基于單片機的電子秤設計

1、基于單片機的電子稱設計摘 要電子稱主要以單片機作為中心控制單元，通過稱重傳感器進行模數轉換單元，在配以鍵盤、顯示電路及強大軟件來組成。電子稱不但計量準確、快速方便，更重要的自動稱重、數字顯示，對人們生活的影響越來越大，廣受歡迎。本系統(tǒng)針對電子稱的自動稱重、數據處理等進行了設計和制作。為了闡明用單片機是如何對采樣數據進行處理，對數據的采集和轉換、計算問題進行了研究，討論了單片機控制系統(tǒng)中關鍵的計算問題。關鍵詞 電子稱 單片機 稱重傳感器 electrnoic scale design based on mcuabstract: intelligent electronics said the k

2、ey to scm as the central control unit, through the weighing sensor analog-digital conversion unit, in the accompanied keyboard, display circuit and powerful software to component. said not only accurate measurement of the electronic, fast and convenient, more importantly, automatic weighing, statist

3、ics show that by the majority of users. intelligent electronics said that as easy to carry, easy to use, the impact on peoples lives more and more. this system is known for the electronic automatic weighing and data processing of research. to illustrate how to use the mcu is sampling data processing

4、, data acquisition and conversion, computational problems studied. discuss the key scm system calculation. key words: electronic scale mcu load senso目 錄第一章緒論11.1電子秤的研究背景11.2電子秤的現(xiàn)狀及前景1第二章 元器件介紹22.1發(fā)光二極管22.2單片機stc89c5222.3a/d轉換器32.4傳感器3第三章 硬件設計43.1電子秤硬件設計方案43.2 稱重傳感器的選擇及測量原理43.3電子秤專用24位ad轉換芯片hx711及其電路

5、63.4 電原理圖93.4.1單片機電路93.4.2顯示電路93.4.3矩陣鍵盤電路103.4.4聲光報警器電路113.4.5電源電路11第四章 軟件編程134.1軟件流程圖134.2主程序14第五章 pcb印制板175.1 pcb板的設計17結束語18參考文獻19致謝20附錄21第一章 緒論1.1電子秤的研究背景秤是一種在實際工作和生活中經常用到的測量器具。隨著計量技術和電子技術的發(fā)展，傳統(tǒng)純機械結構的桿秤、臺秤、磅秤等稱量裝置逐步被淘汰，電子稱量裝置電子秤、電子天平等以其準確、快速、方便、顯示直觀等諸多優(yōu)點而受到人們的青睞。和傳統(tǒng)秤相比較，電子秤利用新型傳感器、高精度ad轉換器件、單片機設

6、計實現(xiàn)，具有精度高、功能強等特點。本課題設計的電子秤具有基本稱重、鍵盤輸入、計算價格、顯示、超重報警功能。該電子秤的測量范圍為0-10kg，測量精度達到5g，有高精度，低成本，易攜帶的特點。電子秤采用液晶顯示漢字和測量記過，比傳統(tǒng)秤具有更高的準確性和直觀性。另外，該電子秤電路簡單，使用壽命長，應用范圍廣，可以應用于商場、超市、家庭等場所，成為人們日常生活中不可少的必需品。1.2電子稱的現(xiàn)狀及前景目前，由于電子衡器具有稱量快、讀數方便、能在惡劣條件下工作、便于與計算機技術相結合而實現(xiàn)稱重技術和過程控制的自動化特點，已被廣泛應用于工礦企業(yè)、能源交通、商業(yè)貿易和科學技術等各個部門、隨著稱重傳感器技術

7、以及超大規(guī)模集成電路和微處理器的進一步發(fā)展，電子稱重技術及其應用范圍將更進一步的發(fā)展，并被人們越來越重視。電子衡器產品量大面廣、種類繁多，從通用的各種規(guī)格的電子秤到大型的電子稱重系統(tǒng)，從單純的稱重、計價到生產過程檢測系統(tǒng)的一個測量控制單元，其應用領域不斷地擴大。根據近些年來電子稱重技術和電子衡器的發(fā)展情況及電子衡器市場的需求，電子秤的發(fā)展動向為：小型化、模塊化、智能化、集成化；其技術性能趨向于速率高、準確度高、可靠性高；其應用性趨向綜合性、組合性。 第二章 元器件介紹2.1發(fā)光二極管發(fā)光二極管簡稱為led。由鎵（ga）與砷（as）、磷（p）的化合物制成的二極管，當電子與空穴復合時能輻射出可見光

8、，因而可以用來制成發(fā)光二極管，在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數字顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。它是半導體二極管的一種，可以把電能轉化成光能；常簡寫為led。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個pn結組成，也具有單向導電性。當給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從p區(qū)注入到n區(qū)的空穴和由n區(qū)注入到p區(qū)的電子，在pn結附近數微米內分別與n區(qū)的電子和p區(qū)的空穴復合，產生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當電子和空穴復合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。 發(fā)光二極管的反

9、向擊穿電壓約5伏。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時必須串聯(lián)限流電阻以控制通過管子的電流。限流電阻r可用下式計算：r（euf）if式中e為電源電壓，uf為led的正向壓降，if為led的一般工作電流。發(fā)光二極管的兩根引線中較長的一根為正極，應按電源正極。有的發(fā)光二極管的兩根引線一樣長，但管殼上有一凸起的小舌，靠近小舌的引線是正極。與小白熾燈泡和氖燈相比，發(fā)光二極管的特點是：工作電壓很低（有的僅一點幾伏）；工作電流很?。ㄓ械膬H零點幾毫安即可發(fā)光）；抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長；通過調制通過的電流強弱可以方便地調制發(fā)光的強弱。由于有這些特點，發(fā)光二極管在一些光電控制設備中用作光源，在許多電子

10、設備中用作信號顯示器。把它的管心做成條狀，用7條條狀的發(fā)光管組成7段式半導體數碼管，每個數碼管可顯示09十個數目字。2.2單片機stc89c52stc89c52是一種低功耗，高性能cmos8位控制器，具有8k在系統(tǒng)課編程flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位cpu和在系統(tǒng)可編程flash,使得stc89c52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提高靈活超有效的解決方案。具有以下標準功能：8k字節(jié)flash,512字節(jié)ram,32位i/o口線，看門狗定時器，內置4kb eeprom，max810復位電路，三個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，另外stc89x52可降至0hz靜

11、態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，cpu停止工作，允許ram、定時器/計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，ram內容被保存，振蕩器被凍結單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35mhz，6t/12t可選。2.3a/d轉換器模數轉換器即a/d轉換器，或簡稱adc，通常是指一個將模擬信號轉變?yōu)閿底中盘柕碾娮釉?。通常的模數轉換器是將一個輸入電壓信號轉換為一個輸出的數字信號。由于數字信號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小。故任何一個模數轉換器都需要一個參考模擬量作為轉換的標準，比較常見的參考標準為最大的可轉換信號大小。而輸出的數字量則表示輸入信

12、號相對于參考信號的大小。2.4傳感器傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。第三章 硬件設計3.1電子秤硬件設計方案單片機電子秤硬件設計方案如圖3-1所示：圖3-1 單片機電子秤硬件方案稱重傳感器感應被測重力，輸出微弱的毫伏級電壓信號。該電壓信號經過電子秤專用模擬/數字（a/d）轉換器芯片hx711對傳感器信號進行調理轉換。hx711 采用了海芯科技集成電路專利技術，是一款專為高精度電子秤而設計的24 位a/d 轉換器芯片，內

13、置增益控制，精度高，性能穩(wěn)定。hx711芯片通過2線串行方式與單片機通信。單片機讀取被測數據，進行計算轉換，再液晶屏上顯示出來。矩陣鍵盤主要用于計算金額。當被測物體重量得到后，用戶可以通過矩陣鍵盤輸入單價，電子秤自動計算總金額并在液晶屏顯示。電源系統(tǒng)給單片機、hx711電路及傳感器供電。3.2 稱重傳感器的選擇及測量原理傳感器是測量機構最重要的部件。稱重傳感器本身具有單調性，其主要參數指標是靈敏度、總誤差和溫度漂移。(1) 靈敏度稱重傳感器的電靈敏度為滿負荷輸出電壓與激勵電壓的比值，典型值是2mv/v。當使用2 mv/v靈敏度和5 v激勵電壓的傳感器時，其滿度輸出電壓為10 mv。通常，為了使

14、用稱重傳感器線性度最好的一段稱重范圍，應當僅使用滿度范圍的三分之二。因此滿度輸出電壓應當大約為6mv。當電子秤應用于工業(yè)環(huán)境時，在6mv滿度范圍內測量微小的信號變化并非易事。(2) 總誤差總誤差是指輸出誤差和額定誤差的比值。典型電子秤的總誤差指標大約是0.02%，這一技術指標相當重要，它限制了使用理想信號調節(jié)電路所能達到的精確度，決定了adc分辨率的選擇以及放大電路和濾波器的設計。(3) 漂移稱重傳感器也產生與時間相關的漂移。目前常用的稱重傳感器有電阻應變式壓力傳感器、電容壓力傳感器、壓電式壓力傳感器。選用時應按穩(wěn)定行、精度登記、壽命和安裝環(huán)境要求考慮，其主要特點如下：(1) 電容式壓力傳感器

15、穩(wěn)定性較差，精度和靈敏度較高，壽命較短，對環(huán)境要求苛刻，不易長距離傳輸。(2) 壓電式壓力傳感器穩(wěn)定性好，精度和靈敏度高，壽命長，但大量程的壓力傳感器尚待進一步研究。(3) 電阻應變式壓力傳感器穩(wěn)定性較好，精度和靈敏度較高，壽命較長，對測量環(huán)境要求不太嚴格。綜上所述，選用電阻應變式壓力傳感器作為電子秤稱重傳感器是最為合適的。電阻應變式壓力傳感器主要由彈性體、電阻應變片電纜線等組成，內部線路采用惠更斯電橋，當彈性體承受載荷產生變形時，電阻應變片（轉換元件）受到拉伸或壓縮應變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，從而使電橋失去平衡，產生相應的差動信號，供后續(xù)電路測量和處理。電阻應變式傳感器測

16、量原理如圖3-2所示。圖3-2 電阻應變式傳感器測量原理當垂直正壓力p作用于梁上時，梁產生形變，電阻應變片r1、r3受壓彎拉伸，阻值增加；r2、r4受壓縮，阻值減小。電橋失去平衡，產生不平衡電壓，不平衡電壓與作用在傳感器上的載菏p成正比，從而將非電量轉化成電量輸出。r1、r2、r3和r4組成惠更斯電橋，將2對電阻應變片的阻值變化轉變成輸出電壓，其工作原理如圖3-3所示。 圖3-3 測量電橋原理3.3電子秤專用24位ad轉換芯片hx711及其電路hx711 采用了海芯科技集成電路專利技術，是一款專為高精度電子秤而設計的24 位a/d 轉換器芯片。與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片

17、內時鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。降低了電子秤的整機成本，提高了整機的性能和可靠性。該芯片與后端mcu 芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號由管腳驅動，無需對芯片內部的寄存器編程。輸入選擇開關可任意選取通道a 或通道b，與其內部的低噪聲可編程放大器相連。通道a 的可編程增益為128 或64，對應的滿額度差分輸入信號幅值分別為20mv或40mv。通道b 則為固定的32 增益，用于系統(tǒng)參數檢測。芯片內提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內的a/d 轉換器提供電源，系統(tǒng)板上無需另外的模擬電源。芯片內的時鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動

18、復位功能簡化了開機的初始化過程。 hx711內部方框圖如圖3-4所示。其外部管腳如圖3-5所示。圖3-4 hx711內部方框圖圖3-5 hx711外部管腳圖圖3-5為hx711芯片應用于計價秤的一個參考電路圖。該方案使用內部時鐘振蕩器(xi=0)，10hz的輸出數據速率(rate=0)。電源（2.75.5v）直接取用與mcu 芯片相同的供電電源。通道a與傳感器相連，通道b通過片外分壓電阻與電池相連，用于檢測電池電壓。 本課題設計的hx711電路如圖3-6所示：圖3-6 hx711電路 3.4 電原理圖3.4.1單片機電路本課題設計的電子秤的單片機應用電路如圖3-7所示：圖3-7 stc89c5

19、2單片機電路圖中dout和pdsck為單片機與hx711的ad轉換電路交換數據的通信線。beep為蜂鳴器報警信號線，alert為報警燈信號線，rxd和txd為串口通信線，也可以用于單片機程序的串行isp下載。 3.4.2顯示電路圖3-8 lcd顯示電路液晶屏電路如圖3-8所示。lcd_cs、lcd_res、lcd_rs、lcd_sda、lcd_sck為液晶模塊與單片機接口的控制線。cs_zk、sck_zk、so_zk和si_zk為字庫和單片機接口的控制線。該液晶為晶訊聯(lián)公司的128*64漢字屏jlx12864g-086-pc顯示信息。該顯示模塊既可以當成普通的圖像型液晶顯示模塊使用（即顯示普通

20、圖像型的單色圖片功能），又含有jlx-gb2312 字庫ic，可以從字庫ic 中讀出內置的字庫的點陣數據寫入到lcd 驅動ic 中，以達到顯示漢字的目的。3.4.3矩陣鍵盤電路矩陣鍵盤電路如圖3-9所示：圖3-9 矩陣鍵盤電路圖中4*4矩陣鍵盤可以顯示0-9數字、小數點和五個功能鍵。鍵盤行掃描信號為row1row4，列掃描信號為col1col4。行信號為輸入信號，低電平有效；列信號為輸出信號。當沒有鍵按下時，即使行掃描輸入低電平信號，列信號仍為高電平；當行掃描為低電平并且有鍵按下時，相應的列輸出低電平。該低電平信號可以定位至按下鍵的位置。3.4.4聲光報警器電路聲光報警電路如圖3-11所示。圖

21、3-11 聲光報警電路當測量重量超過量程時，beep和alert給出低電平信號，驅動蜂鳴器鳴響，報警燈亮。3.4.5電源電路本設計采用usb接口供電，電源電壓5v。同時，usb接口通過內含pl2303芯片的轉換電路對單片機進行程序編寫。其電路原理如圖所示。圖3-12 供電及程序下載電路第四章 軟件編程4.1軟件流程圖本設計主程序使用了定時器，用來實現(xiàn)每0.5秒稱重一次的功能，流程圖如圖4-1所示。鍵盤掃描程序如圖4-2所示。 圖4-1 時鐘中斷程序流程圖 圖4-2 鍵盤掃描程序流程圖主程序軟件流程如圖4-3所示。 圖4-3 主程序流程圖 4.2主程序#include #include #inc

22、lude #include lcd.h#include hx711.h#include keyboard.h/定義量程系數#define ratio 1287/1000 /1574/1000 /2114/1623/定義標識volatile bit flagtest = 0;/定時測試標志，每0.5秒置位，測完清0volatile bit flagkeypress = 0; /有鍵按下標志，處理完畢清0volatile bit flagsetprice = 0; /價格設置狀態(tài)標志，設置好為1。sbit leda = p22; /管腳定義 sbit beep = p10;sbit alert =

23、 p11;int counter; /顯示用變量uchar idata str16 = 000000;int i, itemp; /稱重用變量unsigned long idata fullscale; /滿量程ad值/1000unsigned long adval; /ad采樣值unsigned long weight; /重量值，單位gunsigned long idata price; /單價，長整型值，單位為分 unsigned long idata money; /總價，長整型值，單位為分uchar keycode; /鍵盤處理變量uchar dotpos; /小數點標志及位置voi

24、d int2str(int, char *);void data_init();void port_init(); void timer0_init();void timer0_isr () ;void int1_init();void keypress(uchar);void to_zero();void display_price();void display_weight();void display_money();void int2str(int x, char* str) /整型轉字符串的函數，轉換范圍0-65536 int i=1; int tmp=10; while(x/tmp

25、!=0) i+; tmp*=10; tmp=x; stri=0; while(i1) str-i=0+(tmp%10); tmp/=10; str0=tmp+0; void to_zero() fullscale=readcount()/1000; price=0;void display_price() unsigned int i,j; display_gb2312_string(5,44, ); i = price/100; /得到整數部分 j = price - i*100;/得到小數部分 int2str(i,str1); /顯示整數部分 if (i=1000) display_gb2

26、312_string(5,44,str1); else if (i=100) display_gb2312_string(5,52,str1); else if (i=10) display_gb2312_string(5,60,str1); else display_gb2312_string(5,68,str1); display_gb2312_string(5,76,.); /顯示小數部分 int2str(j,str1); if (j=10) display_gb2312_string(3,60,str1); else display_gb2312_string(3,68,str1);

27、display_gb2312_string(3,76,.); int2str(j,str1); if (j10) display_gb2312_string(3,84,00); display_gb2312_string(3,100,str1); else if (j999999) /超出顯示量程 display_gb2312_string(7,44,-); return; i = money/100; /得到整數部分 j = money - i*100;/得到小數部分 int2str(i,str1); /顯示整數部分 if (i=1000) display_gb2312_string(7,4

28、4,str1); else if (i=100) display_gb2312_string(7,52,str1); else if (i=10) display_gb2312_string(7,60,str1); else display_gb2312_string(7,68,str1); /顯示小數點 display_gb2312_string(7,76,.); /顯示小數部分 int2str(j,str1); if (j= 200) flagtest = 1; counter = 0; /按鍵響應程序，參數是鍵值/返回鍵值：/ 7 8 9 10(清0)/ 4 5 6 11(刪除)/ 1

29、2 3 12(未定義)/ 14(未定義) 0 15(.) 13(確定價格)void keypress(uchar keycode) switch (keycode) case 0: case 1: case 2: case 3: case 4: case 5: case 6: case 7: case 8: case 9: /目前在設置整數位，要注意price是整型，存儲單位為分 if (dotpos = 0) /最多只能設置到千位if (price0x8000) weight=0; weight=10000*weight/fullscale; weight=weight*ratio; /如果

30、超量程，則報警 if (weight = 10000) beep = 0;alert = 0;display_gb2312_string(3,60,-);display_gb2312_string(7,44,-); /如果不超量程 else beep = 1;alert = 1;/顯示重量值 display_weight(); /如果單價設定好了，則計算價格 if (flagsetprice = 1) money = weight*price/1000; /money單位為分 /顯示總金額 display_money(); else display_gb2312_string(7,44, );

31、 /清測試標志 flagtest = 0; /獲取按鍵 keycode = getkeyboard(); /有效鍵值0-15 if (keycode16)&(flagkeypress=0) flagkeypress = 1; keypress(keycode); flagkeypress = 0; delay(20); 第五章 pcb印制板5.1 pcb板的設計印制電路板的設計是以電路原理圖為根據，實現(xiàn)電路設計者所需要的功能。印刷電路板的設計主要指版圖設計，需要考慮外部連接的布局、內部電子元件的優(yōu)化布局、金屬連線和通孔的優(yōu)化布局、電磁保護、熱耗散等各種因素。優(yōu)秀的版圖設計可以節(jié)約生產成本，達到良好的電路性能和散熱性能。簡單的版圖設計可以用手工實現(xiàn)，復雜的版圖設計需要借助計算機輔助設計（cad）實現(xiàn)。圖5-1 pcb板結束語智能電子秤以具有良好的可靠性、準確性、技術先進性和結構簡單等特點，受到廣大用戶的青睞。在商業(yè)活動中用途越來越廣，給人們的經濟生活