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1、 题目题目 智能电子秤设计智能电子秤设计 第一章 功能说明本设计系统以单片机 AT89S52 为控制核心，实现电子秤的基本控制功能。 在设计系统时，为了更好地采用模块化设计法，分步设计了各个单元功能模块。系统的硬件部分包括最小系统部分、数据采集部分、人机交互界面和系统 电源四大部分。最小系统部分主要包括 AT89S52 和扩展的外部数据存储器；数 据采集部分由称重传感器，信号的前期处理和 A/D 转换部分组成，包括运算放 大器 AD620 和 A/D 转换器 ICL7135；人机界面部分为键盘输入，四位 LED 数码 显示器，可以直观的显示重量的具体数字以及方便的输入数据，使用方便；系 统电源
2、以 LM317 和 LM337 为核心设计电路以提供系统正常工作电源。 系统的软件部分应用单片机 C 语言进行编程，实现了该设计的全部控制功 能。该电子秤可以实现基本的称重功能（称重范围为 09.999Kg，重量误差不 大于0.005Kg）,并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。 本系统设计结构简单，使用方便，功能齐全，精度高，具有一定的开发价 值。称重传感器原理即由非电量（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
3、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、声表 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。 传感器下的定义是： “能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可 用信号的器件或装置，通常由 敏感元件和转换元件组成 ” 。其中敏感元件指 传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出量 转换为适于传输和测量的电信号部分。此外传感器是一种检测装置，
4、能感受到 被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其 他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控 制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 称重传感器在电子秤中占有十分重要的位置，被喻为电子秤的心脏部件， 它的性能好坏很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。通常称重传感器产 生的误差约占电子秤整机误差的 50%70%。若在环境恶劣的条件下（如高低温、 湿热） ，传感器所占的误差比例就更大，因此，在人们设计电子秤时，正确地选 用称重传感器非常重要。 称重传感器的种类很多，根据工作原理来分常用的有以下几种： 电阻应变 式、电容式、压磁式、压电
5、式、谐振式等。 （本设计采用的是电阻应变式） 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 10 - 610 - 2，随之而产生的电阻变化率也大约在 10 - 610 - 2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图如图
6、 2-1 所示：载荷 P 应变 电阻变化R 输出电压如图 2-2 电阻应变式称重传感器工作原理框图当传感器不受载荷时，弹性敏感元件不产生应变，粘贴在其上的应变片不 发生变形，阻值不变，电桥平衡，输出电压为零；当传感器受力时，即弹性敏 感元件受载荷 P 时，应变片就会发生变形，阻值发生变化，电桥失去平衡，有 输出电压。如图 2-3 桥式测量电路R1、R2、R3、R4 为 4 个应变片电阻，组成了桥式测量电路，Rm 为温度补偿电阻， e 为激励电压，V 为输出电压。 若不考虑 Rm，在应变片电阻变化以前，电桥的输出电压为：V= eRRR RRR 434 211由于桥臂的起始电阻全等，即 R1 =
7、R2 = R3 = R4 = R，所以 V=0 。 当应变片的电阻 R1、R2、R3、R4 变成 R+R1、R+R2、R+R3、R+R4 时，电桥的输出电压变为：V=eRRRRRR RRRRRR 434 211通过化简，上式则变为：敏感元件应变片测量电桥V=4e RR RR RR RR4321也就是说，电桥输出电压的变化与各臂电阻变化率的代数和成正比。如果四个桥臂应变片的灵敏系数相同，且 = K，则上式又可写成：RRV=1 - 2 + 3 - 4 ）(4eK式中 K 为应变片灵敏系数， 为应变量。 上式表明，电桥的输出电压和四个轿臂的应变片所感受的应变量的代数和 成正比。在电阻应变式称重传感器
8、中，4 个应变片分别贴在弹性梁的 4 个敏感 部位，传感器受力作用后发生变形。在力的作用下，R1、R3 被拉伸，阻值增大， R1、R3 正值，R2、R4 被压缩，阻值减小，R2、R4 为负值。再加之应 变片阻值变化的绝对值相同，即 R1 = R3 = + R 或 1 = 3 = + R2 = R4= - R 或 2 = 4 = - 因此，V=4 = e K。若考虑 Rm，则电桥的输出电压变成：4eKV=eRmRR RRR RRR 222= = K eeRR RmRR 2RmRR 2令 SU = ，则 SU = K eV RmRR 2 SU称为传感器系数或传感器输出灵敏度。 对于一个高精度的应变
9、传感器来说，仅仅靠 4 个应变片组成桥式测量电路还是 远远不够的。由于弹性梁材料金相组织的不均匀性及热处理工艺、应变片性能 及粘贴工艺、温度变化等因素的影响，传感器势必产生一定的误差。为了减少 传感器随温度变化产生的误差，提高其精度和稳定性，需要在桥路两端和桥臂 中串入一些补偿元件。如：初始不平衡值的补偿、零载输出温度补偿、输出灵 敏度温度补偿等。第二章 系统总体设计2.1 电子秤设计的要求1) 称重范围：不超过 9.999Kg 2) 测量精度： 0.005Kg 3) 显示方式：LCD 显示所称量的物品重量，同时还可显示物品的名称，数 量，单价，金额和所有物品的总金额。4) 使用操作：键盘输入
10、数据，操作简单方便。 5) 特殊功能：具有去皮功能以及能将金额累加计算；当物品重量超过电 子秤量程，即过载情况或者是物品重量小于 A/D 转换器所能转换的最 小精度，即欠量程的时候，具有超重报警功能。2.2 电子秤设计的基本思路将电子秤大致能划分为三大部分，数据采集模块、控制器模块和人机交互 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。此外添加了一个过载、欠量报警提示的 特殊功能。如图 2-1（上图为本系统的设计图）2.3 单片机的选型 AT89S52 单片机
11、是 AT89S 系列中的增强型高档机产品，它片内存储器容量 是 AT89S51 的一倍，即片内 8KB 的 Flash 程序存储器和 256B 的 RAM。另外，它 还增加了一个功能极强的、具有独特应用的 16 位定时计数器 2 等多种功能。 在工程应用中 AT89S52 有一显著的优势：不需要烧写器，只借助 PC 机的并口 输出和极为简单的下载电路，便可将程序通过串行方式写入单片机。并且下载 电路可设计在系统中，可以随时修改单片机的软件而不对硬件做任何改动。 由此，通过对目前主流型号的比较，我们最终选择了 AT89S52 通用的普通 单片机来实现系统设计。AT89S52 是一种兼容 MCS5
12、1 微控制器，工作电压 4.0V 到 5.5V，全静态时钟 0 Hz 到 33 MHz，三级程序加密，32 个可编程 I/O 口， 2/3 个 16 位定时/计数器，6/8 个中断源，全双工串行通讯口，低功耗支持 Idle 和 Power-down 模式，Power down 模式支持中断唤醒, 看门狗定时器，双 数据指针，上电复位标志。另外在外扩展了 32K 数据存储器，以满足系统要求。2.4 A/D 转换器介绍 A/D 转换器是一种能把输入模拟电压或电流-成与它成正比的数字量，也就 是说能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。A/D 转换 器种类较多，从原理上可分为四种：双
13、积分式 A/D 转换器，逐次逼近式 A/D 转 换器、并行 A/D 转换器、计数器式 A/D 转换器及型 A/D 转换器。在电子秤的设计中用的比较多的是双积分式 A/D 转换器和型 A/D 转换器。 双积分 ADC 的基本原理是对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分， 将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测 出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。如图 2-6 所示是电子秤中常用的 双积分式 A/D 转换电路，它由积分器、比较器、模拟电子开关，积分电阻、积 分电容、自动回零电阻、电容组成。其中 VG 是模拟地，VFR 是基准电压（相对 于 VG 为负值） ，VX
14、 是检测电压。如图 2-6 双积分 A/D 转换电路其次双积分型 A/D 转换器具有很强的抗干扰能力。对正负对称的工频干扰 信号积分为零，所以对 50HZ 的工频干扰抑制能力特强，对高于工频干扰（例如 噪声电压）也具有良好的滤波作用。只要干扰电压的平均值为零，对输出就不 产生影响。尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。 故而采用双积分型 A/D 转换器可大大降低对滤波电路的要求。 作为电子秤，系统对 AD 的转换速度要求并不高，精度上 14 位的 AD 足以满 足要求。另外双积分型 A/D 转换器较强的抗干扰能力，和精确的差分输入，低 廉的价格。最终选择了精度为 10Kg
15、/ 20000= 0.5g 的 ICL7135。2.5 键盘输入键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直 接途径。键盘是由若干个按键开关组成，键的多少根据单片机应用系统的用途 而定。键盘由许多键组成，每一个键相当于一个机械开关触点，当键按下时， 触点闭合，当键松开时，触点断开。单片机接收到按键的触点信号后作相应的 功能处理。因此，相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号。 ZLG7289 是周立功单片机公司设计的串行输入输出可编程键盘显示芯片， 有强大的键盘显示功能，支持 64 键控制，可以比较方便地扩展系统。另外ZLG7289 内部有译码电路，大大简化了程序。最终选择 ZLG7289 作为键盘扫描 显示芯片。2.6 输出显示采用可以设置显示单价，金额，中文，购物日期等的 LCD，它具有低功耗、 可视面大、画面友好及抗干扰能力强等功能，其显示技术已得到广泛应用。 LCD 显示器的工作原理：液晶显示器的主要材料是液态晶体。它在特定的温度 范围内，既具有液体的流动性，又具有晶体的某些光学特性，其透明度和颜色 随电场、磁场、光照度等外界条件变化而变化。因此，用液晶做成显示器件， 就可以把上诉外界条件的变化反映出来从而形成现实的效果。 虽然 ZLG7289 具有控制数码管显示的功能，但考虑到本题目要求中文显示， 数码管无法满足，只能考虑用带有
