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基于单片机的电子称设计大学论文
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Keywords1
1设计的基本要求、思想及工作原理2
1.1电子称设计的基本要求2
1.2电子称设计的基本思想2
1.3电子称设计的工作原理3
1.3.1工作原理3
1.3.2计量性能3
2设计的基本结构4
2.1测量采集数据4
2.1.1传感器4
2.1.2放大器7
2.1.3信号转换器10
2.2人机交互13
2.2.1输入模块13
2.2.2显示模块15
2.2.3过载报警电路16
2.2.4电源16
2.3主控电路17
2.4硬件电路总图19
3软件设计19
3.1程序流程图19
3.2程序设计语句19
4总结20
附录A硬件电路图22
附录B电子称源程序23
致谢29
基于单片机的电子称设计
摘要：
首先通过压力传感器将其采集到的被测物体的重量转换成电压信号，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，再经过单片机控制的译码显示器显示出被测物体的重量。
按照本设计的基本要求，系统可分为三大模块：
采集数据模块、系统控制模块、人机交互模块，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。
此部分对软件的设计要求比较高，系统的大部分功能都需要软件来控制。
在扩展功能上，本设计增加了一个过载报警提示。
关键词：
压力；放大；数码管；LCD显示；单片机
TheDesignofElectronicbalancebasedontheSinglechipmicrocomputer
Abstract：
Firstofall，convertingtheweightofthemeasuredobjectintoavoltagesignalthroughthepressuresensor,usuallytheoutputvoltagesignalisextremelyweak,weneedanaccuratelylinearamplificationthroughthefront-endsignalprocessingcircuit.ThroughtheA/DconversioncircuittheamplifiedanalogvoltagesignalconvertedtodigitalandsenttothemaincontrolcircuitoftheSCM,thenthroughtheSCM-controlleddecodingdisplayshowedustheweightofthemeasuredobject.Accordingtothebasicrequirementofthisdesign,thesystemcanbedividedintothreemodules：
thedataacquisitionmodule,thecontrollermoduleandtheman-machineinterfacemodule,thedataacquisitionmoduleincludeapressuresensor,asignalpre-processingandanA/D-conversionparts.Thecontrollerprocessingtheconverteddigitalsignalsandcontinueprocessthisdigitaltillit’sfinished,afterwhilethedrivedisplaymodulewillfinishtheman-machineinformationexchange.Thispartsoftwaredesignarehighlydemanded,mostfunctionsrequiredsoftware-control.Intheextendfunction,thisdesignaddanoverloadalarm.
Keywords:
Pressure；Amplification；Nixielight；LCDdisplay;Singlechipmicrocomputer
引言
在日常生活中我们时常需要对物体的重量进行测量，此时我们需要用到秤，但随着社会的日益进步、科学的迅猛发展，我们对称量的要求日趋准确方便。
传统纯机械结构的称量装置已经逐步被淘汰，以电子秤、电子天平等为主流的电子产品以其方便、快捷、准确、显示直观等诸多优点而受到百姓的喜爱。
电子秤向着提高精度和降低成本方向发展。
各个国家都非常重视称重技术的研究和衡器工业的发展。
早在五十年代中期电子技术渗入后推动了衡器工业制造的发展。
六十年代初期的时候出现了电机结合式的电衡器，经过四五十年的不断改进跟完善，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、数字智能型。
现如今电子衡器制造技术及其应用得到了新的发展。
电子称重技术从静态向动态发展；计量方法从模拟向数字发展；测量特点从单参数向多参数发展，特别是对动态快速称重方向的研究与应用。
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、模块、集成、智能化；其技术性能速率、准确度、稳定性、可靠性趋向更高的水平。
电子秤是电子衡器的一种，而衡器是国家法定计量器具，是围绕民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可或缺的计量设备，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。
电子称量的发展引起了对成本低、性能高的模拟信号处理器件需求的增加。
电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量的大小、参数或特性。
1设计的基本要求、思想及工作原理
1.1电子称设计的基本要求
本设计的核心是以电阻传感器为测量元件，以单片机为功能完善的电子秤，这大大简化了系统的设计，并根据现实应用中电子秤的基本功能和开发流程得知，我们本次设计的主要工作为：
（1）学习并掌握电阻传感器及单片机的工作原理，了解编程方法和系统的开发流程；
（2）分析电子秤的基本功能，提出一个系统的设计方案；
（3）画出设计的电路，并对电子称的各个模块方案进行分析和选择；
（4）选择恰当的开发工具，编写系统的应用程序，在开发环境中编译、连接；
（5）电子称重范围：
0～10Kg；称量误差不大于
0.01Kg；
（6）计算称重后的价格（即单价*重量）。
1.2电子称设计的基本思想
现在在商业贸易中，使用最为普遍的是台式称，但其体积大、成本高、携带不便、应用范围窄是其使用受限的主要原因。
现通用的便携秤多为杆秤或弹簧秤。
较高的工艺要求，弹簧使用限度等都限制了弹簧秤的使用及发展。
无法彻底解决弹簧的疲劳问题，弹簧弹性一旦超过其使用限度，弹簧秤就会产生很大误差，甚至是损坏，严重影响到弹簧称使用的准确性和可靠性。
另外由于在实际的使用中，称量会过载，但又不能超出其要求的范围，为此我们还在设计中加入了过载保护及提示。
综合以上事实，我们本次电子称设计的主要思路为：
我们利用电阻传感器将采集到的压力信号变化转化为电压信号的变化，然后再经过放大电路将其放大，并转换为数字信号，最后将数字信号送入单片机。
经过单片机的信号处理后，得到当前所称量物体的重量，并显示出来。
1.3电子称设计的工作原理
这种精度较高的智能电子秤体积略小、计量精准、携带便宜，能够满足商业和居家生活的使用需求。
1.3.1工作原理
电子称的设计工作原理为：
将物体放置在称重台上，物体的重量使电阻应变片发生形变产生压力信号，并将此信号转化为电压信号，通过放大器放大，通过模数转换器变为数字信号，再通过单片机处理将其显示在显示屏上；若是称重的物体超过设计的电子称的称量范围，蜂鸣器自动报警，以保护电子称。
其系统工作结构框图如图1-1所示。
图1-1电子称称重系统的结构框图
1.3.2计量性能
量程、分度值、分度数、准确度等级等都是电子秤的计量性能及涉及到的主要技术指标。
（1）量程是电子秤在正常工作的情况下，所能称量的最大值，即满刻度值。
（2）分度值是指在电子秤的测量范围内被分成了若干个等份，每一份的值为分度值。
一般用字母d来表示。
（3）分度数是指将测量范围分成的等份数，总份数也就是分度数用字母n来表示。
电子称的量程Max可用总分度数n与分度值d的乘积来表示，即Max=n*d。
（4）准确度等级，根据在国际法制计量组织中将电子秤按照不同的分度数将电子称分为I、II、III、Ⅳ四个等级，分别对应着电子秤的不同准确度和分度数n的范围，如表1-1不同准确度的电子秤和分度数所示。
表1-1不同准确度的电子秤和分度数
2设计的基本结构
对于本次电子称的设计，基于对题目要求的考虑，将系统分为测量（压力传感器、放大电路）、控制（单片机）、键盘、数据显示和电路电源共五个部分。
2.1测量采集数据
测量部分利用压力传感器检测物体的重量，得到微弱的电信号（即电阻传感器输出电压信号），再利用放大器将此电信号放大，并通过A/D转换器将其转换为数字信号。
2.1.1传感器
测量力的传感器有压电传感器，它是某些电解质物质在一特定方向上受到了外力的作用，不仅是其几何尺寸的变化，而且内部也会变化产生极化现象，同时又在其两表面相应的产生符号相反的电荷进而形成电场；而当外力去掉时，其又回到那种不带电的原始状态。
其晶体表面电荷极性与受力的关系如图2-1所示。
图2-1晶体表面电荷极性与受力的关系示意图
它是一种典型的自发电式的传感器。
其虽有诸多优点但我们最终还是由于其价格高而选择了电阻应变片式的传感器。
电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应。
金属丝的电阻随着它所受的机械形变（拉伸或压缩）的大小而发生相应变化的现象称为金属的电阻应变效应[1]。
金属应变片不仅能够测量试件的应力跟应变，还可以制造各种各样的应变式传感器，这些传感器件用来测量力、扭矩、位移跟压力等其他的物理量。
在本次设计中，我们选择的是梁式力传感器。
电阻应变片在实际的应用当中，选用应变片的时候我们要考虑到应变片的性能及多种参数（主要有：
应变片的电阻值、灵敏度、允许电流和应变的极限）。
它的主要规格有60Ω、120Ω、350Ω、600Ω和1000Ω等，其中350Ω的应用最多。
将电阻的应变丝做成应变片的时候，它的应变特性与金属单丝时是不完全相同的，故进行统一标准的实验测定后发现ΔR/R与ε的关系在很大范围内仍然有着良好的线性关系，即
或
式中K称为电阻应变片的灵敏系数。
应变片可以将其受到压力后相应的形变转换为电阻的变化，从而使电路中的电压或者电流发生变化。
为了方便测量通常采用直流电桥或者交流电桥。
由于应变片电桥电路的输出信号都比较弱，所以我们采取利用放大器来放大其采集到的电信号，电阻传感器的电桥输出与直流放大器相连如图2-2所示。
图2-2直流电桥与放大器连接示意图
由上图2-2直流电桥与放大器连接示意图可知，电桥中的四个电阻全部设置为应变片。
因为直流放大器的输入电阻比电桥电阻要大得多，所以将电桥输出端看为开路，这种电桥被称为“电压输出桥”，输出电压U0为
当R1R4与R2R3相等时，无论激励模式（电流或电压，交流或直流）、激励幅度、输出模式（电流或电压）、检测器的阻抗如何，电阻电桥都处于归零状态[2]。
电桥处于一个平衡状态，则输出的电压U0=0。
若此时电桥各臂上均有相应的电阻增量ΔR1，ΔR2，ΔR3，ΔR4出现，则U0变为
而在实际的使用过程中我们采用等臂电桥，也就是说R1R2R3R4全部相等，且都等于R，而此时当
（i=1,2,3,4）时，我们可以略去高阶微小量，因此可将上述U0式子转化为
由上述式子
及直流电桥的电路可以得出一下几点：
（1）当
时，电桥输出的电压应该是与应变的大小成线性关系。
（2）当相邻的两个电桥臂应变的极性一样，即同为拉伸或压缩时，输出的电压是两者的差；相反，则为两者的和。
（3）当相对的两个电桥臂应变的极性一样，即同为拉伸或压缩时，输出的电压是两者的和；相反，则为两者的差。
（4）当电桥的供电电压U越高时，输出的电压U0也就越大（前提是不可以超过电阻应变片的允许最大工作电流）。
（5）要增大电阻应变片的灵敏度系数K，可以提高电桥的输出电压。
要准确合理的利用上面所叙述的电阻应变传感器的特性，就可以提高传感器的测量灵敏度；在电桥的使用过程当中，安装敏感元件应变片的时候使应变ε1，ε4和ε2，ε3的符号相反，可使得电桥输出电压变大。
电阻应变传感器在其应变承受范围内，通过对单臂、半桥及全桥的比对分析，我们本次设计选择非线性误差小，工作灵敏度高，可以得到温度补偿的全桥电路作为电阻应变传感器的应用电路。
全桥电路的示意图如图2-3所示。
图2-3全桥电路示意图
等截面悬臂梁应变式力传感器的结构如图2-4所示，将一端固定的悬臂梁作为弹性
元件，自由端接收力的作用。
在悬臂梁固定端的附近上下两表面，顺着l的方向各粘贴两片电阻应变片。
而当R1和R4受力拉伸，则R2和R3受力压缩时，两表面的应变片形变不同，即发生了极性相反的等量应变，四个电阻应变片连接组成如图2-3所示的全桥测量电路。
此时粘贴电阻应变片处的应变为
[3]
由梁式弹性元件制作的力传感器适用于测量5000N以下的载荷，最小的可测零点几牛顿的力。
这种传感器具有结构简单、加工容易、应变片容易粘贴、灵敏度高等特点[4]。
经过各方面考虑，我们本次设计最终选择采用E350-2AA箔式电阻应变片，其常态阻值为350Ω。
该电阻应变片具有准确度高，易于制作，成本低廉，体积小巧，实用的特点[5]。
图2-4等截面梁应变式力传感器原理图
2.1.2放大器
由于称重传感器输出电压的振幅范围在0～20mV，而A/D转换的输入电压要求为0～2V，此时放大环节就需要有100倍左右的增益。
根据我们本次设计的实际情况，增益设为100倍，零点和增益的温度漂移和时间漂移极小。
按照输入电压20mV的情况，漂移要小于1。
极低的失调电压的温漂和时漂是对放大环节零点漂移要求的保证。
放大器负反馈回路稳定性的保证是稳定的增益量，并且最好选用高阻值的电阻和多圈电位器。
根据电阻应变片传感器的工作原理可知，电阻应变片组成的传感器就是把机械形变转换成电阻变化率
，而应变电阻的变化率一般都很微小，即只有千分之几左右[6]。
如此小的电阻变化是很难直接进行精确测量的，且不能直接处理。
因此，我们必须采用转换电路，把电阻应变片的
变化转换成电压变化，但此电压信号很小，需要增加放大电路把电压信号转换成可以被A/D转换器接收的信号。
在本次设计的前级处理电路部分，我们曾经想过利用普通的低温漂运算放大器来构成前级的处理电路，但是普通低温漂运算放大器构成的多级放大器会引入大量的噪声。
而对于需要很高精度的A/D转换器来说，几毫伏的干扰信号就会直接影响到最后的测量精度。
因此，我们放弃了普通的低温漂运算放大器来构成前级处理电路的这个想法，选择用高精度低漂移运算放大器来构成差分放大电路，形成前级处理。
差动放大电路即为典型的差分放大电路，如图2-5所示。
所谓“差动”是指只有当两个输入端之间有差别（即变化量）时，输出电压才有变动（即变化量）[7]。
图2-5典型差分放大电路示意图
对于图2-6所示电路，当
与
所加的信号为大小相等、极性相同的输入信号（称为共模信号）时，电路参数对称相同，T1和T2管产生的电流变化也相等，故集电极电位变化也是相同的。
因为输出电压是T1和T2管集电极电位差，所以输出电压如图2-6所标注
，说明差分放大电路对共模信号具有很强的抑制作用，在参数理想对称情况下，共模输出为零[7]。
要使得信号放大，就要将其分成大小相等的两个部分，按照相反的极性加在电路的两个输入端上。
这种大小相等极性相反的信号为差模信号[7]。
因为
，且电路参数对称，T1和T2管产生的电流变化大小相等方向相反，故集电极电位变化也是大小相等方向相反，则得到的输出电压
，从而实现了电压放大。
但由于Re1和Re2的存在使电路的电压放大能力变差，当其数值较大时，甚至不能放大。
故若将T1和T2管发射极连在一起，成为一个电阻Re，且在差模信号作用下Re电流变化为零，也就是Re对差模信号无反馈作用，相当于短路，故而大大提高了对差模信号的放大能力。
简化电路，使电源与信号源共地，得到了如图2-5所示的典型差分放大电路。
图2-6差分放大电路的组成
差动放大器具有输入阻抗高、增益高等特点,但电路对部分电阻相等的这一要求较高，误差将会影响输出的精度，难度相对较大。
实际测量，每一级运放都会引入较大噪声，对精度影响较大。
而集成仪表放大器，也称为精密放大器，用于弱信号放大[7]。
仪表放大器主要用于工业和测量中，能在噪声环境以及含有大共模信号的条件下保持极高的直流准确度和增益精度。
仪表放大器是闭环增益放大电路，通用仪表放大器的电路图如图2-7所示，它有一对差分输入口及一个单端输出口。
两个输入端的阻抗大且相等，通常在109Ω以上。
为确保有效性，仪表放大器必须能够放大毫伏级信号，同时能够抑制输入端的共模信号，这就是要求仪表放大器具有很高的共模抑制比。
仪表放大器增益的典型范围是1～1000[8]。
图2-7通用仪表放大器
本次设计采用专用仪表放大器，如：
AD620，INA126等。
此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。
本次设计采用INA126,芯片引脚图及引脚说明如图2-8所示。
图2-8INA126芯片引脚图及引脚说明
INA126是差分信号低噪声精密采集仪表放大器，内部有两个运放设计，使静态电流非常低（约为175μA），电源供电范围很宽（在±1.35～±18V之间），可用于便携式仪表和数据采集系统[9]。
INA126的增益通过外部电阻设置，增益范围从5V/V到10000V/V。
激光平衡输入电路提供低偏移电压、低温漂偏移电压和良好的共模抑制比。
图2-9INA126仪表放大器结构图
将放大器与电路电桥连接在一起，连接示意图如图2-10所示。
图2-10由INA126构成的5V单电源电桥信号采集电路
2.1.3信号转换器
精度与转换速度是衡量A/D转换器的技术指标。
反馈比较型A/D转换器是一种直接A/D转换器。
它的构思是这样的：
取一个数字量加到D/A转换器上，于是得到了一个对应的输出模拟电压。
将这个模拟电压和输入的模拟电压信号相比较。
若两者不相等，则调整所取的数字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取的这个数字量就是所求的转换结果。
反馈比较型A/D转换器中经常采用的方法有逐次渐进型（也称为逐次逼近法）和计数型[10]。
逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。
缓冲寄存器、D/A转换器、比较器及控制逻辑电路就可以构成采用逐次逼近法的A/D转换器。
其基本原理是从高位到低位逐位试探比较[11]。
逐次逼近法的转换过程如图2-11所示。
转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。
在控制电路的控制下将逐次逼近的操作过程进行完毕。
图2-11逐次逼近法的转换过程
采用双积分法的A/D转换器是电子开关、积分器、比较器、时钟信号源和控制逻辑的电路等部件构成。
基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换[12]。
双积分法A/D转换的过程如图2-12所示。
当Vi越大时，积分器输出的电压也就越大，反向积分的时间也就越长。
计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Vi所对应的数字量，实现了A/D转换。
电压-频率变换型A/D转换器（简称V-F变换型A/D转换器）也是一种间接A/D转换器。
在V-F变换型A/D转换器中，首先将输入的模拟电压信号转换成与之成比例的频率信号，然后在一个固定的时间间隔里对得到的频率信号计数，所得到的计数结果就是正比于输入模拟电压的数字量[13]。
图2-12双积分法A/D转换器的转换过程
V-F变换型A/D转换器的电路结构框图如图2-13所示。
图2-13V-F变换型A/D转换器的电路结构框图
V-F变换器、计数器及其时钟信号控制闸门、寄存器、单稳态触发器等几部分组成了V-F变换型A/D转换器[14]。
经过多重考虑及设计的要求，本次设计决定采用开关电容逐次逼近、多通道串行输出的A/D芯片TLC2543。
它具有输入多、精度高、速度高、使用灵活和体积小的优点，为设计人员提供了一种高性价比的选择。
其片内由选择器、数据（地址和命令字）输入寄存器、采样/保持电路、12位的模/数转换器、输出寄存器、并行到串行转换器以及控制逻辑电路7个部分组成[15]。
TLC2543串行A/D转换器与单片机接口电路如图2-14所示。
图2-14TLC2543和89S52接口电路
2.2人机交互
人机交互是人与机器之间传递和交换信息的媒介和对话接口，是人在设计的机器中最重要的一部分。
人机界面包括信息的输入与输出，凡参与人机信息交流的一切领域都属于人机界面[16]。
2.2.1输入模块
为了减少键盘与单片机接口时所占用I/O线的数目，在按键较多的时候，我们一般会选择矩阵式键盘（又叫行列式键盘）[17]。
用I/O口线组成行、列结构，但在其交叉处并不相通，而是将按键设置在行列的交点上，作为联通的装置矩阵的键盘接口示意图如图2-15所示。
例如，用2×2的行列结构可构成4个键的键盘，4×4行列结构可构成16个键的键盘。
因此，在按键数量较多时，可以节省I/O口线。
相对于专用芯片式可以节省成本，且更为灵活。
缺点就是需要用软件处理消抖等问题。
如图2-16为4*4矩阵键盘示意图。
图2-15矩阵的键盘接口示意图
图2-164*4矩阵键盘
2.2.2显示模块
单片机应用系统中最常使用的就是发光二极管，也就是我们常说的LED管，还有液晶显示器LCD。
LED的优点在于廉价，配置灵活，与单片机接口方便，但显示内容有限。
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，还可以显示出图形。
LCD液晶显示器的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。
我们在日常生活中，其实对液晶显示器并不陌生。
它已作为常用的显示器件被应用在很多领域，很多电子产品中，例如计算器、万用表、电子表及其他电子产品。
利用液晶显示器显示的主要是数字、专用符号和图形。
液晶显示器作为输出器件在单片机系统中应用有以下几个优点[18]：
（1）显示质量高：
由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度恒定发光，因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。
（2）数字式接口：
液晶显示器都是数字式的，接口更加简单可靠，操作更加方便。
（3）体积小、重量轻：
液晶显示器是利用被电极控制的液晶分子状态来达到显示功能的，在重量上比相
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