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电子秤的设计报告
一、设计要求
基于电子秤的现状，本项目拟研究一种用单片机控制的高精度智能电子秤设计方案。
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的使用需求。
主要功能有去皮、计价、总计、单价设定、总量、单键、总计显示等。
基本要求：
1实时显示称重物体的重量，量程20kg
2分度值为5
3超限报警
4去皮功能
二、设计目的
1、能根据电子秤的用途，选择合适的显示器，并进行接口设计
2、能根据任务要求，选择合适的称重传感器
3、能根据电子秤的技术要求，选择合适的A/D转换器
4、能根据电子秤的功能要求，进行程序设计与调试
三、设计的具体实现
1、系统概述
1.1系统结构及工作原理
电子秤的基本结构：
电子秤是利用物体的重力来确定物体质量的测量仪器，也可以来确定与质量有关的其他量的大小、参数或特性。
不管根据什么原理之称的电子秤，均由承重和传力复位系统、称重传感器和测量显示装置三部分组成。
①承重和传力复位系统：
它是被称物体与转换元件之间的机械、穿礼服为，又被称为电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减震机构等。
②称重传感器：
即把非电量转换成电量的转换元件，它是把支撑力变换成电或其他形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。
有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；稳定可靠等基本要求。
③测量显示装置:
即处理称重传感器信号的电子线路和指示部件，习惯上称它为载荷测量装置或二次仪表。
在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤波、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。
电子秤的工作原理：
当被称物体放在平台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力——电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系的电信号。
此信号由放大电路进行放大、滤波后再由A/D器进行转换，数字信号在送到微处理器的CPU处理。
CPU不断扫描键盘和各种功能开关，根据键盘输入的内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析，由仪表的软件来控制各种运算。
运算结果送到内存储器，需要显示时，CPU发出指令，从内存储器中读出数据送到显示器进行显示。
电子测量系统的结构如图1所示。
图1电子秤测量系统的结构图
1.2主要器件的选择
1.2.1称重传感器
称重传感器在电子秤中占有十分重要的位置，被誉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%，若在环境恶劣条件下，传感器所占的误差比例就更大，因此，再设计电子秤时，正确选用称重传感器非常重要。
⑴常用的各种称重传感器
根据工作原理分为以下几种：
电阻应变式、电容式、压磁式、谐振式等。
①电阻应变式称重传感器是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，然后以适当得方式组成电桥，将力转换成电信号的转换元件。
②电容式称重传感器是把被称物体的重量转换成电容器容量变化的一种传感器，它以各种不同类型的电容量作为转换元件，实际是一个具有可变参数的电容器。
③压磁式称重传感器也称磁弹性传感器，它是一种力——电转换的无源传感器。
④谐振式称重传感器也称频率式传感器，它是利用机械振子的固有频率或石英晶体的谐振特性，随着被称物体重量的变化产生频率变化现象而形成信号的一种传感器。
⑵电阻应变式传感器
在电阻应变式称重传感器中，通过桥式电路将电阻变化转换成电压变化。
电阻应变式称重传感器的工作原理框图如图2所示。
载荷P应变ε电阻变化△R输出电压
图2电阻应变式称重传感器的工作原理框图
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将不发生变形，阻值不变，电桥平衡，输出电压为零；当传感器受力时，应变片就会发生形变，阻值发生变化，电桥失去平衡，有输出电压。
电阻应变式称重传感器的桥式测量电路如图3所示。
图3电阻应变式称重传感器的桥式测量电路
R1、R2、R3、R4为四个应变片的电阻，组成了桥式测量电路，Ein为激励电压，Uo为输出电压。
在应变片电阻变化前，电桥的输出电压为：
Uo
当满足条件R1=R2=R3=R4时，Uo=0。
当R1=R-△R,R2=R+△R,R3=R-△R，R4=R+△R时，电桥输出电压为：
Uo=E/4R（△R1-△R2-△R3-△R4）
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4个桥臂应变片的灵敏系数相同，且△R/R=Kε,上式可写成：
Uo=EK/4（ε1-ε2+ε3-ε4）
式中K为应变片灵敏系数，ε为应变量。
上式表明，电桥的输出电压和4个桥臂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中，四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形变。
在力的作用下，R1、R3被拉伸，阻值变大，△R1、△R3为正值，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ε1=ε3=+ε
△R2=△R4=-△R或ε2=ε4=-ε
因此，Uo=EK/4×4ε=EKε
⑶称重传感器的主要性能指标
输出灵敏度：
传感器在额定载荷的作用下，供桥电压为1V时的输出电压。
在任意载荷下，传感器的输出电压=所加载荷×供桥电压×输出灵敏度/额定载荷。
非线性误差：
传感器承受的载荷与其相应的输出电压之间并非成完全的线性关系，由此而造成的误差为传感器的非线性误差。
不重复性：
在同一环境条件下，对传感器反复施加某载荷时，其每次输出的电压值不尽相同，这种现象称为传感器的不重复性。
零点不平衡输出：
在传感器不受任何载荷的条件下，传感器的输入端加额定的供桥电压时的输出电压，称为零点不平衡输出。
⑷称重传感器的组合方式
将电子衡器中各传感器的桥路组合起来合理使用的方法，通常有串联工作方式、全并联工作方式、串并联混合工作方式3种。
①串联工作方式：
各个传感器使用独立电源单独供桥，输出端串联连接的方式。
②全并联工作方式：
各个传感器的输入端并联，使用一个公共电源供桥，输出端也以并联的工作方式。
③串并联混合工作方式：
通常各个传感器使用独立的电源单独供桥，但输出端为并联连接。
⑸称重传感器的选择
选择称重传感器主要从以下几方面考虑：
①要考虑传感器所处的实际工作环境
②对传感器数量和量程的选择
③传感器准确度等级的选择
此课题选用电阻应变式传感器。
1.2.2A/D转换器
A/D转换器的作用就是把模拟量变换成计算量机能接受的数字量。
A/D转换过程主要包括采样、保持、量化及编码。
采样和保持式将变化的待测模拟信号在A/D转换工作期间保持稳定，以保证转换结果的稳定，采样保持的结果是把模拟信号在时间上离散化。
量化是把采样并保持稳定的待测信号的值和给定的参考电平按一定的精度进行比较，得到一个与参考电平对应的比例，即把模拟信号早幅值上离散化。
编码是把量化后的比例值变换成相应的二进制数码。
⑴A/D转换器的分类
按其变换原理可分为积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行比较型、∑—△调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型等。
①积分型：
积分型A/D转换器的工作原理是将输入电压转换成时间或频率信号，然后由定时器/计数器获得数值。
②逐次逼近型：
逐次逼近型A/D转换器由一个比较器和D/A转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，依次对每一位将输入电压与内置D/A转换器的输出电压进行比较，经n次比较而输出数字值。
③并行比较型/串并行比较型：
并行比较型A/D转换器采用多个比较器，仅作一次比较就实行转换，又称Flash型转换器。
④∑—△调制型：
∑—△型A/D转换器由积分器、比较器、1位D/A转换器和数字滤波器等组成。
原理上近似于积分型转换器，将输入电压转换成时间（脉冲宽度）信号，用数字滤波器处理后得到数字值。
⑤电容阵列逐次比较型：
在内置D/A转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配转换器。
⑥压频转换型：
是通过间接转换方式实现模数转换的。
器原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。
⑵A/D转换器芯片的选择
①根据单片机的接口特征，考虑如何选择A/D转换器的输出状态。
②根据系统要求的误差，选择A/D转换精度及分辨率。
③根据信号对象的变化率及转换精度的要求，确定A/D转换的速度，以满足系统的实时性要求。
④根据环境条件选择A/D转换芯片，以满足一些环境参数的要求。
⑶常用的A/D转换芯片
①8为并行数据输出A/D转换器——ADC0809：
ADC0809是采样分辨率为8位的、微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。
②串行A/D转换器——TLC0834：
TLC0834是TI公司生产的8位逐次逼近模数转换器，精度为8bit。
四通道模拟量输入，可设置成四通道单端方式或二通道差分方式，转换后的8bit为无符号整型值。
③双积分A/D转换器——ICL7135：
ICL7135是采用CMOS工艺制作的单片1/2为A/D转换器，输出端D1-D4以及多路复用的二-十进制代码输出端B1、B2、B4、B8，提供适用于LED或LCD译码器和微处理器的接口。
④∑—△型A/D转换器——CS1180：
CS1180是24位高精度、低功耗的Sigma-Delta模数转换芯片，其有效分辨率可达20位，可以在2.7——5.5V的电源电压条件下工作。
CS1180提供的1——128倍可编程增益放大器，在128倍时，其有效分辨率可达18位.调制器是一个二阶Sigma-Delta调制器，芯片的FIR滤波器提供的50Hz和60Hz的陷波滤波，有效提高了芯片的抗干扰性能。
⑤电子秤专用A/D转换器芯片——HX711：
HX711是海芯科技专为高精度电子秤设计的24位A/D转换器芯片，内部集成了A/D转换器所需的稳压电源、片内时钟振荡器，它具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。
特点如下：
两路可选差分输入；片内低噪声可编程放大器，可选增益64和128；片内稳压电路可直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源；片内时钟振荡器无需任何外接器件，必要时也可使用外接晶振或时钟；上电自动复位电路；简单的数字控制和串口通信，所有控制均由管脚输入，芯片内的寄存器无需编程；可选择10Hz或80Hz的输出数据速率；同步抑制50Hz和60Hz的电源干扰。
此课题选用8为并行数据输出A/D转换器——ADC0809。
1.2.3显示器的选择
用于电子秤的显示的器件主要有LED数码管、字符型液晶显示模块。
它们的显示方式各有优点，在具体选择显示器件时还应考虑以下几点。
①现实的内容：
不同的显示器件显示的内容不同，例如LED数码管一般显示十六进制的16个字符；字符型液晶显示模块一般显示数字、字母及一些特殊符号；点阵LED显示模块能显示数字、字母和汉字。
②显示的信息：
不同的显示器件显示的信息量不同，例如6位的数码管有14根接口线，但显示的信息只是6位数字；字符型液晶显示模块有11根接口线，但显示的信息为2×16位数字或字符；点阵LED显示模块有16根接口线，但只能显示一个数字、字符或汉字。
③显示器件的功耗：
不同的显示器件在显示信息时功耗不同，一般来说LED显示器的功耗比液晶显示器的大很多。
此课题选用LED数码管显示器。
1.2.4键盘、显示接口芯片
⑴8279接口芯片
8279是一种通用的可编程的键盘/显示器接口器件，可对64个开关组成的键盘矩阵进行自动扫描，接受键盘上的输入信息，并在有键盘输入时向单片机请求中断，还能对8位或16位LED进行自动扫描，使显示缓冲器的内容在LED上显示出来。
利用8279实现对键盘/显示器的自动扫描，可以减轻CPU的负担，具有显示稳定，程序简单等特点。
⑵TA6932
TA6932是LED驱动控制的专用电路，内部集成有MCU数字接口、数据锁存器、LED大电流驱动等电路。
主要用于多段位显示屏驱动，采用SOP32封装。
主要有以下特性：
采用COMS工艺；显示模式为8×16位；辉度调节电路；串口并行；振荡方式为RC振荡；内置上电复位电路；封装形式为SOP32。
此课题选用8279接口芯片。
2、单元电路设计
2.1A/D接口设计
本设计采用ADC0809作为A/D转换器件，它是采样分辨率为8位的、微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。
使用时，首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。
直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。
为了调试方便，在设计中加入了电位器，当ADC0809正常工作时，再接入传感器进行调试。
由于ADC0809芯片的时钟频率的要求，则需将单片机的ALE信号分频再传给ADC0809，本设计选用两个D触发器对ALE信号进行分频。
ADC0809芯片的8位数字量输出端直接接单片机的P1口，选用通道0作为模拟量输入端，则需将A、B、C接低电平，电路原理图如图4所示。
图4A/D转换电路原理图
2.2人机接口设计
本设计采用AT89C51控制8279，驱动8位数码管显示和16个按键的电路，并能实现键盘输入的数据在8个数码管上显示键盘的键值（右边进入方式显示）。
电路的原理图如图5所示。
图5基于8279的键盘、显示接口设计原理图
8051系列单片机的内部结构是各种逻辑单元及其之间的互连构成的。
其主要由中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、串行接口、并行I/0接口、定时/计数器、中断系统等几大单元，以及数据总线、地址总线和控制总线组成。
AT89C51单片机特点能与MCS-51兼容，有4K字节可编程闪烁存储器，寿命能够达到1000写/擦循环，数据可以保留时间长达10年，全静态工作：
0Hz-24MHz，三级程序存储器锁定，128×8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。
此原理图包含了复位电路、振荡电路，AT89C51的P0口连8279的DB口并且接上高电平用以传送CPU和8279之间的数据和命令。
OUTB口（低四位）输连接4511的A、B、C、D口进行动态扫描。
AT89C51的30端口接8279的CLK口100kHz时为最佳选择。
8279的IRQ口接非门，平常IRQ为低电平，在键盘模式下，每次读取FIFO/SENSORRAM的数据时IRQ变为高电平，读取后转为低电平；在传感器模式下，只要传感器一有变化，就会使IRQ变为高电平，读取后转为低电平。
8279的RESET口接AT89C51的ALE口，高电平时使8279复位。
AT89C51的P2.0接8279的A0，A0=1时读取状态标志位或写入命令；A0=0时，读写一般数据。
AT89C51的RD接8279的RD，当RD=0时，8279会送数据至外部总线。
AT89C51的WR接8279的WR,当WR=0时，8279会从外部总线捕捉数据。
8279的SL口接74AS138的A、B、C端口，从74AS138的Y口输出连接LED数码管，74AS138的Y0、Y1接键盘，为扫描按键开关的输出端。
8279的RL口接按键，无按键被按时，返回线都为高电平；当有按键被按时，该按键的返回线为低电平。
AT89C51的P2.7口接8279的22端口，芯片选择，低电平有效，将命令写入8279或读取8279中的数据。
8279的BD口接4511的4端口作为的LED控制接口。
VCC接+5V电源。
AT89C51的P1口作为A/D转换后的信号输入端。
AT89C51的P2.4口作为报警电路的控制接口。
2.3报警电路的设计
本设计采用蜂鸣器作为报警器，从而实现阈值报警功能。
其设计电路如图6所示，将蜂鸣器的正极接VCC，负极接三极管8550的集电极，8550的基极串联一个2K的电阻再接到CPU的P2.4口，当P2.4为高电平时，8550无法导通，蜂鸣器不叫，当P2.4为低电平时，8550导通，蜂鸣器报警。
报警电路原理图如图6所示。
图6报警电路原理图
3、软件程序设计
人机接口设计主程序流程图：
主程序设计的流程：
开机后进行初始化,依次执行设置8279为右边输入，设置分频值，清除显示器RAM，写入显示RAM，主程序流程流程图如图7所示。
图7人机接口设计主程序流程图
A/D接口设计：
数据采集由ADC0809芯片来完成，主要分为启动、读取数据、等待转换结束、读出转换结果、采集的数据求和、取平均（退出）几个步骤。
ADC0809初始化后，就具有了将某一通道输入的0～5V模拟信号转换成对应的数字量0x00~0xff，然后再存入指定缓冲单元中。
其转换方式可以采用程序查询方式，延时等待方式和中断方式三种。
本设计采用的是延时等待方式，具体程序流程图如图8所示：
图8A/D接口设计流程图
数据处理子程序是整个程序的核心。
主要用来调整输入值系数，使输出满足量程要求。
另外完成A/D的采样结果从二进制数向BCD码转化。
在硬件调试过程中重量与电压的关系如表一所示：
质量/g
20
40
60
80
100
120
电压/V
0.39
0.78
1.16
1.56
1.94
2.34
质量/g
140
160
180
200
220
240
电压/V
2.73
3.12
3.50
3.89
4.28
4.67
表一
线性符合设计要求，且每个砝码对应的电压值转BCD码后正好近似20，则无需其他处理。
四、结论与展望
本设计成功实现了电子称量功能，在原始电子称的基础上还增加了阈值报警和去皮称重功能。
利用LED同时显示当前重量值、可测重量的上限值。
本产品总体实现智能电子称的功能。
但是由于本次设计由于传感器发出的信号不是很稳定，所以称重时误差很大。
如果使用精密度较高的传感器，效果会好很多。
其次是数据采集处理阶段，此阶段是对传感器发出的信号进行量化、采集，主要分为信号放大、采集，然后进行A/D转换。
该阶段需注意的地方是对传感器输出的信号进行放大时，应选取合适的运算放大电路。
最好是预先计算好应放大的倍数，以便选取。
还有就是进行数据处理时，选取适当的数据转换系数，使输出满足量程要求。
随着集成电路和计算机技术的迅速发展，使电子仪器的整体水平发生巨大变化，传统的仪器逐步的被智能仪器所取代。
智能仪器的核心部件是单片机，因其极高的性价比得到广泛的应用与发展，从而加快了智能仪器的发展。
而传感器作为测控系统中对象信息的入口，越来越受到人们的关注。
传感器好比人体“五官”的工程模拟物，它是一种能将特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置本次课设中的半桥电子秤就是在以上仪器的基础上设计而成的。
因此，只有充分了解有关智能仪器、单片机、传感器以及各部分之间的关系才能达到要求。
五、心得体会及建议
在这个设计的制作过程中,我遇到了各种各样的困难。
首先在选择元器件上，因为在学习中我大多停留在基础知识上,平时动手操作的机会还不够多,对一些元器件的规格了解不多,所以选材上动了一番脑筋.设计的方案也是一改再改,根据查找资料和请教同学,最后才把设计图纸确定下来。
经过这次课程设计，我觉得自己学到了不少东西。
学会了怎样查阅资料和利用工具书。
当在设计过程中需要用一些不曾学过的东西时，就要去有针对性地查找资料，然后加以吸收利用，以提高自己的应用能力，而且还能增长自己见识，补充最新的专业知识，并熟练掌握了PROTEL软件画电路。
经过这几周的努力，终于按照课程设计进度要求如期完成了实用电子秤控制系统的硬件设计任务。
在做课程设计的过程中，虽然碰到了不少的困难，但是在老师的指导以及同学的帮助和自己的努力下，终于取得了一定成果。
我熟悉了AT89C51、8279单片机功能及工作特性，掌握其接口扩展方法。
通过对数据采集的分析，了解了各种传感器、放大器及A/D转换器对信号的转换、传输有了更深的认识。
对键盘和显示器进行选型比较，得出各种型号优劣比。
由于传感器的限制，此课题只是简单介绍了用压力应变片设计的电子天平，市场上有很多功能更强的传感器，设计出来的电子天平能更加精准。
但只要掌握了制作原理，就能做出更好的工具。
这些都为我今后的学习和工作留下了积极的影响。
六、附录
附录1：
元器件明细表：
名称
数量
名称
数量
电阻
2
ADC0809
1
电容
3
74HC74
2
晶振
1
AT89C51
1
LED
2
蜂鸣器
1
三极管
2
导线
若干
8279
1
4511
1
74AS138
2
按键
17
附录2：
原理图见附图
七、参考文献
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2、岂兴明等.51单片机编程基础与开发实例详解.人民邮电出版社.2008、11
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6、马汝星.单片机应用系统设计与制作.人民邮电出版社.2010、1
7、薛鹏骞梁秀荣等.电子设计自动化技术实用教程.中国矿业大学出版社.2007、2
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