的数据进行数据处理，显示处理等。NY送入液晶显示显示无称重状态开始判断单片机是否处理完A/D数据液晶初始化NY送入液晶显示显示无称重状态开始判断单片机是否处理完A/D数据液晶初始化（三）信号采样与A/D转换子程序的设计连续读20次数据求平均值将二进制数据与对应的最小重量分辨率相乘得到最终对应重量等待送去显示数据清零等待送去显示减去无重物数据得到重物实际对应数据判断数据是否为无重物数据读入A/D数据（4）连续读20次数据求平均值将二进制数据与对应的最小重量分辨率相乘得到最终对应重量等待送去显示数据清零等待送去显示减去无重物数据得到重物实际对应数据判断数据是否为无重物数据读入A/D数据第四章系统调试4.1调试要求（1）首先在秤体无负载时确保显示器准确显示零。（2）然后秤台上放置不同量程内的重物，观察显示器是否准确显示重量，如有偏差，采样十五次求平均值。（3）零位稳定是影响电子秤精度非常重要的因素，因受温度或其它因素影响将引起零位不稳定，这种现象称为零漂。由于零漂的影响，零输入信号时，输出可能不为零，为消除这个零位漂移值，采用零位补偿技术，零位补偿就是把这个零位漂移值储存起来，每一数据采集时减去这个数值，得到的数值就是消除零漂的有效信号。4.2具体调试1检定：为评定电子秤的计量性能，确定其是否符合法定要求所进行的全部工作。2首次检定：对从未检定过的电子秤所进行的检定。3随后检定：A周期检定；B修理后的检定；C新投入强制检定的电子秤使用前申请的检定；D周期检定有效期未到前的检定。该检定通常是根据被检单位或使用者的要求，或是由于某种原因印封或签封失效；4使用中检定：检验使用中的电子秤是否符合计量检定规程的要求，是否处于良好的工作状态，使用是否正确可靠。通常使用中检验是一种监督性的检验。二计量和技术要求1中准确度等级Ⅲ2检定分度值检定分度值与实际分度值相等，即e=d例如，我们使用的15Kg条码电子秤的分度值e=5g3检定分度数N=满量程/分度值例如，我们使用的15Kg条码电子秤的分度数n=15000g/5g=30004检定中最大允许误差：（1）首次检定和大修后电子秤的最大允差最大允许误差检定质量m称重传感器称重传感器L-PSIII滤波电路放大器AD620A/D转换器ICL7135AT89S52单片机片外数据存储器62256（32K）键盘控制芯片ZZLG728964键键盘带有中文字库的点阵式128x64型的LCDOOCM4X8C数据采集部分人机交互界面单片机控制模块结论主要工作及结论，熟悉AT89S52芯片的功能及工作特性，掌握其接口扩展方法。通过对数据采集的分析，了解了各种传感器、放大器及A/D转换器，对信号的转换、传输有了更深的认识。对键盘和显示器进行选型比较，得出各种型号优劣比。采用面向对象的思想，分层次、分模块构建设计的总体框架。电子电路的设计中对各种影响因素的考虑不够完全，比如在对过电压情况的处理中未作防范措施。系统设计不够优化，有待改善。比如系统的超量程和欠量程信号直接由A/D转换器送入报警电路，没有先送入单片机处理后再送入报警电路。可扩展更多电路，如日历时钟电路、通讯接口电路等。日历时钟电路可以显示购货日期，通讯接口电路可以与上位机（PC机）进行通讯，从而将大量的商品数据存于上位机，然后通过串口或并口通讯与电子称相连，达到远距离控制的目的。对各种实用芯片价格了解不够，选择上任有欠缺，如所选的称重传感器价格较贵，达好几百元。动手能力不强，电子秤的实物没能最终实现。这些都是我以后要继续研究的内容。参考文献【1】《51单片机自学笔记》，北京航空航天大学出版社，2010年1月【2】《C程序设计》，清华大学出版社，1999年12月【3】《电子技术基础模拟部分》，高等教育出版社，2006年1月【4】《电子技术基础数字部分》，高等教育出版社，2006年1月【5】《电子技术基础》，数字部分．高等教育出版社，1998致谢感谢我的导师刘旭老师，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。经过几个月的努力，终于按照毕业设计进度要求如期完成了实用电子秤控制系统的硬件设计任务。在做毕业设计的过程中，虽然碰到了不少的困难，但是在刘旭老师的指导以及自己的努力下，终于取得了一定成果。这片论文的每个实验细节和每个数据，都离不开他的细心指导。而他开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很快的融入我们这个新课题本研究及学位论文是在我的导师刘旭老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，刘旭老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。附录：原器件清单DescriptionDesignatorFootprintLibRefQuantityCapacitorC1RAD-0.3Cap1CapacitorC2RAD-0.3Cap1CapacitorC3RAD-0.3Cap1CapacitorC4RAD-0.3Cap1CapacitorC5RAD-0.3Cap1CapacitorC6RAD-0.3Cap1PolarizedCapacitor(Radial)C7RB7.6