基于AT89s52單片機設計的電子秤課程設計

1、目錄摘要-一、設計任務與要求- 1.1設計任務- 1.2設計思路- 1.3技術指標- 1.3.1電子秤工作原理-1.3.2電子秤的計量性能-二、方案設計與論證-2.1方案一- 2.1方案二-三、電子元器件的選取-3.1傳感器的選擇-3.2運算放大器的選擇-3.3模數(shù)轉換(a/d)芯片的選取-3.4液晶的選擇-四、各硬件模塊的具體實現(xiàn)方案-4.1電源模塊- 4.1.1 電源原理- 4.1.2 電源電路圖- 4.2傳感器模塊- 42. 1電阻應變式稱重傳感器原理- 4.3、差動放大電路- 4.3.1儀表儀器放大器的選擇- 4.3.2差動放大電路圖- 4.4、a/d轉換- 4.4.1 a/d轉換器的

2、選擇- 4.4.2 tlc2543主要性能參數(shù)- 4.4.3 tlc2543封裝形式及各管腳功能- 4.4.4 實際硬件電路連接圖-五、系統(tǒng)軟件設計-5.1電子秤的信號處理流程-5.2軟件流程圖-六、系統(tǒng)調試- 61調試過程- 七、系統(tǒng)功能-八、實際總結-九、參考文獻-十、附錄-摘 要本文描述了基于at89s52單片機設計的電子秤原理及實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)由51單片機的改良版52單片機控制，通過液晶屏自動顯示所稱物體的重量。其電路構成主要有測量電路，差動放大電路，a/d轉換，單片機控制電路、顯示電路。測量電路利用電阻式應變器件將物體的重量信號轉化成相應大小的電信號，通過差動放大電路將電信號放大到a

3、d芯片能夠識別的范圍內從而能將電信號轉換成對應的數(shù)字信號送給單片機處理，最終在液晶上顯示所稱物體的重量，系統(tǒng)通過軟件實現(xiàn)自動換擋。經調試和測試，系統(tǒng)各項性能參數(shù)基本達到設計指標。 關鍵詞：稱重傳感器、差分放大器、模數(shù)（ad）轉換器、at89s52單片機、1602液晶、 自動換擋。abstractthis article describes the design of at89s52 microcontroller based electronic scale theory and implementation methods. the system consists of 51 single-

4、chip microprocessor control improved version 52, the lcd displays that object automatically. its components are measuring circuit, differential amplifiers, a/d conversion, the microcomputer control circuit, show circuit. the measuring circuit using resistance strain the weight of the device object i

5、nto the appropriate signals to the size of the electrical signals through the differential amplifier will signal amplification to ad chip can identify scope so that they could be an electrical signal into a digital signal corresponding to the handle to the scm in the lcd display that the weight of t

6、he object, the system automatically by software implementation. through debugging, and testing, system performance parameters basic design index.keywords: weighing sensors cell differential amplifier module(a /d)converter 1602 lcd mcu automatic shift.一、設計任務與要求1.1設計任務1設計一個數(shù)字電子秤，測量范圍分成四檔，01.999kg、019.

7、99kg、0199.9kg、01999kg。2用數(shù)字顯示被測重量，小數(shù)點位置對應不同的量程顯示。3具有量程自動切換功能。1.2設計思路用電子秤稱重的過程是把被測物體的重量通過傳感器轉換成電壓信號。由于這一信號通常都很小，需要進行放大，放大后的模擬信號經模/數(shù)變換轉換成數(shù)字量，再通過顯示器顯示出重量。由于被測物體的重量相差較大，根據(jù)不同的測量范圍要求，可由電路自動切換量程，同時顯示器的小數(shù)點數(shù)位對應不同量程而變化，即可實現(xiàn)電子秤的要求。1.3技術指標1.3.1電子秤工作原理當被稱物體放置在秤體的秤臺上時，其重量便通過秤體傳遞到稱重傳感器，傳感器隨之產生力電效應，將物體的重量轉換成與被稱物體重量成

8、一定函數(shù)關系(一般成正比關系)的電信號(電壓或電流等)。此信號由放大電路進行放大、經濾波后再由模/數(shù)（a/d）轉換器進行轉換，單片機對轉換后的數(shù)字信號進行必要的判斷、分析，再送到顯示電路。1.3.2電子秤的計量性能 電子秤的計量性能涉及的主要技術指標有：量程、分度值、分度數(shù)、準確度等級等。 （1）量程：電子衡器的最大稱量max，即電子秤在正常工作情況下，所能稱量的最大值。 （2）分度值：電子秤的測量范圍被分成若干等份，每份值即為分度值，用e或d來表示。 （3）分度數(shù)：衡器的測量范圍被分成若干等份，總份數(shù)即為分度數(shù)用n表示， 電子衡器的最大稱量max可以用總分度數(shù)n與分度值d的乘積來表示，即：m

9、ax=n d。二、方案設計與論證2.1方案一通過秤重電橋產生電壓信號，經放大電路把信號放大后輸入a/d轉換芯片tcl2543進行a/d轉換，由于此芯片可直接用于數(shù)字顯示，故轉換后的數(shù)字量直接用數(shù)碼顯示器進行顯示。此方案的優(yōu)點是外部電路非常簡單，能實現(xiàn)較高的精度。缺點是無法對a/d轉換進行控制。顯示電路a/d轉換電路放大電路數(shù)據(jù)采集電路圖2.1 方案一方框圖2.2方案二通過稱重電橋產生電壓信號，經放大電路把信號放大后輸入a/d轉換芯片進行數(shù)據(jù)轉換，再將得到的數(shù)字信號送至單片機進行處理并送入液晶顯示。此方案的優(yōu)點是可控制性好，電路簡單，原理思路清晰，液晶的硬件電路也比數(shù)碼管簡單,且技術領先于數(shù)碼管

10、,能提高產品檔次，采用單片機對采集的數(shù)據(jù)稍加處理,能通過軟件在一定程度上彌補與調試硬件所無法避免的數(shù)據(jù)抖動，使最終所測得的數(shù)據(jù)更可靠、參考性更強，而且單片機的價錢也不算昂貴，在設計組所能承受的范圍之內。所以綜合各方面條件我們選擇方案二作為最終設計方案。其中自動換擋部分采用軟件實現(xiàn)。單片機自動換擋電路顯示電路ad轉換放大電路數(shù)據(jù)采集電路圖2.2 方案二方框圖三、電子元器件的選取3.1傳感器的選擇：基于原理上的考慮，四級換擋每一級別的換擋原理完全一樣，加之能承受大重量的傳感器價格過高無法承受，所以我們選用量程為3kg的小型稱重傳感器以實現(xiàn)一二級別檔位的自動轉換，另兩檔位在傳感器滿足條件的情況下可按

11、同樣的方式實現(xiàn)，所以該改動對設計的考察范圍影響不大。3.2運算放大器的選擇市場上有已成形的集成運算放大器，如ad620儀用放大器能直接用于該設計的放大部分，且集成芯片相對于自己用單運放搭接的運放電路具有更穩(wěn)定的性能，誤差更??；但集成運算放大器價格相對較高，而且自己搭接的運放電路其誤差范圍已經基本滿足本設計的要求，所以我們選取op07單運放搭接差分運算放大器的方式，同時一定程度上鍛煉了模擬電路的實踐能力。3.3模數(shù)轉換(a/d)芯片的選取根據(jù)本課題的要求，要滿足最低檔位的分辨率，必須選取位數(shù)較高的a/d芯片，串行的tlc2543芯片驅動程序相對并行a/d復雜一點，但根據(jù)市場零售價格比較，該芯片是

12、滿足要求的最便宜的芯片，本著開發(fā)項目盡量縮減成本的原則我們最終選取了該芯片。3.4顯示器的選擇 選取smc1602a lcm點陣型液晶對單片機處理過后的數(shù)據(jù)進行顯示。四、各硬件模塊的具體實現(xiàn)方案系統(tǒng)硬件以op07為核心，包括電源模塊、數(shù)據(jù)采集及放大模塊、a/d轉換模塊、自動換檔模塊、數(shù)碼管顯示模塊。4.1電源模塊3kg稱重傳感器能承受的激勵電壓為510v，運放電路要求正負9v電源。4.1.1 電源原理穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成，如圖4.1 圖4.1 電源方框及波形圖a、 整流和濾波電路：整流作用是將交流電壓u2變換成脈動電壓u3。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動

13、電壓u3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓u4。b、 穩(wěn)壓電路：由于得到的輸出電壓u4受負載、輸入電 壓 和 溫度的影響不穩(wěn)定，為了得到更為穩(wěn)定電壓添加了穩(wěn)壓電路，從而得到穩(wěn)定的電壓u0。4.1.2 電源電路圖集成三端穩(wěn)壓芯片lm7805具有比較高的精確度，加上電容的濾波，對電路可以提供比較穩(wěn)定的電壓。圖2.2中電路提供的+5v電源主要用于電橋數(shù)據(jù)采集、給a/d（tcl2543）供電、液晶顯示；+9v電源用于給lm336基準源供電、信號放大電路、；-5v為op07參考電壓和用于調零電路。由于要求輸出的電流最大值為2000ma，而且取樣電阻為1歐所以要求tcl2543輸出的電壓至少為

14、2伏，通過計算-5伏的電壓足夠實現(xiàn)上述要求。圖2.2電源原理圖4.2傳感器模塊電阻應變式傳感器就是將被測物理量的變化轉換成電阻值的變化 , 再經相應的測量電路而最后顯示或記錄被測量值的變化。在這里，我們用電阻應變式傳感器作為測量電路的核心。并應根據(jù)測量對象的要求，恰當?shù)剡x擇精度和范圍度。42. 1.電阻應變式稱重傳感器原理電阻應變式稱重傳感器是把電阻應變計粘貼在彈性敏感元件上，然后以適當方式組成電橋的一種將力（重量）轉換成電信號的傳感器。 電阻應變式稱重傳感器包括兩個主要部分，一個是彈性敏感元件：利用它將被測的重量轉換為彈性體的應變值；另一個是電阻應變計：它作為傳感元件將彈性體的應變，同步地轉

15、換為電阻值的變化。電阻應變片所感受的機械應變量一般為 ，隨之而生的電阻變化率也大約在數(shù)量級之間。這樣小的電阻變化用一般測量電阻的儀表很難測出，必須采用一定形式的測量電路將微小的電阻變化率轉變成電壓或電流的變化，才能用二次儀表顯示出來。在電阻應變式稱重傳感器中通過橋式電路將電阻的變化轉換為電壓變化。電阻應變式稱重傳感器工作原理框圖如圖4-2-1所示： 應變輸出測量電橋電阻變化r應變片敏感元件電壓載荷p 圖4-2-1電阻應變式稱重傳感器工作原理框圖當傳感器不受載荷時，彈性敏感元件不產生應變，粘貼在其上的應變片不發(fā)生變形，阻值不變，電橋平衡，輸出電壓為零；當傳感器受力時，即彈性敏感元件受載荷p時，應

16、變片就會發(fā)生變形，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，有輸出電壓。 電阻應變式稱重傳感器橋式測量電路如圖4-2-2所示： 4-2-2 橋式測量電路 r1、r2、r3、r4為4個應變片電阻，組成了橋式測量電路，rm為溫度補償電阻，e 為激勵電壓，v為輸出電壓。若不考慮rm，在應變片電阻變化以前，電橋的輸出電壓為：由于橋臂的起始電阻全等，即r1 = r2 = r3 = r4 = r，所以v=0 。 當應變片的電阻r1、r2、r3、r4變成r+r1、r+r2、r+r3、r+r4時，電橋的輸 出電壓變?yōu)椋?通過化簡，上式則變?yōu)椋阂簿褪钦f，電橋輸出電壓的變化與各臂電阻變化率的代數(shù)和成正比。 如果四個橋臂應變片的

17、靈敏系數(shù)相同，且，則上式又可寫成：式中k為應變片靈敏系數(shù)，為應變量。 上式表明，電橋的輸出電壓和四個轎臂的應變片所感受的應變量的代數(shù)和成正比。在電阻應變式稱重傳感器中，4個應變片分別貼在彈性梁的4個敏感部位，傳感器受力作用后發(fā)生變形。在力的作用下，r1、r3被拉伸，阻值增大，r1、r3正值，r2、r4被壓縮，阻值減小，r2、r4為負值。再加之應變片阻值變化的絕對值相同，即： r1 = r3 = + r或1 = 3 = + r2 = r4= - r或2 = 4 = - 因此：令，則，su稱為傳感器系數(shù)或傳感器輸出靈敏度。圖1.2-3應變式傳感器安裝示意圖4.3、差動放大電路 目前的電子稱重裝置大

18、都使用電阻應變橋式傳感器,其核心是由電阻應變計(應變片)構成的電橋電路,這類傳感器具有成本低、精度高且溫度穩(wěn)定性好的特點。但其檢測原理決定該類傳感器輸出電壓低,要經過差分放大電路放大數(shù)百倍才能用于a/d轉換。一般說來，傳感器輸出的電壓值都非常小，基本上都是毫伏級甚至微伏級。在設計高精度電子秤時，需要外部放大電路來獲得足夠的增益。4.3.1儀表儀器放大器的選擇儀表儀器放大器的選型很多，我們這里介紹一種用途非常廣泛的儀表放大器，就是典型的差動放大器。它只需高精度op07和幾只電阻器，即可構成性能優(yōu)越的儀表用放大器。廣泛應用于工業(yè)自動控制、儀器儀表、電氣測量等數(shù)字采集的系統(tǒng)中。op07參數(shù)：1) 低

19、的輸入噪聲電壓幅度0.35 vp-p (0.1hz 10hz)2) 極低的輸入失調電壓10 v3) 極低的輸入失調電壓溫漂0.2 v/ 4) 具有長期的穩(wěn)定性0.2 v/mo5) 低的輸入偏置電流 1na6) 高的共模抑制比126db7) 寬的共模輸入電壓范圍14v8) 寬的電源電壓范圍 3v 22vop07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于op07具有非常低的輸入失調電壓，所以op07在很多應用場合不需要額外的調零措施。op07同時具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點，這種低失調、高開環(huán)增益的特性使得op07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。

20、芯片封裝如下圖：+8 offset null25 n.c.6 output7 vcc+vcc- 4inverting input 2non-inverting inpute 3offset null 1op07芯片引腳功能說明：1和8為偏置平衡(調零端)，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳 6為輸出，7接電源+ 。4.3.2差動放大電路圖：本設計中差動放大電路結構圖如下：推導過程：i=vo=(r8+r7+r8)i=(1+)vi，則avf=1+4.4、a/d轉換在實際的測量和控制系統(tǒng)中檢測到的常是時間、數(shù)值都連續(xù)變化的物理量，這種連續(xù)變化的物理量稱之為模擬量，與此對應的電信號是模擬電

21、信號。模擬量要輸入到單片機中進行處理，首先要經過模擬量到數(shù)字量的轉換，單片機才能接收、處理。實現(xiàn)模/數(shù)轉換的部件稱a/d轉換器或adc。隨著大規(guī)模集成電路技術的飛速發(fā)展和電子計算機技術在工程領域的廣泛應用，為滿足各種不同的檢測及控制任務的需要，大量結構不同、性能各異的a/d轉換電路不斷產生。4.4.1 a/d轉換器的選擇常用的幾種a/d類型：積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、-調制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。本次設計使用的a/d為tlc2543串行逐次比較型ad，逐次比較型的具體原理圖如下：4.4.2 tlc2543主要性能參數(shù)12位分辨率、10s轉換時間、11個模擬輸入通道、

22、采樣率為66kbps；4.4.3 tlc2543封裝形式及各管腳功能其封裝形式如下圖： （1） 電源引腳：vcc,20腳：為電源正，一般接+5v；gnd，10腳：為電源地。ref+，14腳：正基準點壓端，一般接+5v。ref-，13腳：負基準電壓端，一般接地。（2） 控制引腳 ，15引腳：片選端，低電平有效，由外部輸入。 eoc，19腳：轉換結束端，向外部輸出，數(shù)據(jù)轉換結束硬件自動置低該管腳。i/o clock，18腳：控制輸入輸出的時鐘，由外部輸入。（3） 模擬輸入引腳ain0ain10,19腳、1112腳：11路模擬輸入端，輸入電壓范圍：0.3v+0.3v。（4） 控制字輸入引腳date

23、tnput，17腳：控制字輸入端，選擇通道及輸出數(shù)據(jù)格式的控制字由此輸入。（5） 轉換數(shù)據(jù)輸出引腳date out，16腳：a/d轉換結果輸出的3態(tài)串行輸出端。4.4.4 實際硬件電路連接圖（ain0為信號模擬信號接收端）1110i/o clockdata outdata input+5v1420ain10ain9ain8ain7ain6ain5ain2ain4ain3ain1ain0mcs-51p1.0p1.1p1.2p1.3tcl2543五 、系統(tǒng)軟件設計軟件設計需要有一個細致全面的過程，一般須先清楚的列出電子秤各部分電路與軟 件設計的有關特點，并進行定義說明，以作為軟件設計的根據(jù)。在此基

24、礎上畫出軟件的功 能流程圖，程序流程圖，再根據(jù)程序流程圖用匯編語言或高級語言寫出。本次設計采用c語言編寫。5.1電子秤的信號處理流程 電子秤要求有及時數(shù)據(jù)采集、處理、存結果、送顯示的運行過程。根據(jù)這一要求，電子秤的信息測量與處理分三個階段： （1）、在微處理器的控制下，經傳感器轉換的電壓信號通過輸入電路送a/d轉換器處理， 變?yōu)橄鄳臄?shù)字量，存入到數(shù)據(jù)存儲器中。 （2）、微處理器對采集的測量數(shù)據(jù)進行必要的數(shù)據(jù)處理。 （3）、顯示處理結果，把數(shù)據(jù)信號處理為顯示及記錄所要求的信號格式，通過輸出接口電路輸出并顯示與記錄。其信息處理的流程圖如下圖：輸出接口（驅動顯示）記錄顯示用數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)存儲輸入

25、接口數(shù)據(jù)采集5.2軟件流程圖為了方便程序調試和提高可靠性，程序設計采用自上而下、模塊化、結構化的程序設計方法，把總的編程過程逐步細分，分解成一個個功能模塊，每個功能模塊相互獨立，每個模塊都能完成一個明確的任務，實現(xiàn)某個具體的功能。本設計按任務模塊劃分的程序主要有初始化程序、主程序， a/d轉換子程序、顯示子程序。(一)、初始化程序設計：單片機系統(tǒng)上電后，進入初始化程序，完成單片機片內各模塊的設置和a/d轉換器的功能設置初始化，然后進入主程序。（二）、主程序設計 單片機完成初始化程序后進入主程序，主程序主要完成對存儲參數(shù)的讀取，對檢測到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，顯示處理等。ny送入液晶顯示顯示無稱重狀

26、態(tài)開始判斷單片機是否處理完a/d數(shù)據(jù)液晶初始化（三）、信號采樣與a/d轉換子程序的設計連續(xù)讀20次數(shù)據(jù)求平均值將二進制數(shù)據(jù)與對應的最小重量分辨率相乘 得到最終對應重量 等待送去顯示數(shù)據(jù)清零等待送去顯示減去無重物數(shù)據(jù)得到重物實際對應數(shù)據(jù)判斷數(shù)據(jù)是否為無重物數(shù)據(jù)讀入a/d數(shù)據(jù)（4）、具體程序見附錄。六、系統(tǒng)調試61調試過程（1）首先在秤體無負載時確保顯示器準確顯示零。 （2）然后秤臺上放置不同量程內的重物，觀察顯示器是否準確顯示重量，如有偏差，采樣十五次求平均值。（3）零位穩(wěn)定是影響電子秤精度非常重要的因素，因受溫度或其它因素影響將引起零位不穩(wěn)定，這種現(xiàn)象稱為零漂。由于零漂的影響，零輸入信號時，輸

27、出可能不為零，為消除這個零位漂移值，采用零位補償技術，零位補償就是把這個零位漂移值儲存起來，每一數(shù)據(jù)采集時減去這個數(shù)值，得到的數(shù)值就是消除零漂的有效信號。七、系統(tǒng)功能該數(shù)字電子秤，測量范圍分成四檔，01.999kg、019.99kg0199.9kg、01999kg。用數(shù)字顯示被測重量，小數(shù)點位置對應不同的量程顯示，且具有量程自動切換功能。八、設計總結目前，電子秤正朝著小型化、高精度、智能化方向發(fā)展。tcl2543采用較小的封裝，尺寸很小，所需的外圍器件也很少，滿足了電子秤小型化的需求；其內置各種控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，并且可以通過spi接口方便地控制和讀取這些寄存器，滿足了電子秤智能化的需求。

28、 在電子技術的課程設計中，我們花了大量的時間和精力進行資料查閱和方案論證，結合自己所學，認真解決每一個功能模塊中遇到的問題。 我們還用仿真軟件proteus 6 professional 進行某些功能模塊的仿真，收到了很好的效果。但由于缺乏實踐經驗，電路中還有些功能不夠完善，有寫參數(shù)不夠精確，而且抗干擾能力也不夠好?？傊?，在這次電子設計大賽中，我們學會了怎樣把自己所學的書本知識應用到實處。看到自己設計的功能電路能在仿真軟件中運行，我們有了很大的成就感。另外，通過具體的操作，我們掌握了各個功能模塊的接口設計方法，無論是在設計思想還是在動手能力上都有了很大的提高。九、參考文獻【1】 51單片機自學

29、筆記，北京航空航天大學出版社，2010年1月【2】 c程序設計，清華大學出版社，1999年12月【3】 電子技術基礎模擬部分，高等教育出版社，2006年1月【4】 電子技術基礎數(shù)字部分，高等教育出版社，2006年1月十、 附 錄程序清單：#include #include#define uchar unsigned char #define uint unsigned intsbit rs=p00;sbit lcdrw=p01;sbit lcden=p02;sbit clock=p10;sbit di=p11;sbit do=p12;sbit cs=p13;uchar l,m,n,o,p,nu

30、m;uchar code table=m=0123456789;void display()；/1602液晶顯示函數(shù)void fenwei()；數(shù)據(jù)處理函數(shù)unsigned long jiafa()；多次采樣求平均值uint read_ad(uchar port)；12位ad 2543采樣控制函數(shù)void init()；1602液晶初始化函數(shù)void write_date(uchar date)；/1602液晶寫數(shù)據(jù)函數(shù)void write_com(uchar com)；1602液晶寫指令函數(shù)void delay(uint z)；/延時函數(shù)void delay1(uint z)；/延時函數(shù)void main()/主函數(shù)init();while(1)fenwei();display();delay1(10);/延時函數(shù)void delay1(uint z) uint x,y;for(x=100;x0;x-)for(y=z;y0;y-);/延時函數(shù)void delay(uint z)uint x;for(x=0;xz;x+)_nop_();/1602寫指令函數(shù)void write_com(uchar com)rs=0; lcdrw=0; lcden=0; delay1(1); p2=com; delay1(5);lcde