基于单片机的电子称设计毕业设计论文.doc

目 录

第一部分 设计任务与调研…………………………………………………………1
1、主要任务........................................1
2、设计思路和方法..................................2
3、与本课题的相关资料..............................3
4、调研的目的和总结................................4
第二部分 设计说明……………………………………………………………………5
1、电子称基本结构..................................6
2、电子称工作原理..................................7
3、电子称计量性能..................................7
4、系统硬件设计....................................7
5、系统软件设计...................................15
6、作品特点.......................................17
第三部分 设计成果…………………………………………………………………19
1、作品仿真图.....................................19
第四部分 结束语……………………………………………………………………20
第五部分 致谢.......................................21
第六部分 参考文献………………………………………………………………….22

第一部分 设计任务与调研
1、主要任务
设计一种简单，方便使用的单片机电子称。要求采用单片机AT89S52为控制核心，利用新型传感器，和高精度的AD转换器及LED显示。
一、基本要求
设计并制作一款基于单片机的电子称称重系统。
二、 具体要求
本课题研究的内容是以单片机AT89S52为控制核心，实现电子秤的基本策略及价格计算功能。该系统可以分为单片机最小系统、数据采集系统、人机交互界面系统、电源系统、时钟及语音报数六大部分组成。单片机最小系统部分主要包括AT89S52和经典复位电路；数据采集部分由称重传感器、信号放大和A/D转换部分组成，信号放大和A/D转换部分主要由专用型高精度24位AD转换芯片HX711实现；人机交互界面为键盘输入和点阵式液晶显示，主要使用4*4矩阵键盘和1602液晶显示器，可以方便的输入数据和直观的显示数据；时钟模块主要由时钟芯片DS1302和时钟电路组成；语音报数模块可语音报读电子秤系统的重量、单价、金额等语音内容，主要由SC1010B电子称专用语音芯片实现。
本课题的主要设计任务如下所述：
1）系统可实现电子称基本的称重功能（称重范围为0～10Kg，重量误差不大于±0.1Kg）；
2）系统应具备输入单价，计算总价及语音报价的功能；
3）系统超出最大测量范围10Kg时应有报警指示功能（蜂鸣器报警提示）；

22

2、设计思路和方法

我设计的单片机电子称包括两部分：硬件部分与软件部分。硬件上用称重传感器，信号放大处理，采用A/D转换。使用键盘按钮功能，在显示方面采用LED数码管。软件上分析系统控制要求确定算法，根据算法画流程，再用c语言编写程序。
利用压力传感器采集因压力变化产生的电压信号，经过电压放大电路放大，然后再经过模数转化器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机。单片机经过处理后，得出当前所称物品的重量级总额，然后显示出。

图1-1 称重结构框图

3、与本课题的相关资料

电子秤作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。称重装置不仅是提供重量数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，推进了工业生产的自动化和管理的现代化，它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。称重装置的应用已遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效。
子秤是称重技术中的一种新型仪表，广泛应用于各种场合。电子秤与机械秤比较有体积小、重量轻、结构简单、价格低、实用价值强、维护方便等特点，可在各种环境工作，重量信号可远传，易于实现重量显示数字化，易于与计算机联网，实现生产过程自动化，提高劳动生产率。从世界水平看，衡器技术已经经历了四个阶段，从传统的全部由机械元器件组成的机械称到用电子线路代替部分机械元器件的机电结合秤，再从集成电路式到目前的单片机系统设计的电子计价秤。我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。现今电子衡器制造技术及应用得到了新发展：电子称重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。
电子称重的实现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。按照设计的基本要求，系统可分为三大模块，数据采集模块、控制器模块、人机交互液晶显示界面模块。其中数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成。转换后的数字信号送给控制器处理，由控制器完成对该数字量的处理，驱动显示模块完成人机间的信息交换。此部分对软件的设计要求比较高，系统的大部分功能都需要软件来控制。在扩展功能上，本设计增加了一个过载报警提示功能和电子日历功能使本电子称的设计更人性化智能化。

4、调研的目的和总结

通过调查来辅助我们对家用称量工具的认识，来帮助我们能更直观的去学习设计。帮助我们来了解家用称量用品的种类，使用方法和用途。了解消费者购买称量用品的金额以及人们的能接受的价格要求，了解消费者对称量工具的状况和消费观点、习惯、态度、接受程度及消费者的决策模式。
随着社会的进步，科技发展人们需求不断上升，有必要对家用称量工具进行改善，了解家居称量工具的市场状况如何，市场呈现什么样的特点，未来发展趋势。
本设计采用AT89S52单片机计的电子计重秤, 无论是计量精度, 还是稳定性都满足国家对A级电子秤的要求, 它具有较好的标定校准方法, 性能稳定, 操作简单, 价格低廉。该电子秤集传感器技术、微计算机技术、数字显示技术于一体、其反应灵敏、准确度高、显示直观，便于使用。通过硬件的少量扩展和软件的修改, 能设计出性能优越的计价秤、电子台秤等, 满足各行各业对现代电子衡器的需求。另外稍加扩展，该电子秤还可与其它生产质量管理系统项连接，具有推广应用价值。
在整个毕业设计过程中，我对大学三年所学的知识有了一个系统的认识和理解，尤其是对本课题所用到的单片机及其相关知识有了进一步的掌握，对利用单片机进行控制系统的设计与开发又及对系统的分析和问题的解决有了切身的认识和体会，正所谓学以致用，在此实践过程中增长了知识、丰富了经验，提高了解决问题的能力。系统的分析与设计过程是对学习的总结过程，更是进一步学习和探索的过程。控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析、系统设计、系统实施、系统运行与调试的过程来进行。系统的分析和设计是项很辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程，在设计过程中，要边学习，边实践，遇到新问题就不断探索和努力即可使问题得到解决。
第二部分 设计说明
1、 电子称的基本结构
电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。不管根据什么原理制成的电了秤均由以下三部分组成：
1） 承重、传力复位系统
它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。
2） 称重传感器
即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。
按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、卢表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。
对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。
3) 测量显示和数据输出的载荷测量装置
即处理称重传感器信号的电子线路（包括放人器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补尝元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮器件等）。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。
2、电子称的工作原理
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，传感器随之产生力一电效应，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)器进行转换，数字信号再送到微处器的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示，或送打印机打印。一般地信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。
3、电子称的计量性能
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
(4) 准确度等级
国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成T、II、III、Ⅳ四类等级，分别对应不同准确度的电子秤和分度数n的范围，如表1所示：
表1-1不同准确度的电子秤和分度数
标志及等级
电子秤分类
分度数范围
特种准确度
基准衡器
n> 100000
高准确度
精密衡器
10000 < n≤100000
中准确度
商业衡器
1000 < n≤10000
普通准确度
粗衡器
100<n≤1000
4、系统硬件设计
4.1系统器件选型及参数介绍
4.2系统单片机选型
单片机的选择在整个系统设计中至关重要，要满足大内存、高速率、通用性、价格便宜等要求，本课题选择AT89S52作为主控芯片。
AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S52芯片具有以下特性
4]：
①指令集和芯片引脚与Intel公司的8051兼容；
②4KB片内在系统可编程Flash程序存储器；
③时钟频率为0～33MHz；
④128字节片内随机读写存储器（RAM）；
⑤32个可编程输入/输出引脚；
⑥2个16位定时/计数器；
⑦6个中断源，2级优先级；
⑧全双工串行通信接口；
⑨监视定时器；
⑩2个数据指针。
AT89S52单片机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚，2个外接晶振的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚
5]。

图2-1 单片机引脚图
4.3系统称重传感器选型
系统采用压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。
压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力或压力的测量。压电器件的弱点：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。
电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。
导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。
直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。
图2-2为一直流供电的平衡电阻电桥，接直流电源E：

图2-2传感器内部接线图

当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。
当忽略电源的内阻时，由分压原理有：

= （2.1）

当满足条件R1R3=R2R4时，即

（2.2）

=0，即电桥平衡。式（2.2）称平衡条件。
应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。
若差动工作，即R1=R-△R,R2=R+△R,R3=R-△R，R4=R+△R,按式（2.1），则电桥输出为

(2.3)

应变片式传感器有如下特点：
（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。
（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。
（3）结构轻小，对试件影响小， 对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。
（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量[5]。
通过对压力传感器与电阻应变式传感器比较分析，最终选择了第二种方案。题目要求称重范围0～10Kg,满量程量误差不大于0.1Kg，考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定称重5Kg。我们选择的是电阻应变片压力传感器，量程为5Kg，精度为0.01% ，满足本系统的精度要求。

4.4系统A/D转换芯片选择

无线数据HX711是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端MCU 芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A 或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A 的可编程增益为128 或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。通道B 则为固定的64 增益
9]，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D 转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。芯片管脚图如图7所示。

图2-3 HX711管脚定义
HX711典型应用电路如图2-4所示。

图2-4 HX711典型应用电路

4.5系统显示器选择

采用点阵字符型 LCD 液晶显示，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件，但采用LCD液晶显示会造成设计成本增加。
LCD1602可以显示2行 16 个字符，有 8 位数据总线 D0-D7，和 RS、R/W、 EN 三个控制端口，工作电压为 5V，并且带有字符对比度调节和背光[10]。
具体引脚说明如表2-1所示。
表2-1 LCD1602液晶显示器引脚说明

LCD1602 液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了 160 个不同 的点阵字符图形，如表 1 所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、 常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，它的读写操作、 屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。

4.6系统时钟芯片选择
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.5～5.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。 DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。DS1302实物和管脚图分别如图2-5、图2-6所示。

图2-5 DS1302实物图

图2-6 DS1302管脚定义
DS1302各引脚的功能为：
VCC1：备用电源；VCC2：主电源。当VCC2>VCC1+0.2V时，由VCC2向DS1302供电，当VCC2< VCC1时，由VCC1向DS1302供电。
SCLK：串行时钟，输入； 
I/O：三线接口时的双向数据线；
CE：输入信号，在读、写数据期间，必须为高。该引脚有两个功能：第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。
DS1302有关日历、时间的寄存器共有12个，其中有7个寄存器（读时81h～8Dh，写时80h～8Ch），存放的数据格式为BCD码形式。

5、系统软件设计
5.1系统软件编程环境介绍

系统软件设计采用C语言编程，编译环境为keil UV3。
keil c51 是美国Keil Software 公司出品的51 系列兼容单片机C 语言软件开发系统，和汇编相比，C 在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
Keil c51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows 界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到keil c51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
Keil C51 可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE 本身或其它编辑器编辑C 或汇编源文件，然后分别有C51 及A51 编辑器编译连接生成单片机可执行的二进制文件（.HEX），然后通过单片机的烧写软件将HEX 文件烧入单片机内。软件主要三个方面：一是初始化系统；二是按键检测；三是数据采集、数据处理并进行显示。这三个方面的操作分别在主程序中来进行。程序采用模块化的结构，这样程序结构清楚，易编程和易读性好，也便于调试和修改。

5.2系统主程序流程图
系统软件部分主程序流程图如图3-1所示

图2-7 系统主程序流程图
5.3系统显示部分流程图
系统示子程序主要是来判断是否需要显示,以及如何去显示,也是十分重要的程序之一。设计流程图如图3-2所示。

图2-9系统显示部分流程图
5.4系统按键调整部分流程图
键盘电路设计成4X4矩阵式，在程序中可以先判断按键编码，然后根据编码将键盘代表的数值送到相应的存储单元，再进行功能选择或数据处理。设计流程图如图3-3所示。

图2-10 按键调整程序流程图
6、作品特点：
1、实现自动化控制
2、数字显示直观，减少人为误差。
3、精确度高，分辨率强。
4、称量范围广。
5、特有功能：扣重，归零，累计，警告。
6、维护简单
7、体积小，安装校正简单。
8、智能型电子称，反应快，效率高。

第三部分 设计成果

1、作品仿真图

使用说明
proteus ISIS仿真，在仿真的使用过程中，首先打开仿真电路图，并加载好“HEX”文件到单片机中，将压力传感器电压调制，点击按钮，开始仿真。
第四部分 结束语

电子称这东西经常看到，并不陌生。看到这个毕业设计课题只是出于对于单片机感兴趣，但是通过对课题设计了解我对电子称的功能，市场前景有了一定的了解，发现挺有趣的。在设计中我深刻体会到了对于单片机的了解还有较大欠缺，虽然基础知识掌握比较扎实，实际操作起来还是有待提高。通过这次设计，让我明白了凡事一步一个脚印，慢慢探索，不懂就问。在理解设计的基础上不断创新。单片机由硬件和软件组成，硬件和软件相互配合，才能提高系统的功能与设计的效率。在本次设计中有些不足，部分缺点问题还没能解决。我会继续努力，相信很快就会更加熟练掌握。
本课题软件和硬件相结合，有相当大的难度，同时也有很大的实用性。在做毕业设计的过程中，我的理论和实践水平都有了较大的提高。在本课题的设计中，我熟练掌握了单片机硬件设计和接口技术，同时对称重传感器的原理及应用有了一定的了解，掌握了各种控制电路及其相关元器件的使用。通过这次毕业设计，我不仅学会如何将所学专业知识运用到实际生活中，还学会如何克服未知的困难，解决难题的方法。
第五部分 致谢

在此，衷心的感谢在本次设计中帮助过我的各位老师同学。特别要感谢的是我的指导老师和给我帮助的同学。感谢曾经教过我单片机的老师，正因为有了单片机的基础，有利于我更好的了解压力传感器与单片机电子称。
一开始做毕业设计，不清楚怎么去写。导致前期写设计材料时出现错误，幸好有老师的指导和帮助。有不懂的地方我会去向老师请教，老师也会细心地讲给我听。有了老师的精心指导与小亮同学的帮助才完成毕业设计。我还要感谢在一起度过的同学朋友，在这里接受我诚挚的谢意。
第六部分 参考文献

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[6]《51系列单片机C程序设计与应用方案》于京[M] 中国电力出版社 2002.
[7]《电子线路与电子技术》张洪润 [M].清华大学出版社，2005
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[10]《数字电子技术》郭永贞，[M] 西安电子科技大学出版社 2000