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电子秤设计
电子秤的设计
摘要：
本课题是以STC89C52单片机为核心控制芯片实现电子秤自动称重功能。
该电子称重系统主要以STC89C52单片机作为中心控制单元，称重传感器及A/D转换器测量物体重量，外加显示单元和矩阵键盘模块，实现了电子秤基本的称重、具备置零、输入单价、计算总价、显示等功能，且超出最大测量范围时有报警指示功能。
在本设计中将智能化、自动化、人性化用在了电子称重的控制系统中不但测量准确、快速方便，更重要的是具备自动称重、液晶数字显示等特点。
关键词：
STC89C52单片机；称重传感器；A/D转换器；液晶显示
Electronicscaledesign
Abstract:
ThispaperisbasedontheSTC89C52microcontrollerasthecorecontrolchiptorealizethefunctionofautomaticweighingelectronicscale.TheelectronicweighingsystemmainlytoSTC89C52microcontrollerasthecentralcontrolunit,weighingsensorandA/Dconvertertomeasuretheweightoftheobject,externaldisplayunitandmatrixkeyboardmodule,realizestheelectronicscalebasicweighing,withzero,inputunit,calculationoftotalprice,displayandotherfunctionsandexceedsthemaximummeasurementrangewithalarmindicationfunction.Inthisdesign,itwillbeintelligent,automationandhumanizationintheelectronicweighingcontrolsystemnotonlyaccuratemeasurement,fastandconvenient,butmoreimportantithaveautomaticweighing,LCDdigitaldisplaycharacteristics.
Keywords:
MCS-51microcontroller;weighingsensor;A/Dconverter;LCDdisplay
第1章绪论
1.1选题背景与意义
电子秤是日常生活中常用的电子衡器，广泛应用于超市、大中型商场、物流配送中心。
电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。
相比传统的机械式称量工具，电子秤具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点，在外形布局、工作原理、结构和材料上都是全新的计量衡器。
电子秤的设计首先是通过称重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，需要通过高精度高增益AD芯片HX711的信号放大与AD转换，转换成数字量被送入到主控电路的单片机中处理，再经过单片机控制显示器，从而显示出被测物体的重量。
而目前市场上电子秤产品的整体水平不高，部分小型企业产品质量差且技术力量薄弱，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，有针对性地开发出一套有实用价值的电子秤系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善电子秤系统在应用中的不足之处，具有现实意义。
1.2电子秤的研究现状及发展趋势
近几年，国内的电子称重系统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。
电子称重技术逐渐从静态称重向动态称重发展，从模拟测量向数字测量发展，从单参数测量向多参数测量发展。
电子称重系统制造技术及其应用得到了新发展。
国内电子称重技术基本达到国际上20世纪90年代中期的水平，少数产品的技术已处于国际领先水平。
做为重量测量仪器，智能电子秤在各行各业开始显现其测量准确，测量速度快，易于实时测量和监控的巨大优点，并开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量称，成为测量领域的主流产品[1]。
在国际上，一些发达国家在电子称重力一面，从技术水平、品种和规模等方到了较高的水平。
特别是在准确度和可靠性等方面有了很大的提高。
其中梅特勒一托利多公司生产的BBK4系列高精度电子秤精度达到了1mg，速度大约为1次/秒。
目前，电子秤在称量速度方面需要进一步的研究。
在称重传感器方面，国外产品的品种和结构又有创新，技术功能和应用范围不断扩大。
电子秤产品量大面广、种类繁多，从通用的各种规格的电子秤到大型的电子称重系统，从单纯的称重、计价到生产过程检测系统的一个测量控制单元，其应用领域在不断地扩大。
根据近年来电子称重技术和电子衡器的发展情况及电子衡器市场的需求，电子衡器总的发展动向为：
小型化、模块化、智能化、集成化；其技术性能趋向于速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其应用性趋向于综合性、组合性。
小型化：
体积小、高度低、重量轻，即小薄轻。
为使电子衡器的承载器达到小、薄、轻，开始采用重量轻且刚度大的空心波纹铜板和方形闭合截面的薄壁型材。
模块化：
电子衡器的承载器采用模块式一体组合或分体组合，产生新的品种和规格。
这种模块化组合不但提高了产品的通用性和可靠性，而且也大大提高了生产效率，降低了成本。
智能化：
与电子计算机组合或开发称重用计算机，利用计算机的智能来增加称重显示控制的功能，使其在原有功能的基础上增加判断、自诊断、自适应、自组织等功能。
集成化：
对于某些品种和结构的电子衡器，可以实现承载器与称重传感器一体化或承载器、称重传感器与称重显示控制器一体化。
综合性：
电子称重技术和电子衡器产品的应用范围不断扩大，它已渗透到一些学科和工业自动控制领域。
对某些商用电子计价秤而言，只具备称重、计价、显示、打印功能还远远不够，现代商业系统还要求它能提供各种销售信息，把称重与管理自动化紧密结合，使称重、计价、进库、销售管理一体化，实现管理自动化。
这就要求电子计价秤能与电子计算机联网，把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统。
组合性：
在工业生产过程或工艺流程中，不少称重系统还应具有可组合性，即：
测量范围可以任意设定；硬件能够依据不定的程序进行修改和扩展；输入输出数据与指令可使用不同的语言，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。
1.3本设计的主要工作
本文的主要任务是以单片机为核心设计功能完善的电子秤，根据生活中电子秤的基本功能及单片机系统的开发流程可知，本设计的主要工作为：
（1）学习和掌握单片机工作原理、编程方法、系统开发流程；
（2）分析电子秤的基本功能，提出总体设计方案；
（3）设计系统硬件电路，并对单片机及各模块方案进行分析和选择，用Protel软件绘制电路原理图；
（4）选择适合系统的开发工具，编写系统的应用程序，在开发环境中编译、连接；
（5）将编译好的应用程序写入单片机，结合硬件进行总体调试，最终实现电子秤的主要功能。
第2章系统的组成及工作原理
2.1系统的组成
本数字电子秤系统主要分为单片机控制电路、A/D转换电路、传感器、LCD显示、矩阵键盘、蜂鸣器模块等几部分，其系统组成如图2.1所示。
图2.1系统的组成框图
2.2系统的工作原理
系统原理如图2.1所示，系统通过传感器将压力转化为电信号，即传感器内部的电阻应变片感受到压力后，电阻发生了微小的变化，通过全桥测量电路将电阻的微小变化转化为电压的微小变化，HX711将信号放大到A/D转换芯片能采集的范围，然后由A/D转换芯片进行采集，接着把采集到的24位高低电平通过D-OUT送到单片机进行处理，然后把数字信号输送到显示电路中，由液晶显示器输出测量结果。
系统主要用单片机进行控制输出，在线性度的确定过程中，需要对程序进行反复修改，最终实现设计的要求。
第3章系统硬件设计
3.1主控芯片STC89C52单片机基本系统
3.1.1STC89C52单片机性能介绍
STC89C52是一种低功耗、高性能8位微控制器，系统具有8K的在可编程闪烁存储器，与80C51产品指令和引脚完全兼容[2]。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统上可编程闪烁存储单元，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案[3]。
STC89C52主要具有以下功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口[4]。
另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz，6T/12T可选[5]。
3.1.2STC89C52单片机引脚功能
电源引脚：
VCC，电源输入，接＋5V电源GND，接地线
外接晶振引脚：
XTAL1：
片内振荡电路的输入端；XTAL2：
片内振荡电路的输出端
控制引脚：
RST/VPP：
复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位
ALE/PROG：
地址锁存允许信号PSEN：
外部存储器读选通信号
EA/VPP：
程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令
可编程输入/输出引脚：
STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。
PO口：
8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7
P1口：
8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7
P2口：
8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7
P3口：
8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7
3.1.3复位电路
复位是单片机的初始化操作。
它的主要功能是初始化PC为0000H，单片机从0000H单元开始执行程序。
除了正常的初始化到系统中，当程序运行出错或操作错误。
系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位键重新启动。
RST引脚是复位信号输入端。
复位信号是高有效，有效时间应该是24个振荡周期（即两个机器周期）以上。
复位电路由两部分组成，芯片。
外部电路产生一个复位信号（RST）送到施密特触发器，然后在每个机器周期的S5P2输出施密特触发采样信号片上复位电路，得到所需的内部复位操作。
其电路图如图3.1所示。
图3.1STC89C52单片机复位电路，晶振电路图
3.1.4晶振电路
STC89C52单片机反相放大器配置为使用一个内部振荡器，XTAL1和XTAL2分别输入和该晶体的输出端，外接石英晶体或陶瓷谐振器及补偿电容C2，C3构成并联谐振电路。
当外部晶振为石英晶体时，电容C2，C3为30pf±10p；当外部晶振为陶瓷谐振器时，C2，C3电容为40pf±10p。
STC89C52系统一般选择在1.2-12MHz的振荡频率。
外部电容C2，C3会影响振荡频率的大小，频率稳定，振动时间和温度稳定性。
在电路板的设计，晶体和电容应靠近单片机，为了减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠工作。
在本系统中，选用12MHz的石英晶体，电容C1，C2为30pF。
其电路图如图3.1所示。
3.2A/D转换芯片HX711接口电路的设计
根据设计要求，输出电流信号的系统要求是20~1000mA，步进1mA，并显示值，因此，至少12位转换精度驱动器数量的A/D转换器需要。
根据系统的设计要求，考虑到I/O单片机接口资源的限制等因素，最终选择的hx711量化精度可以达到1／4096＜1／1000，完全可以满足设计精度要求。
HX711接口电路如图3.2所示。
图3.2HX711接口图
HX711是一个24位的高精度A/D转换芯片的称重传感器的设计。
该芯片的外围电路包括电源，和芯片的时钟振荡器，与其他类型的芯片相比，该芯片集成度高，响应速度快，抗干扰能力强，降低电子秤的成本，提高了性能和可靠性。
接口芯片和MCU芯片端口编程是非常简单的，由引脚控制信号，不需要芯片编程。
输入可以选择A或B通道，对应于为差量或差分输入信号幅度，通道可编程增益为128或64，B通道为32的固定增益。
稳压电源芯片可以直接提供模拟电源到外部传感器，A/D转换器，无需额外电源仿真。
不需要任何外部元件芯片的时钟振荡器，电源自动复位功能简化了开机初始化过程。
3.2.1HX711引脚功能
HX711的引脚功能如表3.1所示。
表3.1HX711引脚功能
管脚号
名称
性能
描述
1
VSUP
电源
稳压电路供电电源：
2.6-5.5V（不用稳压电路时接AVDD）
2
BASE
模拟输出
稳压电路控制输出（不用稳压电路时为无连接）
3
AVDD
电源
模拟电源：
2.6-5.5V
4
VFB
模拟输入
稳压电路控制输入（不用稳压电路时应接地）
5
AGND
地
模拟地
6
VBG
模拟输出
参考电源输入
7
INA
模拟输入
通道A负输入端
8
INA+
模拟输入
通道A正输入端
9
INB
模拟输入
通道B负输入端
10
INB+
模拟输入
通道B正输入端
11
PD-SCK
数字输入
断电控制（高电平有效）和串口时钟输入
12
DOUT
数字输出
串口数据输出
13
X0
数字输入输出
晶振输入（不用晶振时为无连接）
14
X1
数字输入
外部时钟或晶振输入，0：
使用片内振荡器
15
RATE
数字输入
输出数据速率控制，0：
10Hz；1：
80Hz
16
DVDD
电源
数字电源：
2.6-5.5V
3.2.2HX711管脚说明
模拟输入
通道A模拟差分输入可直接与桥式传感器的差分输出相接。
由于桥式传感器输出的信号较小，为了充分利用A/D转换器的输入动态范围，该通道的可编程增益较大，为128或64。
这些增益所对应的满量程差分输入电压分别±20mV或±40mV。
通道B为固定的增益，所对应的满量程差分输入电压为±40mV。
通道B应用于包括电池在内的系统参数检测，表3.2为主要电器参数介绍。
表3.2主要电气参数
参数
条件及说明
最小值典型值最大值
单位
满额度差分输入范围
V（inp）-V（inn）
±0.5（AVDD/GAIN）
V
输入共模电压范围
AGND+0.6AVDD-0.6
V
输出数据速率
使用片内振荡器，RATE=0
10
Hz
使用片内振荡器，RATE=DVDD
80
外部时钟或晶振，RATE=0
fclk/1,105,920
外部时钟或晶振，RATE=DVDD
fclk/138，240
输出数据编码
二进制补码
8000007FFFFF（HEX）
输出稳定时间
（1）
RATE=0
400
mv
RATE=DVDD
50
输入零点漂移
增益=128
0.2
增益=64
0.8
输入噪声
增益=128，RATE=0
50
nV（rms）
增益=128，RATE=DVDD
90
温度系数
输入零点漂移（增益=128）
±7
nV/℃
增益漂移（增益=128）
±3
ppm/℃
输入共模信号抑制比
增益=128，RATE=0
100
dB
电源干扰抑制比
增益=128，RATE=0
100
dB
输出参考电压（VBG）
1.25
V
外部时钟或晶振频率
111.059230
MHz
电源电压
DVDD
2.65.5
V
AVDD,VSUP
2.65.5
模拟电源电路
（含稳压电路）
正常工作
1600
uA
断电
0.3
数字电源电路
正常工作
100
uA
断电
0.2
供电电源
数字电源（DVDD）应使用与MCU芯片相同的数字供电电源。
HX711芯片内额稳压电路可同时向A/D转换器和外部传感器提供模拟电源。
稳压电源的供电电压可与数字电源相同。
稳压电源的输出电压值（VAVDD）由外部分压电阻R1、R2和芯片的输出参考电压VBG决定，VAVDD=VBG（R1+R2）/R2。
应选择该输出电压比稳压电源的输入电压（VSUP）低至少100mV。
如果不使用芯片内的稳压电路，管脚VSUP和管脚AVDD应相连，并接到电压为2.6~5.5V的低噪声模拟电源。
管脚VBG上不需要外接电容，管脚VFB应接地，管脚BASE为无连接。
时钟选择
如果将管脚XI引脚接地，HX711将自动选择使用内部时钟振荡器，并自动关闭外部时钟输入和振荡器电路。
在这种情况下，输出数据速率通常10Hz或80Hz。
如果你需要输出数据率准确，外部输入时钟是通过20pF引脚电容连接到西，或晶体振荡器相连，西与XO引脚。
在这种情况下，时钟振荡器电路芯片会自动关闭，时钟或外部时钟输入。
在这个时候，如果晶体的频率为10Hz或80Hz11.0592MHz，输出数据准确率。
输出数据速率和晶体之间的关系的频率增加或减少的比例。
使用外部输入时钟，外部时钟信号不一定是方波。
单晶体时钟信号输出引脚通过连接到20pF电容，作为外部时钟输入。
串口通讯
串口通讯线由管脚PD-SCK和DOUT组成，用来输出数据，选择输入通道和增益。
当数据输出管脚DOUT为高电平，表明A/D转换器还未准备好输出数据，此时串口时钟输入信号PD-SCK应为低电平。
当DOUT从高电平变低电平后，PD-SCK应输入25至27个不等的时钟脉冲。
其中第一个时钟脉冲的上升沿将读出输出24位数据的最高位（MSB），直至第24个时钟脉冲用来选择下一个A/D转换的输入通道和增益，输入通道和增益说明如表3.3所示。
表3.3输入通道和增益选择
PD-SCK
脉冲数输入通道
增益
25
A
128
26
B
64
27
A
64
PD-SCK的输入时钟脉冲数不应少于25或多于27，否则会造成串口通讯错误。
当A/D转换器的输入通道或增益改变时，A/D转换器需要4个数据输出周期才能稳定。
DOUT在4个数据输出周期后才会从高电平变低电平，输出有效数据，如表3.4所示。
表3.4四个周期选择说明
符号
说明
最小值
最大值
单位
T1
DOUT下降沿到PD-SCK脉冲上升沿
0.1
us
T2
PD-SCK脉冲上升沿到DOUT数据有效
0.1
us
T3
PD-SCK正脉冲电平时间
0.2
50
us
T4
PD-SCK负脉冲电平时间
0.2
us
复位和断电
当芯片上电时，芯片内的上电自动复位电路会使芯片自动复位。
管脚PD-SCK输入来控制HX711的断电。
当PD-SCK为低电平时，芯片处于正常工作状态。
如果PD-SCK从低电平变高电平并保持在高电平超过60us，HX711即进入断电状态。
如果使用片内稳压电源电路，断电时，外部传感器和片内A/D转换器会被同时断电。
当PD-SCK重新回到低电平时，芯片会自动复位后进入正常工作状态。
芯片从复位或断电状态后，通道A和增益128会被自动选择为作为第一次A/D转换的输入通道和增益。
随后的输入通道和增益选择由PD-SCK的脉冲数决定，参见串口通讯一节。
芯片从复位或断电状态进入正常工作状态后，A/D转换器需要4个数据输出周期才能稳定。
DOUT在4个数据输出周期后才会从高电平变为低电平，输出有效数据。
3.3压电传感器的设计
3.3.1应变式电阻传感器
应变片式电阻传感器是以应变片为传感器元件的传感器。
它具有以下优点：
1.精度高，测量范围广；2.使用寿命长，性能稳定可靠。
3.结构简单、尺寸小、重量轻，因此在测量时，对工件工作状态及应力分布影响小；4.频率响应特性好。
应变片响应时间约为100ns；5.可在高低温、高速、高温、强烈振动、强磁场、核辐射和化学腐蚀等恶劣环境条件下工作；6.应变片种类繁多，价格便宜。
电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械形变时，它的电阻值相应发生变化。
应变片式电阻传感器应用很广。
本设计采用的是梁式力传感器，该传感器结构简单、灵敏度高。
适用于小压力测量。
3.3.2应变片式电阻传感器的结构和原理
电阻应变式传感器测量，通过金属弹性变形到原始的电阻变化。
两部分由应变计和测量电路。
应变计：
有两种常用的电阻应变片和半导体应变计，本设计是基于电阻应变计，为了获得高的电阻，电阻丝排成网状，贴在绝缘衬底上的电阻丝，两端的导线，导线与顶盖层，从而起到保护的作用[6]。
电阻应变片也有误差，产生的因素很多，所以在测量时我们一定要注意。
其中的温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：
A:
电阻丝温度系数引起的。
B：
电阻丝与被测原件对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的办法是在被粘贴的基片上采用适当及温度系数的自动补偿，并从外部对它加以适当的补偿。
非线性误差是传感器特性中最重要的一点。
产生非线性误差的原因很多，一般来说主要由结构设计决定，通过线性补偿，也可以得到改善。
滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。
由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用[7]。
电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械形变时，它的电阻值相应发生变化[8]。
设有一根电阻丝，如图所示。
它在未受力时的原始电阻值为
（式3.1）
式中:
——电阻丝的电阻率；
——电阻丝的长度；
——电阻丝的面积。
电阻丝在外力的作用下，将引起电阻变化
，且有
（式3.2）
令电阻丝的轴向效应为
，由材料力学可知
，
为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得
（式3.3）
通常把单位应变所引起的电阻相对变化称作电阻线的灵敏系数，其表达式为
（式3.4）
从上式可以明显看出，电阻丝灵敏系数
由两部分组成：
表示受力后由材料的几何尺寸变化引起的；
表示由材料电阻变化所引起的。
对于金属材料，
项的阻值要比
小得多，可以忽略，故
=
。
大量实验证明，在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即
=1.7～3.6。
上式可写成
。
3.3.3全桥测量电路
应变式传感器常用的测量电路有单臂电桥、差动半桥和差动全桥，其中差动全桥可提高电桥的灵敏度，消除电桥的非线性误差，并可消除温度误差等共模干扰。
一般在测量中都使用4片应变片组成差动全桥，本设计所采用的传感器就是全桥测量电路。
其电路图如图3.3所示。
桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，另一个对角线位输出电压Uo。
其特点是：
当四个桥臂电阻达到相应关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。
应变电阻作为桥臂电阻接在电桥电路中。
无
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