基于单片机控制的多功能电子称设计.docx

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基于单片机控制的多功能电子称设计

ANYANGINSTITUTEOFTECHNOLOG

本科毕业论文

基于单片机控制的多功能电子秤设计

TheDesignofMulti-functionElectronicScaleBasedonSingleChipMicrocomputerControl

系（院）名称：

电子信息与电气工程学院

专业班级：

自动化2008级2班

学生姓名：

xx

学号：

2008020200xx

指导教师姓名：

xxx

指导教师职称：

讲师

2012年5月

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

基于单片机控制的多功能电子秤的设计

摘要：

该设计以51系列单片机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，分步的设计各个单元功能模块，系统的硬件部分可以分为最小系统、数据采集、人机交互界面和系统电源四大部分。

最小系统部分包括AT89S52和报警电路；数据采集部分由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换器HX711组成；人机交互界面为4×4键盘输入和点阵式液晶显示器LM4229，可以方便的输入数据和直观的显示中文。

系统电源以LM7805为核心设计电路，为系统提供稳定的工作电压。

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0～9.999Kg，重量误差不大于±0.005Kg；显示所称物体重量、名称、单价、金额和购物清单。

整个系统结构简单、使用方便、功能齐全、精度高具有一定的开发价值。

关键字：

单片机；电子秤；液晶显示

TheDesignofMulti-functionElectronicScaleBasedonSingleChipMicrocomputerControl

Abstract:

ThedesignisbasedonthemicrocontrollerAT89S52systemasthecoretocarryoutthebasiccontrolfunctionoftheelectronicssteelyard.Whiledesigningthesystem,Iadoptthemoldpiecemethodtodividethehardwareofthesystemintofourparts:

theminimumsystem,samplingcircuit,I/Ointerfaceandthesystempowersupply.TheminimumsystemmainlyincludestheAT89S52andalarmcircuit.Samplingcircuitiscomprisedofapressuresensor,signalpreprocessingandanA/DconverterHX711.Withtheusageof4×4keyboardandLM4229display,wecompletethefunctionofthekeyboardinputandtheLCDmanifestation.ThepowersupplysystemselectstheLM7805todesigntheelectriccircuittoprovidetheneededpowersupply.ThesoftwarepartappliesamachineClanguagetocarryoutallcontrolfunction.Theelectronicsteelyardcanweighthescopeas0～9.999Kgs,andtheweigherrormarginisnobiggerthan±0.005Kgs.Italsohasmanyotherfunctions,suchasdisplayingtheweightoftheobject, name, unitprice andtheamount.Thewholesystemissimple,well-found,convenienttouseandhashighaccuracyandcertaindevelopmentvalue.

Keywords：

Microcontroller;ElectronicScale;LCD

引言

称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。

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的过程。

特别是近30年以来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出电信号的电子衡器。

这是由于电子衡器不仅能给出质量或重量信号，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制和检验功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。

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的组成部分。

随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子秤的发展奠定了其础，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%称量准确度的电子秤，并在70年代中期约对75%的机械秤进行了机电结合式的电子化改造。

称重装置不仅是提供重量数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，推进了工业生产的自动化和管理的现代化，它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。

称重装置的应用已遍及到围民经济各领域，取得了显著的经济效益。

因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。

50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。

60年代初期出现机电结合式电了衡器以来，经过40多年的不断改进与完善，我国电子衡器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。

现今电子衡器制造技术及应用得到了新发展：

电子秤重技术从静态称重向动态称重发展，计量方法从模拟测量向数字测量发展，测量特点从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。

通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。

电子秤是电了衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是围计民生、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。

第一章绪论

1.1选题的背景与意义

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压力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，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。

放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。

目前市场上使用的称量工具，或者是结构复杂，或者运行不可靠，且成本高，精度稳定性不好，调正时间长，易损件多，维修困难，装机容量大，能源消耗大，生产成本高。

而且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电子秤的发展现状和趋势

1.2.1国内外发展现状

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，少数产品的技术已于国际领先水平。

国内的电子秤市场中，1009左右量程的电子秤精度一般为0.019即10mg。

在研究方法上，电子称重系统的工作原理一般是将作用在承载器上的质量或力的大小，通过压力传感器转换为电信号，并通过控制电路来处理该电信号。

在国际上，一些发达国家在电子称重方面已经达到了较高的水平。

特别是在准确度和可靠性等方面有了很大的提高。

在称重传感器方面，国外电子秤产品的品种和结构又有创新，在技术功能和应用范围不断扩大，例如：

美国Revere公司研制出PUS型具有大气压力补偿功能的拉压两用的称重传感器，用于高准确度检验平台，称重平台，准确度可达5000d；德国塞特内尔公司研制出以被青铜为弹性体材料，快速称重用200型称重传感器。

其特点是线性好，固有频率高，动态响应快。

独创油阻尼装置与过载保护装置一体化，保证称量时速度快，工作寿命长，组装3～30kg电子平台秤，准确度可达4000d。

1.2.2电子秤的智能化

电子秤的称重功能是基于微电脑控制芯片处理器这一核心技术来实现的。

由于目前在设计电子秤系统时大量地采用集成芯片，因此电子秤系统已经摆脱了以往的电子模式，正趋向智能化多元化方向发展。

在此基础上可以实现系统功能的扩展，比如与上位机的通讯，在上位机上利用图形化界面的操作软件实现数据库管理等。

电子秤由于自身的精度高、功能强和使用方便，实际使用的电子秤有较高的性价比，在很多领域完全可以取代那些机械式的称重工具。

在具体开发电子秤的系统时应该根据用户的客观需要，再结合系统硬件和软件，从而可以开发出一套实际使用价值极大的电子秤系统。

目前，随着电子技术的飞速发展，微处理器应用技术的日趋成熟，必将推进基于微处理器为核心的电子秤系统功能的日趋完善，因此多元化智能电子秤具有广泛的应用前景和开发价值！

第二章系统方案的设计与论证

2.1电子秤的设计要求

1．电子秤称重范围：

0～9.999Kg；重量误差

0.005Kg。

2．液晶显示所称物体重量、名称、单价、金额和购物清单。

3．超量程报警功能。

2.2系统的工作原理及基本设计思路

1．工作原理

电子秤是通过压力传感器采集到被测物体的重量，然后将其转换成电压信号。

传感器的输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。

放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。

2．基本设计思路

根据设计的基本要求，该系统可分为四大模块：

数据采集模块、控制器模块、人机交互模块和电源模块。

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，电源模块为系统提供稳定的直流电。

该系统对软件的设计要求比较高，系统的大部分功能都需要由软件来控制。

2.3单片机的选择

AT89S系列单片机是继AT89C系列之后推出的功能更强的新产品。

AT89S系列与AT89C系列相比，运算速度有了较大的提高。

它的静态工作频率为0～33MHz，片内集成有双数据指针DPTR、定时监视器（watchdogtimer，又称看门狗）、低功耗休闲状态及关电方式、关电方式下的中断恢复等诸多功能，极大地满足了各种不同的应用要求。

AT89S52单片机是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。

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MCS51微控制器，工作电压4.0V到5.5V，全静态时钟0Hz到33MHz，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，Powerdown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，我们还在外面扩展了32K数据存储器，以满足系统要求。

2.4数据采集部分

2.4.1传感器的选择

传感器是能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

通常传感器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，转换部分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。

传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号。

电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。

电阻应变片是电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应。

电阻应变片既可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。

图2.1所示是传感器结构原理图，Ein接电源VCC。

图2.1传感器结构原理图

工作原理：

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，应变片的的敏感栅也随之变形，其阻值发生相应的变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。

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，输出信号电压可由公式2-1给出。

（2-1）

L-PSIII型铝制称重传感器为双孔平行梁结构，是电子计价秤的专用产品。

L-PSIII-10型传感器，量程为10Kg，精度为0.02%，满量程时的误差为

0.005Kg，输出电压为0~20mV。

完全满足该设计的要求，因此选用它做为该电子称的传感器元件。

2.4.2A/D转换器

HX711采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。

与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。

降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。

该芯片与后端单片机芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。

输入选择开关可任意选取通道A或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。

通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。

通道B则为固定的64增益，用于系统参数检测。

芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。

芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。

上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。

2.5人机交互部分

1．键盘输入

键盘输入是人机交互界面中的重要组成部分，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，当有键按下时，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。

考虑到该设计所用到的按键不是很多，因此便选择4×4矩阵键盘作为输入信号。

矩阵键盘又叫做行列式键盘，它是用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成的键盘。

在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键，这样键盘中按键的个数是16个。

这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中的I/O口利用率。

2．输出显示

显示器是人机交换的主要部分，他可以将测量电路测得的数据经过CPU处理后直观的显示出来。

考虑到该设计要显示物品的重量，单价等信息，若选用LED显示的话，首先不说需要多个数码管，而且要增加驱动电路，这为设计带来了许多麻烦。

因此，便选用带中文字库的液晶显示器LM4229作为显示模块。

2.6具体方案实施

图2.2为系统硬件的结构框图。

图2.2系统硬件结构图

根据以上设计方案，硬件部分采用51系列单片机AT89S52为控制核心部件，实现电子秤的基本控制功能。

AT89S52是一款8位的内带8K程序存储器的微控制器，考虑到用软件实现电子秤系统的各项功能时，所需的软件量并不是很大，不需要太大的程序存储空间，因此在对AT89S52实际设计时不需要在片外再扩展程序存储器，这样不仅节省了硬件资源，也优化了电路的设计。

系统的硬件部分不仅包括以单片机AT89S52为核心的最小系统部分，还包括数据采集、人机接口界面、系统电源部分。

数据采集部分由压力传感器、信号的滤波放大处理和A/D转换部分组成。

传感器采用L-PSIII-10作为信号采集器件，由于HX711内部集成了放大器件和A/D转换器，因此当传感器的输出信号经过处理后便可直接与单片机相连接。

键盘采用4×4的矩阵键盘直接与单片机连接。

LCD采用LM4229与单片机连接，用来显示所称物体的重量、单价、名称等信息。

第三章系统的硬件设计

根据设计要求以及系统所需要实现的功能，在设计系统时可以分成以下几个部分：

单片机控制模块，数据采集处理模块，人机接口界面，以及系统电源部分。

3.1基于AT89S52的主控电路

1．芯片AT89S52的介绍

AT89S52是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。

器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。

芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S52具有如下特点：

40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

主要功能特性见表3.1。

兼容MCS-51指令系统

8k可反复擦写（>1000次）ISPFlashROM

32个双向I/O口

4.5-5.5V工作电压

3个16位可编程定时/计数器

时钟频率0-33MHz

全双工UART串行中断口线

256×8bit内部RAM

2个外部中断源

低功耗空闲和省电模式

中断唤醒省电模式

3级加密位

看门狗（WDT）电路

软件设置空闲和省电功能

灵活的ISP字节和分页编程

双数据寄存器指针

表3.1AT89S52功能

引脚定义如图3.1所示。

图3.1AT89S52引脚图

引脚功能说明：

VCC/GND：

电源/接地引脚。

Port0：

P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口，端口置1（对端口写1）时作高阻抗输入端；P0还可以用作总线方式下的地址数据复用管脚，用来操作外部存储器。

在这种工作模式下，P0口具有内部上拉作用。

对内部Flash程序存储器编程时，接收指令字节、校验程序、输出指令字节时，要求外接上拉电阻。

Port1：

P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口，输出时可驱动4个TTL。

端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用；另外，P1.0、P1.1可以分别被用作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和触发输入（P1.1/T2EX）；对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息。

Port2：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口，输出时可驱动4个TTL。

端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用；P2口在存取外部存储器时，可作为高位地址输出；内部Flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。

Port3：

P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口，输出时可驱动4个TTL。

端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。

P3引脚功能复用见表3.2。

表3.2P3引脚功能复用

P3.0

串行通讯输入（RXD）

P3.1

串行通讯输出（TXD）

P3.2

外部中断0（INT0）

P3.3

外部中断1（INT1）

P3.4

定时器0输入（T0）

P3.5

定时器1输入（T1）

P3.6

外部数据存储器写选通WR

P3.7

外部数据存储器读选通RD

RST：

在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此管脚时，将使单片机复位。

只要这个管脚保持高电平，51芯片便循环复位。

复位后P0～P3口均置1，管脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。

当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序。

XTAL1、XTAL2：

XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。

内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。

晶振的频率可以在1MHz至24MHz内选择，电容取30PF左右。

ALE/PROG：

访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节，即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率输出脉冲信号（此频率是振荡器频率的1/6），在访问外部数据存储器时，出现一个ALE脉冲。

PSEN：

该引脚是外部程序存储器的选通信号输出端。

当AT89S52由外部程序存储器取