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智能电子秤设计

论文题目：智能电子秤设计

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摘要： 3
第一章.方案选择与论证 4
1.1主控制器的论证与选择 4
1.2显示模块的论证与选择A/D转换模块的论证与选择 4
1.3 A/D转换模块的论证与选择 5
第二章.硬件电路设计 7
2.1单片机最小系统电路 7
2.2A/D转换电路的设计 7
2.3 4X4矩阵键盘电路的设计 7
2.4 12864显示电路的设计 7
第三章．理论分析与计算 6
3.1全桥应变电路分析与计算 6
3.2 放大电路 6
第四章.软件设计 8
4.1系统主程序的设计 8
4.2A/D转换子程序的设计 8
4.3 4X4矩阵按键子程序的设计 8
4.4 12864液晶显示模块子程序的设计 8
第五章.系统测试 9
参考文献： 10
致谢： 11

3

摘要：
本装置以STC89C52单片机为核心控制器，包含了主控制模块、A/DHX711转换与信号放大模块、4X4矩阵键盘模块、12864液晶显示模块、电阻应变式传感器、报警模块等。运用4X4矩阵键盘进行累加乘积计算，当物体超过称重范围时系统自动进行报警。本装置利用电阻应变式传感器检测压力信号，得到微弱的电信号，经过放大电路将电信号送到A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出。本装置结构简单，操作方便，精确度高。主控制器接收来自A/D转换器输出的数字信号，将数字信号转换为物体的实际重量从而显示在12864液晶显示屏上。电子秤称重范围5.00g-500g；重量误差小于50g，称重误差小于0.5g；重量在50g及以上，称重误差小于1g。

关键词：STC89C52单片机、4X4矩阵键盘、、电阻应变式传感器、HX711转换模块、12864液晶显示

第一章.方案选择与论证
方案一：本方案设计的电子秤，可以实现称物计价功能，但是局限于数码管的功能，在显示时只能显示单价、购物总额以及简单的代码等。在显示重量时，如果数码管没有足够的位数，那么称量物体重量的精度必受到限制，所以此方案需要较多的数码管接入电路中，比较麻烦。该结构图见附录图1-2
方案二：本方案前端信号处理时，选用信号放大、A/D转换等措施，尤其是在显示方面采用12864液晶显示屏。这种方案不仅加强了人机交换能力，而且满足设计要求，可以显示所称重物体信息相关内容。该结构图见附录图1-1
综上所述，方案二更符合电子秤的设计要求。
1.1主控制器的论证与选择
方案一：采用STC公司生产STC89C52单片机，STC89C52单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程FLASH存储器。具有三个16位计数器。
方案二：采用ATMEL 公司的AT89C51，AT89C51是带4K字节FLASH存储器。带2K字节闪存可编程可擦出只读存储器的单片机，具有两个16位计数器。
综上述所知，我们小组选择方案一，STC89C52读写方便。
1.2 显示模块的论证与选择
方案一: 全部采用数码管显示，数码管能显示被测物体的重量等信息。此方案显示直观，而且编程简单，但若要同时显示单价，金额等诸多信息则需要大量的数码管。由此增加了电路的复杂程度，也加大了编程的难度。
方案二：采用12864液晶显示屏显示，12864显示屏可以设置单价、金额、总价字符等。它具有低功效、可视面大画面清晰及抗干扰能力强等功能，其显示技术已得到广泛应用。
综上所述，我们采用方案二，12864显示屏更符合题目的要求。
1.3A/D转换模块的论证与选择
方案一：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。与同类型其他芯片，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其他同类型所需要的外围电路，具有继承度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。
方案二：MAX187串行12位模数转换器可以在单5V电源下工作，接受0-5V的模拟输入。MAX187为逐次逼近式ADC,快速采样/保持（1.5us）,片内时钟，高速3线串行接口。
综上述所知，我们小组选择方案一，HX711不用外加放大处理电路，芯片本身自带增益可调放大，这样还可以简化很多硬件电路。

、
第二章.硬件电路设计
2.1单片机最小系统电路
单片机最小系统电路包括晶振电路、复位时钟电路。详见附录图2-1
2.2A/D转换电路的设计
HX711与单片机的接口应为3条数据线，分别是DVDD、PD_SCK、DOUT, 但由于DVDD端与DOUT端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DVDD和DOUT 并联在一根数据线上使用。原理图详见附录图2-2
2.3 4X4矩阵键盘电路的设计
矩阵键盘又称为行列式键盘，它是用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。这样键盘中按键的个数是4×4个。这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。原理图详见附录图2-3
2.4 12864液晶显示电路的设计
12864液晶显示屏属于点阵图形液晶显示模块，不但能显示字符，还能显示汉字和图形。12864液晶显示屏内都会自带背光限流电阻，背光管脚可以直接连接DC5V电源使用。12864液晶显示屏对比度调节的电位器取值10K-20K欧姆。原理图详见附录图2-4。

第三章 理论分析与计算
3.1全桥应变电路分析与计算 
Ein为供桥电源电压，当初始有R1R2=R3R4时，则电桥输出电压或电流为零，这时电桥处于平衡状态。其测量原理：用应变片测量时，将其粘贴在弹性体上。当弹性体受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。由于内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由下式给出：

公式2-1 
本文的目的是设计一智能电子秤，最大称重约为500g，重量误差不大于1g；考虑到与其相配置的各种电路的设计的难易程度和设计性价比，最终选择了HL-8型电阻应变式称重传感器，其称重规模为1kg。
3.2放大电路
根据要求,A/D转换器的输入电压变化范围是0V～4.999V，传感器的输出电压信号在0～10mv，因此取放大器的放大倍数500。因此代入公式,。

第四章.软件设计
4.1系统主程序的设计
主程序主要完成编程芯片的初始化及按需要调用各子程序，上电启动后，系统初始化，调用置零子程序单片机读取模数转换器的数据，然后调用显示子程序显示重量，同时扫描键盘子程序，调用计算子程序计算价格并显示出来。设计流程图详见附件图4-1
4.2 A/D转换子程序的设计
A/D转换启动及数据读取子程序设计主要是上电运行后，HX711完成初始化，把经放大的电阻应变式传感器传递过来的模拟信号转换成数字信号并传递到单片机所涉及到的程序。设计流程图详见附录图4-2
4.3 4X4矩阵按键子程序的设计
4x4矩阵键盘是运用得最多的键盘形式，初使化时先让P1口的低四位输出低电平，高四位输出高电平，即让P1口输出0xF0。扫描键盘的时候，读P1口，看P1是否还为0xF0,如果仍为0xF0，则表示没有按键按下；如果不0xF0,等待10ms左右，再读P1口，再次确认是否为0xF0，这是为了防止是抖动干扰造成错误识别，如果不是那就说明是真的有按键按下了，就可以读键码来识别到底是哪一个键按下了。按键流程图见附录图4-3。
4.4 12864液晶显示模块子程序的设计
显示子程序是字符显示，首先初始化，输出一些基本信息，然后调用事先编好的键盘显示子程序，输出显示命令，显示过程中还需要调用延时子程序。当输入通道采集了一个信号，或人为的键入一个值，或系统与仪表出现异常情况显示管理软件应及时调用显示驱动程序模块，用来更新当前数据显示符号。详见附录图4-4
第五章.系统测试
（1）通过对大量测试结果进行分析得到的物体实际重量与电子秤称重结果的绝对误差的测试结果见附录表5-1。
通过大量测试结果可以得出：重量小于50g，称重误差小于0.5g；重量在50g及以上，称重误差小于1g。  
（2）通过对大量测试结果进行分析得到电子秤最小测量和最大测量范围以及在不同温度下称重的测试结果详见附录表5-2。
通过大量测试结果可以得出：电子秤称重范围5.00g~500g

致谢
本装置设计使用STC89C52单片机作为信息处理核心，实现了智能电子秤装置。在设计中，我们使用了HX711芯片、12864液晶显示模块、电阻应变式传感器等。通过测试，装置完成了题目要求。对自身能力来说也是一种质的提高，也充分体现了团队合作的重要性。在以后的学习和生活中我们还需继续努力，不断学习，不断改善自己，以创造更好的成绩。经过不断的改进程序和电路，一点点的攻克难关，最终很好的完成了设计，在比赛过程中，首先要感谢指导老师对我们的帮助和指导，也要感谢我们的队员，有了他们，我们才能更好的完成设计

参考文献：
[1]陈志强,胡辉,单片机应用系统设计实践指南[J],2003 
[2]王君,凌振宝,传感器原理及检测技术[M],吉林大学出版社,2001 [3]吕俊芳,传感器接口与检测仪器电路[M],北京航空航天大学出版社,1998 
[4]万隆,巴奉丽,单片机原理及应用技术[M],清华大学出版社,2003 
[5]徐惠民,安德宁,单片微型计算机原理接口与应用[M],北京邮电大学出版社,1996 
[6]黄继昌,徐巧鱼,传感器原理及应用实例[M],人民邮电出版社,2002
[7]阳鸿钧,电子秤与电子天平技术问答[J],中国电力出版社,2009 
[8]孟立凡,蓝金辉,传感器原理与应用[M],电子工业出版社,2007  
[9]王保保,传感器简明手册及应用电路[M],西安电子科技大学出版社,2007 
[10]赵晓安,MCS-51单片机原理及应用[M],天津大学出版社,2001 
[11]杨欣,51单片机应用实例详解[M],清华大学出版社,2010
[12]肖洪兵,跟我学用单片机[M],北京航空航天大学出版社,2002 
[13]Abraham.IP.Switching Power Supply Design[J].2nd Edn.McGraw-Hill.New York,1998 
[14]Amit Patel,Btech.A capacitance pressure sensor using a phase-locked loop[D].Journal of Rchabilitation Researchand Development Vol.26  

附录
主主控制器器

电源电路
数码管显示

复位电路

时钟电路

4X4矩阵按键模块
称重传感器模块

蜂鸣器

A/D转换模块

图1-1 方案一结构图
主主控制器器
12864液晶显示

电源电路

复位电路

时钟电路
蜂鸣器

称重传感器模块

4X4矩阵按键模块

A/D转换模块

图1-2方案二结构图

图2-1晶振电路、复位时钟电路

图2-2 A/D转换电路

图2-3 4X4矩阵按键电路

图2-4 12864液晶显示电路

开始

初始化

调用置零子程序

调用AD采集
子程序

调用12864液晶显示子程序

调用扫描按键子程序

调用计算子程序

结束

图4-1 系统总体流程图

开始

HX711初始化

启动A/D转换

否
A/D转换完成

数据存储
是

数据显示

返回

图 4-2 A/D转换流程图

开始

扫描按键是否按键按下？
否

推测纵列
是

推测横列

结束

图4-3 按键流程图

开始

图4-4 显示流程图

返回
显示总价
定位总价显示坐标
求： 总价=重量x单价
显示单价
定位单价显示坐标
显示重量
定位重量显示坐标

秤重结果

物体实际重量（g）

物体测量重量（g）

误差（g）
0.0
0.0
0.0
1.0
1.1
0.1
1.0
1.0
0
1.0
0.9
0.1
1.0
1.3
0.3
10
10.1
0.1
10
9.7
0.3
10
10
0
10
10.5
0.5
50
50.3
0.3
50
50.5
0.5
50
49.8
0.2
50
50.2
0.2
100
99
1
100
100.5
0.5
100
100.7
0.7
100
100
0
200
200.9
0.9
200
201
1
200
199.6
0.4
200
200.5
0.5
300
300.5
0.5
300
301
1

表5-1

、温度对称重结果的变化

物体实际重量（g）

温度（℃）

物体测量重量（g）

误差（g）
0
25
0
0
10
25
10
0
10
24
10.2
0.2
10
23
10.5
0.5
10
22
10.6
0.6
10
26
10
0
10
27
9.8
0.2
10
28
9.5
0.5
50
25
50.2
0.2
50
24
50.3
0.3
50
23
50.5
0.5
50
22
50.8
0.8
50
26
50
0
50
27
49.7
0.3
50
28
49.2
0.8
100
25
100.5
0.5
100
24
100.8
0.8
100
23
100.5
0.5
100
22
101
1
100
26
99.5
0.5
100
27
99
1
100
28
98.7
1.3
300
25
300.5
0.5
300
24
300.8
0.8
300
23
300.9
0.9
表5-1
23