基于单片机HX711电子称设计.docx
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基于单片机HX711电子称设计
基于单片机HX711电子称设计
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泸州职业技术学院
毕业设计报告
简易电子秤
学生姓名
所在系
电子工程系
班级
专业
应用电子技术
指导教师
2016年12月20日
毕业设计任务书
学生姓名
专业班级
14级应用电子1班
学号
设计题目
电子秤的设计与制作
课题针对的职业岗位和用途
电子工程师岗位，培养学生简易电子产品的设计思路与制作能力
课题所针对的职业岗位的业务和技能要求
能通过网络等途径查阅专业文献资料，能阅读、理解所查阅的专业文献资料，并能将文献方案迁移、应用到到所设计的电路中；熟练制作小规模电子线路产品；
工作任务及要求
设计并制作一个电子秤。
基本要求：
1、能用简易键盘设置单价，能够同时显示重量和金额；
2、重量显示：
单位为克；最大称重为500g，重量小于50g，误差小于0.5g，重量在50g以上的，误差小于1g。
扩展要求：
具有去皮功能，去皮范围不超过100g，超过所测重量时能够报警。
进度安排
201.6.10.20-2016.10.30拟定毕业设计实施计划；
2016.11.1-2016.11.10确定实施方案，完成电路设计与仿真；
2016.11.11-2016.11.20购买元件，完成实物制作与调试；
2016.11.21-2016.12.10撰写论文
以上内容由指导教师填写
参考资料
[1]施汉谦，宋文敏·电子秤技术[M]·北京：
中国计量出版社，1991
[3]李军，贺庆之·检测技术及仪表[M]·中国轻工业出版社
[4]曲波，肖圣兵，吕建平·工业常用传感器选型指南[M]·清华大学出版社
[5]顾理敏，宋玮·电子称[M]·北京：
计量出版社，1982
[6]张锡富·传感器[M]·机械工业出版社
指导教师签字
教师姓名：
签字：
年月日
学生接受任务签字
接受任务时间：
年月日
签字：
教研室审核意见
审核意见：
签字：
年月日
院系审核意见
审核意见：
签字：
年月日
摘要
随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求，为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，在本设计中将智能化、自动化用在了电子秤系统中。
此电子秤很大程度上满足了应用需求，具有很大的应用前景。
本文在分析当前电子秤的主流设计方案的基础上，以单片机MCS-51系列的STC89C52芯片为信息处理核心，提出了基于电阻应变片为传感电路的电子秤设计方案。
论文详细分析了系统整体设计思路、硬件电路和系统软件的设计方法和流程。
最后介绍了系统的硬件调试和软件调试方法，并给出了调试结果。
关键词：
电子秤、STC89C52、电阻应变片
第一章绪论
1.1选题的背景和意义
电子秤是日常生活中常用的称重器材，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。
1.2研究现状
电子秤不仅要向高精度、高可靠方向发展而且更需向多种功能的方向发展。
据悉目前电子秤的附加功能主要有以下几种:
1.电子秤附加了处理机构计算机信息补偿装置可以进行自诊断、自校正和多种补偿计算和处理。
2.具有去皮重显示等特种功能。
电子秤有些已具备了动物称量模式即通过进行算术平均、积分处理和自动调零等方法消除上述的误差。
3.附加特殊的数据处理功能。
目前的电子秤有附加多种计算和数据处理功能以满足多种使用的要求。
今后随着电子高科技的飞速发展电子秤技术的发展定将日新月异。
同时功能更加齐全的高精度、高智能的先进电子秤将会不断问世其应用范围也会更加拓宽。
电子秤的设计首先是通过电阻应变片为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。
经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微处理器中，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。
1.3主要研究对象
本文主要是设计的内容是简易电子秤，它用单片机作为处理核心，信号由电阻应变片为称重传感器感受后经放大器放大和模数转换后输入到单片机处理，
1、能用简易键盘设置单价，能够同时显示重量和金额；
2、重量显示：
单位为克；最大称重为500g，重量小于50g，误差小于0.5g，重量在50g以上的，误差小于1g。
3、具有去皮功能，去皮范围不超过100g，超过所测重量时能够报警。
第二章总体设计方案
2.1设计思路
电子秤设计的整体方案是：
传感器采集到因压力变化产生的电信号，但是一般这样产生的电信号很小，需要利用放大电路将其放大，放大的电信号再通过A/D转换器转换为数字信号后送入到微处理器中处理，微处理器处理后输出信号控制显示器显示出来。
同时还需要键盘对物品单价等信息输到微处理器内部，还需要有过载报警装置。
根据本次设计要求，其整体设计方案如图1所示。
图1电子秤整体设计方案图
2.2控制模块方案论证
控制部分是电子秤的核心部分，它需要接收转换后的传感器信号，同时也能扫描接收到键盘的输入信号，计算价格后控制显示器的输出，当超过称重量量程时还要控制报警装置报警。
主控制器可以选择单片机，也可以选择FPGA；结合成本等综合因素，实际应用的多以单片机为主控制器。
因此，本次设计我们选择了单片机控制作为主控制器。
基于单片机的电子秤设计主要有以下两个方案。
方案一：
以单片机STC89C52作为主控制器：
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K的在系统可编程闪烁存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上flash允许程序存储器在线可编程，也适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8，PU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。
方案二：
以单片机STM32作为主控制器：
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的。
其中STM32F1系列有：
STM32F103“增强型”系列STM32F101“基本型”系列STM32F105、STM32F107“互联型”系列。
增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是32位产品用户的最佳选择。
两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。
时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。
从理论上讲，二者都能作为本次设计的主控器，但根据题意的要求，8位的单片机就能满足本次设计要求，本着简单实用、高性价比的原则，我们选择了STC89C52RC作为控制器。
2.3A/D转换和运放模块方案论证
称重传感器采集的压力信号是模拟量，且传感器应变产生的电信号也比较弱，通常只有几十mV；单片机系统内部运算时用的都是数字量。
因此对于单片机而言我们无法直接操作模拟量，必须将传感器产生的微弱信号进行放大处理，再将处理过的模拟量转换为数字量，提供给微处理器处理。
模数转换器就是将输入的模拟信号转换成数字信号。
现在模数转换的基本方法有十几种，常用的有计数法、逐次比较法、双斜积分法和并行转换法。
由于逐次比较法模数转换具有速度快、分辨率高等特点，而且采用这种方法的ADC芯片成本较低。
方案一：
采用ADC0832集成芯片外加运放电路
ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道模数转换芯片，其输入输出电平与TTL/CMOS相兼容，电源供电时输入电压在0～5V之间，工作频率为250KHZ转换时间为32μS，一般功耗仅为15mW；由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。
图3为AD0832双列直插式封装引脚图。
但ADC0832内部没包含放大器，需在外围制作一个放大电路。
如图2所示：
图2ADC0832引脚图
方案二：
采用电子秤专用模拟/数字芯片HX711。
HX711是一款专为高精度称重传感器而设计的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MCU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部件。
上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。
如图3所示：
图3HX711芯片
从成本和性能方面比较，ADC0832比HX711集成芯片贵，并且还需要额外的运算放大电路配合。
HX711内部集成了放大增益模块，集成度高、响应速度快、抗干扰性强，还能有效降低电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。
其性价比比ADC0832集成芯片好，因此，本次设计我们选用了HX711集成芯片。
2.4电阻应变片传感器方案论证
电阻应变片式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。
2.4.1电阻应变片式传感器的结构和原理
电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。
由电阻应变片和测量电路两部分组成。
常用的电阻应变片有两种：
电阻应变片和半导体应变片，本设计采用的是电阻应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线珊上面有覆盖层，起保护作用。
由变换测量电路将电阻的变化转化为电压变化后输出。
如图4所示：
图4实验图
通常可以用电阻应变片以单臂电桥、双臂电桥和全桥的方式构成测量电路。
通过实验对比三种测量电路发现，在做单臂电桥实验时，正负之间出现了比较大的误差，而在做双臂电桥以及全桥实验时，误差很小。
可见是定值电阻R2的接入给电路带来的影响，尤其是当四个定值电阻都换成应变片的时候（全桥测量），正负的测量值几乎没有差别。
从最后的结果来看，全桥的灵敏度最高，双臂次之，单臂最低。
且基本呈现出以下关系，即全桥灵敏度约为双臂2倍，双臂约为单臂的2倍。
这和理论值是基本相符的。
可见，电桥的工作臂系数越大，则电桥的灵敏度越高。
据以上比较与分析，我们选做全桥的应变片传感器。
2.5键盘模块方案论证
键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。
操作者通过键盘向系统发送各种指令或置入必要的数据信息。
键盘由许多键组成，每一个键相当于一个机械开关触点，当键按下时，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。
方案一：
专用芯片式设计
专用键盘处理芯片一般功能比较完善，芯片本身能完成对按键的编码、扫描、消抖和重键等问题的处理，甚至还集成了显示接口功能。
列如Intel8279是一种为8位微处理器设计的比较成熟的通用键盘/显示器接口芯片。
专用键盘处理芯片的优点很明显，可靠性高，口简单，使用方便，适合处理按键较多的情况。
但在很多应用场合，考虑成本因素，可能并不是最佳选择。
方案二：
矩阵式键盘设计
矩阵式键盘又叫行列式键盘。
用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。
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、重键等问题。
如图5所示：
图54×4矩阵键盘
结合设计需求，综合考虑成本因素，本次决定采用矩阵键盘。
2.6显示模块方案论证
方案一：
LED显示：
LED是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。
它是由七个条状发光二极管芯片排列而成的。
可实现0～9的显示。
这种显示块有共阴极与共阳极两种。
共阴极LED显示块的发光二极管阴极共地。
当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接。
但七段LED显示器通常只能显示数字和少数几个字母符号；显示内容单一，不容易满足本次设计需求。
方案二：
LCD显示：
LCD液晶显示器是LiquidCrystalDisplay的简称。
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，这样即可以显示出图形。
且LCD体积小、重量轻、功耗低，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
1602字符型LCD是一款应用非常成熟的高性价比字符型LCD显示器。
它是一种专门用于显示字母、数字、符号等内容的点阵式LCD。
1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，1602LCD主要技术参数：
显示容量:
16×2个字符，芯片工作电压:
4.5—5.5V，工作电流:
2.0mA（5.0V），模块最佳工作电压:
5.0V，字符尺寸:
2.95×4.35（W×H）mm。
由于本次设计的显示模块需要显示多位数字，如果采用数码管显示的话将会占用多个单片机I/O口,使得电路变得更为复杂，而且功耗也不低。
所以选用1602LCD液晶显示器件。
如图6所示：
图61602显示屏
第三章电子秤硬件设计
3.1设计整体结构
物体放在压力传感器上，传感器发生形变，阻抗就发生变化，产生一个变化的模拟信号，该信号需要有放大电路放大后输入到模数转换器，转换为数字信号后输入到微处理器处理。
微处理器根据键盘命令以及程序将结果输出到显示器，直到显示结果。
根据本次设计需求，结合前期的方案论证与选择情况，得出本次设计的总体框图如图7所示。
图7硬件设计总体框图
3.2STC89C52最小系统
图8STC89C52最小系统
STC89C52是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，128字节RAM，32个双向I/O口线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，STC89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
STC89C52最小系统简单、可靠，仅由时钟电路、复位电路、电源电路构成，如图10所示。
1、时钟电路：
STC89C52虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。
STC89C52单片机的时钟产生方法有两种。
内部时钟方式和外部时钟方式。
本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。
振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。
电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，可在20pF到100pF之间取值。
所以本设计中，振荡晶体选择12MHZ,电容选择22pF。
2、复位电路：
STC89C52的复位电路是由外部的复位电路来实现的。
只需给复位引脚RST加上大于2个机器周期的高电平就可使其复位。
复位电路通常采用上电自动复位和按键复位两种方式。
本设计就是用的按键手动复位。
其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。
3、电源电路：
STC89C52的电源脚分别为20脚Vss和40脚Vcc（图中已默认连接，未显示出来）。
这两个脚分别接地和+5V直流电源，31脚EA为内外存储器的控制端，接+5V允许访问外部存储器。
3.3A/D转换电路
传感器检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出，本设计中选用的是CZAF-350电阻应变式称重传感器，因为通过其得到的电压信号很小，通常只有几十mV。
所以需要放大器放大信号，本次设计中我们选用了海芯科技公司的HX711A/D转换器，它内部包含了放大器，可以将信号放大128倍。
如图9所示：
HX711是一款专为高精度称重传感器而设计的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MCU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部件。
上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。
在本电路中，三极管9012起到的调节作用。
R1/R2/R5/R6起到分压作用，C2/C3起到隔直通交的作用。
图9A/D转换电路
表1引脚功能表
HX711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。
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（VSUP）可与数字电源（DVDD）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（图1），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晶振的相关电路。
这种情况下，典型输出数据速率为10Hz或80Hz。
如果需要准确的输出数据速率，可将外部输入时钟通过一个20pF的隔直电容连接到XI管脚上，或将晶振连接到XI和XO管脚上。
这种情况下，芯片内的时钟振荡器电路会自动关闭，晶振时钟或外部输入时钟被采用。
此时，若晶振频率为11.0592MHz，输出数据速率为准确的10Hz或80Hz。
输出数据速率与晶振频率以上述关系按比例增加或减少。
使用外部输入时钟，外部时钟信号不一定需要为方波。
可将MCU芯片的晶振输出管脚上的时钟信号通过20pF的隔直电容连接到XI管脚上，作为外部时钟输入。
外部时钟输入信号的幅值可低至150mV。
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。
图10引脚图
3.4键盘电路
在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。
这样，一个端口（如P1口）就可以构成3×4=12个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显。
矩阵键盘电路与STC89C52单片机接口电路如图11所示。
图11键盘电路与单片机的连接图
3.5显示电路
本设计采用的是LCD1602显示。
1602采用标准的16脚接口，其中1和2脚为电源正负极，3脚为对比度调整端，4脚RS为寄存器选择，5脚RW为读写信号线，6脚为使能端，7到14脚为8为双向数据端。
15和16脚为电源背光极。
3脚VEE接一个滑动变阻器，滑动变阻器两端接电源和地。
图12单片机与LCD1602接线图
调试滑动变阻器的值可以改变LCD的对比度。
因为LCD为共阳极，为加大输出引脚的驱动能力，所以D0到D7有加入上拉电阻，要保证上拉电阻明显小于负载的阻抗，以使高电平输出有效，负载阻抗是10k，供电电压是5v要求高电平不小于4.5v，那么上拉电阻R：
（5-4.5）=10:
5，R为1k，如图12所示。
第4章电子秤软件设计
程序设计是一件复杂的工作，为了把复杂的工作条理化，就要有相应的步骤和方法。
其步骤可概括为以下三点：
首先需要分析系统控制要求，确定算法：
对复杂的问题进行具体的分析，找出合理的计算方法及适当的数据结构，从而确定编写程序的步骤。
这是能否编制出高质量程序的关键。
其次是根据算法画流程图：
画程序框图可以把算法和解题步骤逐步具体化，以减少出错的可能性。
最后就是编写程序：
根据程序框图所表示的算法和步骤，选用适当的指令排列起来，构成一个有机的整体，即程序。
程序数据的一种理想方法是结构化程序设计方法。
结构化程序设计是对利用到的控制结构类程序做适当的限制，特别是限制转向语句（或指令）的使用，从而控制了程序的复杂性，力求程序的上、下文顺序与执行流程保持一致性，使程序易读易理解，减少逻辑错误和易于修改、调试。
根据系统的控制任务，监控软件采用模块技术设计，根据系统功能，将软件分为若干个功能相对独立的模块，为每一个模块设计程序流程图。
该电子秤功能程序模块包括：
A/D转换启动及数据读取程序设计、显示子程序设计、键盘扫描子的程序设计、价格计算子程序设计等。
4.1主程序的设计
主程序是系统信息处理的关键，主程序模块主要完成编程芯片的初始化及按需要调用各模块（子程序），在系统初始化过程中，初始化程序将RAM的30H到5FH单元清零，同时将系统设置成500g。
图13主程序流程图
主程序主要完成编程芯片的初始化及按需要调用各子程序，上电启动后，系统初始化，单片机读取模数转换器的数据，然后调用显示子程序显示重量，同时扫描键盘子程序，调用价格计算子程序计算价格并显示出来，如图13所示。
4.2子程序的设计
主程序按需要调用各子程序。
系统子程序主要包括（
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