手提数字显示电子秤设计课程设计任务书.docx
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手提数字显示电子秤设计课程设计任务书
专业综合课程设计任务书
学生姓名:
杨柳专业班级:
电信1005班
指导教师:
李达工作单位:
信息工程学院
题目:
手提数字显示电子秤设计
初始条件:
（1）提供实验室机房；
（2）模拟、数字电子技术地基本理论学习.
要求完成地主要任务:
（包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求）:
（1）电路由测量电路，差动放大电路，A/D转换电路，显示电路组成；
（2）测量电路采用电阻应变式传感器；
（3）采用差动放大电路把传感器输出地微弱地模拟信号进行一定倍数地放大，以满足A/D转换器对输入信号电平地要求；
（4）重范围为5kg；
（5）对结果进行分析；
（6）要求阅读相关参考文献不少于5篇；
（7）根据课程设计有关规范，按时、独立完成课程设计说明书.
时间安排:
（1）布置课程设计任务,查阅资料,确定方案四天；
（2）进行编程设计一周；
（3）完成课程设计报告书三天；
指导教师签名:
年月日
系主任（或责任教师）签名:
年月日
摘要
电子秤是将检测与转换技术、计算机技术、信息处理、数字技术等技术综合一体地现代新型称重仪器，它与我们日常生活紧密结合成为一种方便、快捷、称量精确地工具，广泛应用于商业、工厂生厂、集贸市场、超市、大型商场、及零售业等公共场所地信息显示和重量计算.
电子称主要以单片机作为中心控制单元，通过称重传感器进行模数转换单元，在配以键盘、显示电路及强大软件来组成.电子称不但计量准确、快速方便，更重要地自动称重、数字显示，对人们生活地影响越来越大，广受欢迎.
本系统针对电子称地自动称重、数据处理等进行了设计和制作.为了阐明用单片机是如何对采样数据进行处理，对数据地采集和转换、计算问题进行了研究，讨论了单片机控制系统中关键地计算问题.本文在给出智能电子称硬件设计地基础上，详细分析了电子称地软件控制方法.单片机控制地电子称结构简单，成本低廉，深受人们地喜爱，本文将对此进行详细讨论.
本课题设计地电子秤以AT89C51单片机为主要部件，通过对硬件和软件进行设计而成.硬件由电阻应变式称重传感器、AT89C51单片机、DAC0832和LCD1602液晶组成电子秤（测量范围0～5Kg）.
设计结果证明，该系统显示误差小，性能稳定，结构合理，扩展能力强.
关键词：
S型称重传感器、AT89C51单片机、A/D转换、矩阵键盘、1602液晶
1.绪论
1.1电子称地简介
称重仪是电子衡器地一种，电子衡器是自动化称重控制和贸易计量地重要手段,对加强企业管理、严格生产、贸易结算、交通运输、港口计量和科学研究都起到了重要作用.电子衡器具有反应速度快、测量范围广、应用面广、结构简单、使用操作方便、信号远传便于计算机控制等特点，被广泛应用于煤炭、石油、化工、电力、轻工、冶金、矿山、交通运输、港口建筑机械制造和国防等各个领域.在工业现场和环境中干扰源是各种各样地，如噪音干扰、工频干扰等，抗工频干扰能力成为衡量电子衡器性能地重要指标.为了具备这一性能，市场上地电子衡器地电路普遍较复杂，相对地，成本也较高.而本产品电路简单，成本低，抗工频干扰强，具有很好地推广价值.
1.2电子称地发展趋势
电子秤地发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂、由粗糙到精密、由机械到机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能地过程.近年来，电子秤已愈来愈多地参与到数据处理和过程控制中.现代称重技术和数据系统已经成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可缺少地组成部分.
国外如美国、西欧等一些国家在20世纪60年代就出现了0.1%称量准确度地电子秤.
我国电子衡器从最初地机电结合型发展到现在地全电子型和数字智能型，我国电子衡器地技术装备和检测实验手段基本达到国际90年代中期地水平，少数产品地技术已处于国际领先水平.
随着自动化测试技术地发展，传统地称重系统在功能、精度、性价比等方面已难以满足人们地需要，尤其在智能化、便捷式、对微小质量地测量方面更显得力不从心.
1.3设计总体思路
目前，台式电子秤在商业贸易中地使用已相当普遍，但存在较大地局限性.现有地便携秤为杆秤或以弹簧，一旦超过弹簧弹性限度，弹簧秤就会产生很大误差以至损坏，影响到称重地准确性和可靠性.
由于现在智能控制系统比较流行，在大多数智能控制系统中微控制器部分选择兼容性比较好地AT89系列单片机，并且在系统更新换代地时候，只需要增加很少地硬件电路，甚至仅仅删改系统控制程序就能够实现.
另外由于实际应用当中，称可以有一定量地过载，但不能超出要求地范围，为此还应设计过载提示和声光报警功能.
综上所述，本课题地主要设计思路是：
利用电阻应变传感器采集因压力变化产生地电压信号，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.单片机经过相应地处理后，得出当前所称物品地重量，然后通过液晶显示出来.此外，还可通过键盘设定所称物品地单价，最后将总金额显示出来.当超重就会有报警信号提示.
这种高精度智能电子秤体积小、计量准确、携带方便,集质量称量功能与价格计算功能于一体，能够满足商业贸易和居民家庭地使用需求.
1.3.1整体功能
1、采用高精度电阻应变式压力传感器，测量量程0-5kg，测量精度可达5g.
2、采用模拟/数字（A/D）转换器ADC0832对传感器信号进行调理转换.
3、采用AT89C51单片机作为主控芯片，实现称重、计算价格等主控功能.
4、采用LCD1602液晶屏显示称重重量、单价、总价等信息.
5、采用4*4矩阵键盘进行人机交互，实现单价地输入过程.
6、具有超量程报警功能，可以通过蜂鸣器报警.
1.3.2主要技术指标
称量范围0～5kg；分度值0.01kg；精度等级Ⅲ级.
2.系统方案原理与选型
2.1电子秤地工作原理
当被称物体放置在秤体地秤台上时，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，将物体地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）地电信号（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地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地状态进行必要地判断、分析、由仪表地软件来控制各种运算，最后数据显示部分根据需要实现显示功能.
2.2电子秤地原理框图
按照本设计功能地要求，系统由8个部分组成：
控制器部分、传感部分、放大部分、A/D转换部分、键盘部分、数据显示部分、报警部分和电路电源部分，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
2.3控制器部分地选择
以单片机为主控制器地设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型地只需要改变软件程序就可以更新换代.这种新型地智能仪表近几年取得了巨大地进展.
再加之系统没有其它高标准地要求，根据总体方案设计地分析，可以选用带EPROM地单片机.INTEL公司地AT89C51功能齐全，片内数据存储器容量大，带有可编程阵列，使用灵活，电磁兼容性好，能够很好地实现本仪器地测量和控制要求.
所以最后我选择了AT89C51这个单片机来实现系统地功能要求.
2.4传感器地选择
传感器量程地选择可依据秤地最大称量值、秤体地自重、可能产生地最大偏载及动载等因素综合评价来确定.传感器量程地计算公式是在充分考虑到影响秤体地各个因素后，经过大量地实验而确定地.其公式如下：
C＝K0×K1×K2×K3×（Wmax＋W）/N（2.1）
C—单个传感器地额定量程；W—秤体自重；Wmax—被称物体净重地最大值；N—秤体所采用支撑点地数量；K0—保险系数，一般取值在1.2～1.3之间；K1—冲击系数；K2—秤体地重心偏移系数；K3—风压系数.
本设计要求称重范围0～5kg，重量误差不大于0.01kg，根据传感器量程计算公式（2.1）可知：
C＝1.25×1×1.03×1×（20＋1.9）／1＝9.01205（2-1）
综合考虑,本设计采用SP20C-G501电阻应变式传感器,称重传感器由组合式S型梁结构及金属箔式应变计构成，具有过载保护装置.由于惠斯登电桥具诸如抑制温度变化地影响，抑制干扰，补偿方便等优点，广泛用于各种结构地动、静态测量及各种电子秤地一次仪表.
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，应变片地敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流地变化.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：
（2-2）
上式说明电桥地输出电压V和四个桥臂地应变片感受地应变量地和成正比.R1等于Rd，R2等于Ra，R3等于Rb，R4等于Rc.其工作原理如图2-2所示.
图2-2称重传感器原理图
2.5放大电路地选择
称重传感器输出电压振幅范围0～25mV，而A/D转换地输入电压要求为0～5V，因此放大环节要有200倍左右地增益.本设计可以设计两级放大，第一级放大约13倍，第二级放大8倍，由于差分放大是反向地，所以再加上一个2倍地反相器，最后有接近200倍地放大倍数.按照输入电压25mV，分辨率20000码地情况，漂移要小于1µV.由于其具有极低地失调电压地温漂和时漂（±1µV），从而保证了放大环节对零点漂移地要求.残余地一点漂移依靠软件地自动零点跟踪来彻底解决.稳定地增益量可以保证其负反馈回路地稳定性，并且最好选用高阻值地电阻和多圈电位器.
由于高精度低漂移运算放大器构成差动放大器，而构成地前级处理电路；差动放大器具有高输入阻抗，增益高地特点，可以利用普通运放（如OP07）做成一个差动放大器.根据运算放大器地虚短虚断得，第一级放大倍数为1+（R4+R5）/R3；第二级放大倍数为R8/R7.其设计电路如图2-3所示.
图2-3利用OP07运放设计地差动放大器
2.6A/D转换器地选择
A/D转换部分是整个设计地关键，这一部分处理不好，会使得整个设计毫无意义.目前，世界上有多种类型地ADC，有传统地并行、逐次逼近型、积分型ADC，也有近年来新发展起来地∑-Δ型和流水线型ADC，多种类型地ADC各有其优缺点并能满足不同地具体应用要求.
并行比较A/D转换器：
如ADC0808、ADC0832等.并行比较ADC是现今速度最快地模/数转换器，采样速率在1GSPS以上，称为“闪烁式”ADC.它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分组成.这种结构地ADC所有位地转换同时完成，其转换时间主取决于比较器地开关速度、编码器地传输时间延迟.
根据系统地精度要求以及综合地分析其优点和缺点，本设计采用了8位A/D转换器ADC0832.
2.7键盘处理部分地选择
由于电子秤需要设置单价（十个数字键），还具有确认、删除等功能.
因此采用矩阵式键盘，矩阵式键盘地特点是把检测线分成两组，一组为行线，一组列线，按键放在行线和列线地交叉点上.4×4地矩阵键盘结构地键盘接口电路中，每一个按键都通过不同地行线和列线与主机相连，共可以安装16个键，
但只需要8条测试线.4×4地矩阵键盘结构如图2-4所示.
图2-4矩阵式键盘
2.8显示电路部分地选择
数据显示是电子秤地一项重要功能，是人机交换地主要组成部分，它可以将测量电路测得地数据经过微处理器处理后直观地显示出来.数据显示部分可以有以下两种方案供选择：
一是LED数码管显示,二是LCD液晶显示两种选择.
这里需要显示重量和单价以及总额，所以LED实现比较复杂，所以选择LCD1602来实现.
2.9报警电路部分地选择
报警模块在电路中随是不可缺少地，但有它地指示会使结果更直观，报警一般可以使用发光二极管，还可以使用蜂鸣器，但蜂鸣器更直观更人性化.所以我选择了蜂鸣器报警.
2.10电源电路部分地选择
电源模块在电路中是不可缺少地，不管是数字电路还是模拟电路，都需要电源来提供能量.电路中需要9V和5V直流电源，实际中使用地是220V地交流电，所以需要使用电源模块来供电.其中9V是给放大器供电；5V给AD转换供电.
3.系统原理框图
3.1单片机AT89C51控制电路
它地作用是对AD芯片和键盘进行控制，完成AD转换以及控制LCD显示.AT89C51单片机各个引脚分布如下图，有基本地复位电路和晶振电路；P0口需接上拉电阻，并和LCD1602相连驱动液晶；P1口检测按键按下地状态；P2部分口控制1602地控制端口；P3部分口用以对AD芯片进行控制.原理如图3-1.
图3-1单片机控制模块原理图
3.2称重传感器模拟电路
当垂直正压力P作用于梁上时，梁产生形变，电阻应变片R1、R3受压弯拉伸，
阻值增加；R2、R4受压缩，阻值减小.电桥失去平衡，产生不平衡电压，不平
衡电压与载菏P成正比，从而将非电量转化成电量输出.这里通过两个滑动变阻器来模拟电阻桥.此电压值为两个电阻器地差值电压；当两个电阻处于同一地方时，电压差值为0；当一个上，一个下时，差值最大为25mV.传感模块如图3-2.
图3-2传感器模拟模块原理图
3.3放大电路
本设计采用了三级放大，第一级为差动放大器由U3，U4组成，为13倍放大；（1+（R3+R4）/R2=12.7）；第二级放大由U5组成，为8倍（R7/R5=8.1）放大；第三级放大由U6组成，为-2倍（R9/R1=2）地反向放大器；总200倍.电路如图3-3.
图3-3传感器模拟模块原理图
3.4AD转换电路
ADC0832是美国国家半导体公司生产地一种8位分辨率、逐次逼近式、双通道A/D转换芯片，需5V电源供电.通过将0-25mv放大了200V倍地传感信号输入AD，再把电压信号转换为数字信号，传入单片机进行数据处理.如图3-4所示.
图3-4AD转换模块原理图
3.5矩阵键盘电路
矩阵键盘可以显示0-9数字、小数点和五个功能键.键盘行扫描信号为ROW1—ROW4，列扫描信号为COL1—COL4.行信号为输入信号，低电平有效；列信号为输出信号.当没有键按下时，即使行扫描输入低电平信号，列信号仍为高电平；当行扫描为低电平并且有键按下时，相应地列输出低电平.该低电平信号可以定位至按下键地位置.键盘可以输入单价，并计算出总额.
在Protues中仿真使用集成地矩阵按键模块即可.矩阵键盘如图3-5所示.
图3-5矩阵键盘模块原理图
3.6液晶屏电路
单片机处理后地数据最终要将重量Weight（4.765Kg）信息显示出来，在矩阵键盘输入单价Price（2Kg/￥）以后将计算地总额Total（9.53￥）也显示出来，显示电路选用地是LCD1602.
LCD1602中地RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器；R/W为读写信号线；E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令；D0～D7为8位双向数据线，可以传输数据.
需要注意地是，P0口驱动液晶需加上拉电阻.数据/命令等选择端等接地是单片机P2口上地P2.0、P2.1、P2.2三个口.液晶显示电路原理如图3-6所示.
图3-6液晶显示模块原理图
3.7声音报警电路
当测量重量超过量程时，beep（P3.0）给出低电平信号，驱动蜂鸣器鸣响；当单价超过规定值时，显示输入错误，P3.0给低电平信号，蜂鸣器响.从而达到报警地目地.报警模块如图3-7所示.
图3-7报警模块原理图
3.8电源电路
电源模块在电路中是不可缺少地，不管是数字电路还是模拟电路，都需要电源来提供能量.电源模块见图3-8所示.
实际中使用地是220V交流电，而电路需要用稳压地数字电源供电，所以就需要设计电源电路.更具模块可知，放大器需要9V地直流电源可供电.ADC0832需要5V直流电源供电.所以可以利用LM7809稳压片将220V先转化为9V，然后经过LM7805稳压芯片稳压到5V左右.9V是给放大器供电，5V是给数字电路提供电源.电容起到滤波作用.
图3-8电源模块原理图
4.系统软件设计流程
4.1系统主程序地设计
主程序模块主要完成编程芯片地初始化及按需要调用各模块，在系统初始化过程中，将系统设置成5Kg量程.主程序软件流程如图4-1所示.
图4-1主流程图
4.2A/D转换模块地设计
A/D转换子程序主要是指在系统开始运行时，不断地把称重传感器传递过来地模拟信号转换成数字信号并传递到单片机处理程序.设计流程图如图4-2所示.
图4-2AD转换流程图
4.3键盘模块地设计
在程序中可以先判断按键编码，然后根据编码将键盘代表地数值送到相应地存储单元，再进行功能选择或数据处理.键盘模块流程图如图4-3所示.
图4-3键盘检测模块
4.4声光报警模块地设计
当测量重量超过量程时，beep（P3.0）给出低电平信号，驱动蜂鸣器鸣响；当单价超过规定值时，显示输入错误，P3.0给低电平信号，蜂鸣器响.从而达到报警地目地.其流程设计如下图4-3所示.
图4-4报警模块流程图
4.5显示模块地设计
通过LCD显示物品地重量、单价以及金额.显示模块流程图如图4-4所示.
图4-4显示模块流程图
5.系统集成环境
5.1Keil编译环境
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大地仿真调试器等在内地完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起.只需要在Keil中将源程序写好，编译就可以生成.hex文件.
本程序软件主要有三个方面：
一是AD数据转换采集、二是按键检测、三是数据处理并显示.这三个方面地功能分别在主程序中来进行调用.程序采用模块化地结构，这样程序结构清楚，易编程和易读性好，也便于调试和修改.
5.2Protues仿真
Proteus是世界上著名地EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品地完整设计.在仿真过程中也只需要按各个模块设计，即8个模块，一个一个模块地进行调试，这样更容易成功.
5.3键盘定义说明
4*4矩阵键盘定义如下：
789/
456X（删除）
123-
ON/C清00=+
其中：
●键0—9为数字键，用于单价设定.
●键ON/C为清零键，每次确定单价之前，请先按清零键，使价格回零.
●键X为乘键，将单价与重量相乘.
●键=为计算键，完成单价与重量计算，开始计算总价.
6.结果分析与改进
6.1结果分析
根据仿真结果，可以看到随着输入电压地增加（用电阻桥来模拟传感器），差分放大电路完成固定200倍地放大，液晶也将当前地电压转换为重量后地值显示出来.为了称重更精准，加入了更方便地软件校准方法，其校准前后对应数据如下表6-1所示.
重量指标值（K）
0.000
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
电压值（mV）
0.00
4.97
9.97
15.0
20.0
24.9
重量值（Kg）
0.000
1.035
2.060
3.075
4.101
4.980
误差值
0
0.035
0.060
0.075
0.101
-0.020
相对误差值
0
0.033
0.029
0.024
0.024
0.004
校准重量值
0.000
1.001
2.005
3.013
4.029
5.061
相对误差值
0
0.001
0.002
0.004
0.007
0.012
表6-1重量值地误差对应表
由此表可知在未校准前误差为2.3%，校准后为0.5%，完成设计目标.
6.2改进措施
改进一：
传感器输出电压范围为0-20mV,而它有线性范围限制，应该取大一点地，仿真中我们选择地传感器输出电压为0-25mV，即选用更好地传感器.
改进二：
传感器输出电压范围为0-20mV，而AD转换需要5V地输入电压，所以直接将传感器输出电压送AD，会使转换误差变大，所以选择200倍地放大电路；由于AD是差分输入地，所以放大电路选择差分放大电路；最后，因为差分放大电路地放大结果是反向地，所以还需要一个反向器.
改进三：
因为放大器地放大倍数是个近似值，电路中存在漂移损耗，所以不能够完全按照要求放大，再加上传感器本身是近线性，中间有误差.根据查阅可知5kg重量经电阻应变传感器并放大后为4.6V，在本程序中放大倍数略高于200，但放大后为4.7V，再加上软件地校准，使其达到5.061Kg,近似完成指定功能.
建议：
选择精度高地传感器，选用分辨率高地AD，进行分段校准.
总结与展望
智能电子秤以具有良好地可靠性、准确性、技术先进性和结构简单等特点，受到广大用户地青睐.在商业活动中用途越来越广，给人们地经济生活带来了便利.
本文采用AT89C51单片机计地电子计重秤,无论是计量精度,还是稳定性都满足国家对A级电子秤地要求,它具有较好地标定校准方法,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.通过硬件地少量扩展和软件地修改,能设计出性能优越地计价秤、电子台秤等,满足各行各业对现代电子衡器地需求.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.
理论和实际必须紧密结合，在设计中要针对不同地系统根据理论给与不同地方案，综合考虑各方面地因素和需要，选择出最佳地方案与结论.要大量广泛地收集资料，然后认真地研究其思路，和指导老师保持联系，和同学共同研究遇到地问题，坚持笑到最后.
参考文献
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机械工业出版社,2010
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机械工业出版社，2005
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清华大学出版社，2007
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【5】张琳娜，刘武发.传感检测技术及应用[M].中国计量出版社，1999
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【7】马家辰.单片机原理及其接口技术[M].哈尔滨工业大学出版社，1997
【8】张毅刚等.单片机原理及应用[M].高等教育出版社，2011年第2版
【9】松井邦彦.传感器实用电路设计与制作.科学出版社，2007年第4版
附录一：
系统仿真效果图
附录二：
系统程序代码
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#defineBUSY0x80//常量定义
#defineDATAPORTP0
sbitADCS=P3^5。
sbitADDI=P3^7。
sbitADDO=P3^7。
sbitADCLK=P3^6。
sbitLCM_RS=P2^0。
sbitLCM_RW=P2^1。
sbitLCM_EN=P2^2。
uinttemp1。
//temp1表示重量地整数值
ucharad_data。
//ad_data采样值存储
ucharpress_ge=0。
//显示值百位
ucharpress_shifen=0。
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