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1、1 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 研究目的和意义1 1.2 电子称重系统的应用领域1 1.3 主要工作以及论文结构 2 第二章第二章 系统方案论证与选型系统方案论证与选型.3 2.1 控制器部分3 2.2 数据采集部分4 2.2.1 传感器的选择4 2.2.2 放大电路选择.6 2.2.3 A/D 转换器的选择.7 2.2.4 键盘处理部分方案论证.8 2.3 显示电路部分的选择 9 2.4 超量程报警部分选择 9 2.4.1 电源模块方案选型9 第三章第三章 硬件电路设计硬件电路设计.10 3.1 AT89S52 的最小系统电路10 3.1.1 单片机芯片 AT89S52 介绍.10
2、3.1.3 AT89S52 的最小系统电路构成11 3.2 电源电路设计 .12 3.3 数据采集部分电路设计 12 3.6.1 LED 结构与原理14 3.6.2 动态显示 LED 显示器接口15 3.4 键盘电路与 AT89S52 单片机接口电路设计.16 键盘电路与 AT89C51 的接口电路设计16 3.5 报警电路的设计 17 第四章第四章 系统软件设计系统软件设计.18 4.1 主程序设计18 4.2 子程序设计19 4.2.1 A/D 转换启动及数据读取程序设计.19 4.2.2 显示子程序设计.20 4.2.3 键盘输入控制程序的设计20 4.2.4 报警子程序的设计.21 第
3、五章第五章 总结总结.23 参考文献参考文献.23 附录 1 系统总图25 基于单片机的电子秤的设计与实现 1 第一章 绪论 1.1 研究目的和意义 传统的机械秤有很多缺点，比如精度不高，结构复杂，易老化，成 本高等。随着社会的发展，市场对秤的要求的越来越高，尤其是人体秤、 厨房秤等各类便携式小型秤。电子秤与传统的机械秤相比有许多优越性， 它用压力传感器取代机械秤的弹簧大大减小了秤的体积和制造难度，以 LCD 或 LED 显示屏取代传统的刻度盘使外形更加美观，由于内部集成了 单片机以及软件系统，电子秤还拥有传统机械秤无法比拟的智能性。他 可以完成过载报警，总价计算，数据通信等众多功能。 目前市
4、场上使用的称量工具，或者结构复杂，或者运行不可靠，且 成本高，而且整体水平不高 ，部分小型企业质量差且技术薄弱，设备不 全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，有针对性的 开发出一套具有实用价值的电子秤系统，从技术上克服上述诸多缺点， 改善电子秤应用中的不足之处，具有现实意义。 1.2 电子称重系统的应用领域 电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民 生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技 术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提 高。电子秤的应用领域主要分为工业计量和民用消费类。在工业计量应 用领域有电子天平，珠宝秤
5、，市场计价秤等；而民用秤主要有厨房秤， 人体秤，便携式口袋秤等。工业计量应用对精度要求较高，而民用消费 类的应用对精度的要求不高，但对秤的外观，智能性，便携性却有很高 的要求。 基于单片机的电子秤的设计与实现 2 1.3 主要工作以及论文结构 本课题的主要设计思路是：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，然后再经过模数转换器转换为数字 信号，最后把数字信号送入单片机。单片机经过相应的处理后，得出当 前所称物品的重量及总额，然后再显示出来。此外，还可通过键盘设定 所称物品的价格。 在设计期间，本人努力查阅相关资料，对称重的基本原理以及各软 件、硬件模块做了认真的分析
6、、研究。根据性能成本考虑，在以下几方 面做了仔细的分析研究，主要有：系统模块的划分、A/D 精度的考虑、 单片机与外围模块的接口电路以及电子秤应用程序的实现等。 论文的结构如下： 第二章 叙述了系统的方案论证以及硬件设备的选型。 第三章 详细叙述了硬件电路的设计过程，主要是各个模块的具体设计过 程，以及各部分性能指标的要求和实现。 第四章 叙述了该设计软件部分的设计思路，主要是主程序和各个子程序 的详细设计方案。 第五章 叙述了该设计仿真和调试结果。 第六章 论文工作的总结。 基于单片机的电子秤的设计与实现 3 第二章 系统方案论证与选型 按照本设计功能的要求，本设计大致可分为五个模块：数据采
7、集模 块、信号放大模块、模数转换模块、单片机控制模块、人机交换模块。 （其中人机交换模块中包括:声光报警、LCD 显示、键盘输入）系统设计 总体方案框图如图 2-1 所示。 图 2-1 设计思路框图 测量部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本 设计为电压信号） ，而后经处理电路（如滤波电路，差动放大电路， ）处 理后，送 A/D 转换器，将模拟量转化为数字量输出。控制器部分接受来 自 A/D 转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物 体的实际重量信号，并将其存储到存储单元中。控制器还可以通过对扩 展 I/O 的控制，对键盘进行扫描，而后通过键盘散转程序，对整个系
8、统 进行控制。数据显示部分根据需要实现显示功能。 2.1 控制器部分 本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器,而且以单片机 为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一 起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控 制系统” 。这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理 以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。再则由于系统没有其它 基于单片机的电子秤的设计与实现 4 高标准的要求，根据总体方案设计的分析，设计这样一个简单的的系统， 可以选用带 EPROM 的单片机，由于应用程序不大，应用程序直接存储在 片内，不用在外部扩展存储器，这样电
9、路也可简化。在这里选用 ATMEL 生产的 AT89SXX 系列单片机。第一，片内存储器采用闪速存储器，使程 序写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路体积 更小。此外价格低廉、性能比较稳定的 MCPU，具有 8K8ROM、2568RAM、3 个 16 位定时计数器、4 个 8 位 I/O 接口。这些 配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求。 最后我们最终选择了 AT89S52 这个比较常用的单片机来实现系统的 功能要求。AT89S52 内部带有 8KB 的程序存储器，基本上已经能够满足 我们的需要。 2.2 数据采集部分 电子秤的数据采集部分主要包括称重传感器、信号放大电路
10、和 A/D 转换电路，因此对于这部分的论证主要分三方面。 2.2.1 传感器的选择 在设计中,传感器是一个十分重要的元件,因此对传感器的选择也显 的特别的重要,不仅要注意其量程和参数,还有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等等.传感器量程的选择可依据秤的 最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及 动载等因素综合评价来确定。一般来说，传感器的量程越接近分配到每 个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但在实际使用时，由于加在 传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲 击等载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感 器
11、的安全和寿命。传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各 个因素后，经过大量的实验而确定的。 基于单片机的电子秤的设计与实现 5 为保证电子秤称量结果的准确度，克服传感器在低量程段线性度差 的缺点。在实际工作中，要求称重传感器的有效量程在 20%80%之间， 线性好，精度高。重量误差应控制在0.01Kg，又考虑到秤台自重、振 动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以我们确定传感器的额定 载荷为 5Kg，允许过载为 150%F.S，精度为 0.05%，最大量程时误差 0.01kg。可以满足本系统的精度要求. 传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进 行标定，以确定传感器的
12、性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期 使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严 格，要能经受住长时间的考验。 使用特别注意：传感器属于精密部件，剧烈振动、自由落体、碰撞、 过载、过压等等，都非常容易造成传感器永久损坏或者影响精度和线性。 传感器是测量机构最重要的部件,本次设计采用电阻应变式压力传感器。 电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成， 内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片 （转换元件）受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发生变化（增 大或减小）从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，供后续电路测 量和处理。 综合考
13、虑, 本设计要实现的电子秤的是绝对压力值，同时为了简化 电路，提高稳定性和抗干扰能力，要求使用具有温度补偿能力的电阻应 变式压力传感器。本设计选用 CZAF-600 压力传感器，其最大量程为 50 Kg。 CZAF-6000 压力传感器的接线图如下： 基于单片机的电子秤的设计与实现 6 图 2-1 压力传感器引出线接线图 接线方式：红 E +, 黑 E -, 绿 S +，白 S - 量程: 1，2，3，10，20, 30, 50, 60, 100, 150, 200, 300, 350, 500KG 适用于电子厨房秤，计价秤，平台秤等小台面电子秤。 外型尺寸: 80x12.5x12.7，130
14、x22x30，150x40x35(mm) 安装螺纹孔: 8-M6 深 25mm 技术参数参照表: 综合误差: 0.02%F.S 绝缘电阻: 5000M(100VDC) 灵敏度: 20.1mV/V激励电压: 9VDC12VDC 非线性: 0.02%F.S温度补偿范围: -10+50 滞后: 0.02%F.S使用温度范围: -20+60 重要性: 0.02%F.S零点温度影响: 0.03%F.S 蠕变: 0.02%F.S灵敏度温度影响: 0.02%F.S 零点输出: 1%F.S安全过载范围: 120% 输入阻抗: 1050，4001 极限过载范围: 150% 输出阻抗: 1000，3501 防护等
15、级: IP67 2.2.2 放大电路选择 称重传感器输出电压振幅范围 02mV。而 A/D 转换的输入电压要求 基于单片机的电子秤的设计与实现 7 为 02V，因此放大环节要有 1000 倍左右的增益。对放大环节的要求是 增益可调的（7001500 倍） ，根据本设计的实际情况增益设为 1000 倍 即可，零点和增益的温度漂移和时间漂移极小。按照输入电压 2mV，分 辨率 20000 码的情况，漂移要小于 1V。由于其具有极低的失调电压的 温漂和时漂（1V） ，从而保证了放大环节对零点漂移的要求。残余的 一点漂移依靠软件的自动零点跟踪来彻底解决。稳定的增益量可以保证 其负反馈回路的稳定性，并且
16、最好选用高阻值的电阻和多圈电位器。 由 2.2.1 中称重传感器的称量原理可知，电阻应变片组成的传感器 是把机械应变转换成 R/R，而应变电阻的变化一般都很微小，例如传 感器的应变片电阻值 120，灵敏系数 K=2，弹性体在额定载荷作用下 产生的应变为 1000，应变电阻相对变化量为： R/R = K= 21000106 =0.002 （2-1） 由式 2-1 可以看出电阻变化只有 0.24，其电阻变化率只有 0.2%。 这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须 采用转换电路，把应变计的 R/R 变化转换成电压或电流变化，但是这 个电压或电流信号很小，需要增加增益放大电路来把这个电压或电流信 号转换成可以被 A/D 转换芯片接收的信号。在前级处理电路部分，基于 电子秤的要求精确度不是很高，选择由普通放大器所组成的差动放大器 作为本设计的信号放大电路； 差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放 (如 LM324)做成一个差动放大器。其设计电路如下图： 基于单
