14应电1蔡秀基于51单片机电子秤2Word文档下载推荐.docx
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A/D转换器;
数码管;
HX711芯片;
称重式传感器;
Abstract
Thisdesignismainlyusedforthemeasurementofsmallobjects,suchasapplelikeobjects,themeasuringrangeis0-10Kg.thedesignofweighingmeasurementanddisplaybasedonC51MCU.Theweightchangeofobjectsintopressurethroughthepressuresensorintoelectricalsignals,andthenbytheoperationalamplifieramplifythesignalsenttotheA/Dconverter,theanalogsignalsintothedigitalsignalcanbeidentified,andthenbythemicrocontrollertosendtothedigitaltubedisplay,thedigitaldisplayoutput.Atthesametime,throughthekeyboardtotheMCUsystemtypeinstructionsandcommands.LettheSCMsysteminthesettingfunction.
Thefinaldesignresult,downloadthesoftwaretothehardwareuptryoutthedatatothedisplay,whentheinputanalogsignalchanges,throughtheA/Dconversion,digitaltubedisplaydifferentvalue.Themeasurementaccuracyis3digitsafterthedecimalpoint,afterrepeatedmeasureandadjusttheratioofdata,themeasurementerrorintherange±
2g.
Keywords:
A/Dconverter;
digitalcontrol;
HX711chip;
weighingsensor;
目录
摘要I
AbstractII
目录III
1、绪论5
1.1、电子秤发展的现状5
1.2、课题背景与研究意义5
1.3、控制要求6
2、电路总体设计8
2.1、最小系统模块9
2.1.1、时钟电路9
2.1.2、复位电路10
2.1.3、电源电路10
2.1.4、EA脚电路10
2.2、传感采样模块11
2.2.1、系统传感器选型11
2.2.2、A/D转换器芯片选择12
2.2.3、HX711典型应用电路13
2.2.4、A/D与单片机连接14
2.3、蜂鸣器报警模块14
2.3.1、蜂鸣器简介14
2.3.2、蜂鸣器分类14
2.3.3、有源蜂鸣器与无源蜂鸣器的区别14
2.3.4、有源蜂鸣器与无源蜂鸣器的区别15
2.3.5、蜂鸣器驱动电路15
2.3.6、蜂鸣器工作原理分析15
2.4、数码管显示模块16
2.4.1、数码管简介16
2.4.2、数码管分类16
2.4.3、数码管结构16
2.4.4、数码管驱动17
2.4.5、数码管参数17
2.4.6、数码管应用17
2.4.7、数码管驱动电路17
3、软件设计19
3.1、软件总流程19
3.2、软件模块19
3.2.1、数码管驱动20
3.2.2、A/D软件驱动20
3.2.3、单片机与键盘的接口程序设计21
4、制作与调试23
4.1、制作硬件电路板23
4.2、电路调试24
4.2.1、电路板调试24
4.2.2、软件调试24
4.3、调试数据25
4.4、误差分析25
4.5、调试图片25
结论27
致谢28
参考文献29
附录A:
源程序30
附录B:
电路原理图31
附录D:
实物照片33
1、绪论
1.1、电子秤发展的现状
电子称重技术与人们的生活息息相关,随处可见称重,所以其发展状况一直被人们所关注,普遍应用于工业,农业,商业,贸易等各个领域。
电子秤是电子衡器中的一种,衡器是国家法定计量用具,是国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量器具,衡器产品技术水平的高与低,将会各行各业的现代化水平与经济效益。
因此,称重技术的研究和衡器工业的发展被人们所非常重视。
电子秤属于电子衡器的一种,电子衡器的技术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。
我国电子衡器的技术装备和检测手段基本达到国际水平。
电子称重技术从静态称重技术到动态称重技术;
测量方法从模拟测量到数字测量;
测量特点从单参数测量到多参数测量,特别是快速称重和动态称重的研究与应用。
随着科技的迅速发展,计算机和微电子等现代电子技术给传统的电子测量和仪器带来了巨大的冲击和历史性的影响。
比较先进的智能仪器取代了一般的测试仪器和控制装置,便使得传统的电子测量仪器在功能、精准度及自动化水平等方面发生了巨大改变,随后出现了各种各样的智能仪器控制系统,提高了电子测量自动化技术的水平。
作为称重测量仪器,测量精准度,测量速度,实时测量和监控是现在智能电子秤的优点,开始逐渐取代传统型的杠杆测重,成为测量称重领域的主流产品。
1.2、课题背景与研究意义
第二次世界大战后,经济水平越来越高,人们为了把称重技术引入到生活中,对称重技术有了许多越来越严格的要求,希望称重过程自动化,在1960年开发了称重值打印机。
当时的称量工作方式是机械式的。
与称量有关的记录、显示、控制器等功能是电子方式的。
随着生活水平的提高,人们出行在外都会用到电子秤,无论在超市还是菜市场都随处可见,电子称在我们的日常生活中已经成为必不可少的工具,因此,有针对性地开发出一套有实用价值的电子秤系统,改善电子秤系统在应用中的不足之处,具有现实意义子秤发展现状。
生活中经常需要一个便捷的电子秤去称量一些小物体的重量,例如一些小的快递包裹,刚买回来的肉制品,看看商家有没有缺斤少两。
还有比如刚从超市买回来的鸡蛋,他们都是提前称好,然后标定好价格后直接售卖的。
顾客买回去之后总是有些顾虑,到底超市有没有少量,到时是直接买这种称量好的,还是买那种散称的,为了验证结果,因此顾客回到家都会不辞辛苦的重新称量计算下。
电子秤除了在日常生活中有大量的使用,在电子实验室中也会有很多应用,特别是对于那些研发精密的仪器的实验室,他们对产品的质量和重量要求都极高,所以需要控制它的每一个零部件的重量。
除了以上两个应用场景,在医院也会使用到高精度的电子秤。
比如他们经常需要量取固定重量的药液,然后进行多种药液的等比例的混合,因为是要给人治病用的,因此要药液量要求极为苛刻。
因此,设计出一款高精度,高稳定性的电子秤是非常有必要的。
对于药物电子秤的精准度我所设计的电子秤暂时还达不到要求,所以我的电子秤属于中小型物品电子秤,最常见的普通电子秤有以几种:
图1-1中小型物品电子秤图1-2体重电子秤没有图
图1-3药物型电子秤图1-4大型物品电子秤
1.3、控制要求
此设计主要用来称量生活中的一些生活用品,比如蔬菜、水果等,因为此设计我们没有进行大量的实验,没有大量的数据来进行校验和电子秤参数的微调,对于精度也无法做到足够的精确,所以只能使用在对精度要求不算很高的的生活场景里。
本设计主要使用入门级的51单片机进行设计开发,使用数码管进行重量的显示,使用应变片来采集外部物体的重量,使用HX711转换器将应变片的信号量进行增益放大和数字滤波,然后传给单片机。
通过此设计,要求能够较为准确地测量出我们生活中重量在0-10kg(误差在±
2g)范围内的物品。
精度小数点后三位。
2、电路总体设计
电子秤系统主要通过应变片采集外部物体重量,然后通过HX711芯片,对应变片信号进行增益和数字滤波处理,然后通过微控制器获取HX711的数据,然后将获取到的数据转换成物体的重量,然后将数据显示在数码管上。
整个系统的系统框图如图2所示。
在设计电子秤,有三种方案:
FPGA做控制器;
PLC做控制器、单片机做控制器。
FPGA主要可以硬件编程,这样可以节省广告牌的硬件成本,但是FPGA的芯片本身就比较贵,并且学习资料也比较少,论坛和查找资料的地方也比较少,这样后期的学习成本必然会增加很多额外时间,所以选择放弃。
PLC做控制器,也不是很合适,毕竟PLC是用于工业控制的,主要是因为它稳定性以及抗干扰能力都比较好,但是用这么好的性能来进行点阵屏的开发有点太过浪费了。
单片机还是比较适中点,一是因为单片机种类型号比较多,价格也比较便宜,网上的论坛以及资料也很多,所以学习成本也比较低,再加上体重秤系统不需要性能和内部资源比较丰富的单片机,因为普通的51单片机就能够满足需求。
所以综上考虑,我选用51单片机STC15F2K60S2进行体重秤系统的设计及开发。
总电路见附录B,原件清单见附件C。
键盘控制
单片机
数码管显示
A/D转换器
信号滤波放大处理
压力传感器
图2系统框图
2.1、最小系统模块
单片机要想正常运行,必须具有匹配的晶振电路和稳定的电源电路和让单片机复位的复位电路。
STC15F2K60S2最小系统电路图如图2-3所示,主要包括晶振电路、复位电路和电源滤波电路。
晶振电路主要由两个47pF的无极电容和一个12M的无源晶振组成,两个47pF的无极电容主要用于晶振电路的起振。
复位电路主要由10K、300欧的电阻、10uF的有极电容和按键组成,复位电路主要是通过对电容充放电来延迟单片机RST引脚的高电平时间,从而让单片机进行复位。
单片机的复位系统对于后期编写系统软件及调试起到至关重要的作用。
电源系统主要由47uf和0.1uF的无极电容组成,两个电容主要是用于滤掉电源中的文波,使得电源更加的稳定。
图2-3单片机最小系统电路
51系列单片机的最小硬件系统主要包含4个组成部分,即时钟电路、5V电源供电电路、EA引脚电路和复位电路。
2.1.1、时钟电路
系统的时钟电路设计是采用的内部方式,即利用芯片内部的振荡电路。
STC89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。
引脚XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。
放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。
外接晶体谐振器以及电容构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中。
对外接电容的值虽然没有严格的要求,但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。
因此,此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz,电容应尽可能的选择陶瓷电容,电容值约为30μF。
在焊接刷电路板时,晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近,以减少寄生电容,更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。
图2-1-1时钟电路
2.1.2、复位电路
单片机的外部复位电路有上电复位和上电和按键均有效的复位两种。
我们在设计单片机复位时,选用上电复位。
上电要求接通电源后,单片机实现自动复位操作。
上电瞬间RST引脚获得高电平,随着电容的充电,RST引脚的高电平将逐渐下降。
RST引脚的高电平只要能保持2个机器周期就可以了,单片机就可以进行复位操作。
该电路典型的电容参数为:
晶振为12MHZ,电容值为1uF。
图2-1-2复位电路
2.1.3、电源电路
STC89C51的工作电压为5V,本任务中采用USB供电,方便,引脚为单片机的40引脚。
2.1.4、EA脚电路
当我们不用外部ROM时EA脚接高电平,但是当我们要是用到外部ROM时,则EA脚应该接低电平。
当EA脚接高电平时,单片机先读内部ROM再读外部ROM;
当EA脚接低电平时,单片机直接读外部ROM,本设计接的是高电平。
2.2、传感采样模块
2.2.1、系统传感器选型
系统采用压电传感器是一种典型的有源传感器,又称自发电式传感器。
其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。
压电传感器体积小,结构简单,重量轻,可以应用于动态力学的测量,不太适合测量频率太低的,其弱点是高内阻,小功率。
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。
电阻应变式传感器的核心元件是电阻应变片,其工作原理是电阻应变效应,电阻应变片可以单独作为传感器使用,又可以作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。
电阻应变效应就是导体的电阻随着机械变形而发生变化。
电阻应变片把机械应变信号转变成△R/R后,由于应变量和相应电阻变化一般都很微小,难以测量不便处理,因此要把应变片的△R/R变化转换成电路的电压或电流变化。
其转换电路常用测量电桥。
直流电桥的特点是其信号不会受各元件、导线的分布电感及电容的影响,抗干扰能力强。
但因机械应变的输出信号小,要求用高增益和高稳定性的放大器放大。
图2-2-1传感器内部连接图
当电桥输出端接无穷大负载电阻时,可视输出端为开路,此时直流电桥称为电压桥,即只有电压输出。
当忽略电源的内阻时,由分压原理有:
=(2.1)
当满足条件R1R3=R2R4时,即
(2.2)
=0,即电桥平衡。
式(2.2)称平衡条件。
应变片测量电桥在测量前使电桥平衡,从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。
若差动工作,即R1=R-△R,R2=R+△R,R3=R-△R,R4=R+△R,按式(2.1),则电桥输出为
(2.3)
应变片式传感器有如下特点:
(1)应用和测量范围广。
(2)精度较高,分辨力和灵敏度高,。
(3)结构轻小,可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用,频率响应好。
(4)商品化,使用方便。
通过对比压力传感器与电阻应变式传感器,最终选择了第二种方案。
题目要求称重范围0~10Kg,满量程量误差不大于
2g,为避免超重损坏传感器,所以传感器量程必须大于额定称重10Kg。
我们选择的是电阻应变片压力传感器,量程为10Kg,精度为0.001%,满足本系统的精度要求。
2.2.2、A/D转换器芯片选择
HX711芯片是高精度24位A/D转换器芯片。
具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。
与其他A/D转换芯片相比,该芯片有其他类型所需要的外围电路,包括稳压电源、片内时钟振荡器等。
降低了成本,提高了整机的性能和可靠性。
该芯片与MCU芯片的接口和编程简单,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,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。
芯片内提供的稳压电源可以直接提供电源,系统板上无需另外的模拟电源。
芯片管脚图如图2-2-2所示。
图2-2-2HX711管脚定义
2.2.3、HX711典型应用电路
HX711典型应用电路如图2-4所示。
图2-2-3HX71典型应用电路
2.2.4、A/D与单片机连接
图2-2-4A/D与单片机连接
2.3、蜂鸣器报警模块
2.3.1、蜂鸣器简介
蜂鸣器是用于报警的讯响器,它有两种规格,一种是有源蜂鸣器,一种是无源蜂鸣器。
有源蜂鸣器采用直流进行供电,通过单片机链接三极管驱动蜂鸣器,单片机只需要给高电平或是低电平,它就可以工作。
无源蜂鸣器也是通过三极管进行驱动,但是单片机需要给一定频率的脉冲给蜂鸣器,蜂鸣器才能够工作。
蜂鸣器在电子、计算机等领域使用较为广泛。
2.3.2、蜂鸣器分类
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
压电蜂鸣器主要由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料组成,它的工作方式主要通过金属之间的容声电容的变化,而产生振动。
电磁式蜂鸣器主要由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成,它主要通过线圈变化的电流产生的变化的磁场,然后磁场对磁铁进行吸和进而产生机械振动,然后带动薄膜进行振动。
2.3.3、有源蜂鸣器与无源蜂鸣器的区别
无源蜂鸣器必须使用2K-5K的方波去驱动它,否则无源蜂鸣器无法正常工作。
无源蜂鸣器的优点是:
1.价格便宜
2.通过控制脉冲的频率,来发出不同的声音和音调。
3.相对于有源蜂鸣器,无源蜂鸣器的驱动方式可能较复杂些。
有源蜂鸣器的优点是:
程序控制方便。
2.3.4、有源蜂鸣器与无源蜂鸣器的区别
单片机驱动蜂鸣器的方法主要有两种,一种是使用PWM来进行驱动,一种是直接使用单片机的I/O口进行驱动。
使用PWM驱动可是进行调节蜂鸣器的音响和音效等,可以提供更加个性化的服务,同时PWM既可以驱动无源蜂鸣器也可以驱动有源蜂鸣器。
直接使用IO口进行驱动蜂鸣器只能针对有源蜂鸣器,并且直接使用I/O进行驱动蜂鸣器,没法实现改变蜂鸣器的音响和音效等一些特殊要求。
2.3.5、蜂鸣器驱动电路
此设计中增加了蜂鸣器报警功能。
当火焰传感器检测到空气中有火光时,火焰传感器会输出一个高电平,然后单片机接触到火焰传感器的电信号为高电平时,启动蜂鸣器进行报警,一直等到火焰传感器输出的电信号为低电平时,停止报警。
驱动蜂鸣器需要很大的电流,因此需要三极管或者达林顿管这样的驱动芯片来进行驱动。
正常我们使用一个PNP的三极管加一个电阻和一个无极电容来搭建蜂鸣器的驱动电路,蜂鸣器驱动电路如图2-4所示。
1.蜂鸣器
蜂鸣器的发生条件只需要在蜂鸣器的两端加上工作电压,正常工作电压为5V或者3.3V,具体看购买的蜂鸣器的型号来进行选择。
2.续流二极管
续流二极管主要是用来防止大电流过来或是大电压过来,直接供给给蜂鸣器,避免蜂鸣器被烧毁。
3.滤波电容
滤波电容主要是用来对电源进行滤波的,蜂鸣器驱动电路中使用220uF的电解电容,使用电解电容一方面可以对电源进行滤波,一方面,可以防止电源欠压等情况的发生。
4.三极管
三极管Q1主要起开关作用,同时它通过自身的特性,在发射极输出大电流,以便能驱动蜂鸣器。
2.3.6、蜂鸣器工作原理分析
蜂鸣器电路图如图2-3-5所示,报警装置采用蜂鸣器,当重量超过我们自己设定的10KG上限值时,蜂鸣器就会响。
在电路中也就是当单片机STC89C51的23脚P2^3置0时,三极管导通,蜂鸣器报警。
当单片机IO口输出高电平时,三极管截止,蜂鸣器停止报警。
图2-3-5蜂鸣器报警电路
2.4、数码管显示模块
图2-4数码管显示方案
2.4.1、数码管简介
数码管是一种半导体发光器件,最小单元是发光二极管,通过发光二极管,来组成图案,通过亮不同部位的二极管,来显示数据和字母。
2.4.2、数码管分类
数码管也成为LED数码管,数码管按照段数来分类,可以分为7段数码管和8段数码管,8段数码管可以显示小数点。
数码管按照链接方式可以分为共阳数码管和共阴数码管,共阳数码管是数码管内部所有的的发光二极管的阳极都链接在一起,而共阴数码管是数码管内部的所有的二极管的阴极都连接在一起。
显示效果都是一样的,仅仅是和控制器的链接方式不一样,以及驱动方式不一样。
2.4.3、数码管结构
数码管主要是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件,根据,不同的连线方式,可以分为共阳和共阴连接方式,对应的驱动方式也有所不同。
了解数码管的内部结构原理,有利于更好的编写控制器的数码管驱动程序。
2.4.4、数码管驱动
数码管驱动方式分为两种,一种是静态的显示驱动,一种是动态的驱动方式,
静态显示驱动,主要是通过控制器IO口直接和数码管相连,这种驱动方法可以提高数码管的显示亮度,编程简单,但是会占用很多的控制器IO口,导致控制器IO口的浪费。
所以一般不采用静态显示驱动的方法来驱动数码管。
动态显示驱动数码管,主要是通过移位寄存器芯片或者选择器芯片来控制数码管端口,通过单片机空气选择器或者移位寄存器芯片来控制选择端口,从而达到控制数码管端口,这种控制方法可以节省很多控制器IO端口,并且外设芯片的驱动能力也比较强,可以增强数码管的显示效果。
2.4.5、数码管参数
电流:
静态电流为10-15mA比较合适,动态电流为4-5mA,峰值电流50-60mA比较合适。
电压:
电压要根据数码管显示的颜色来确定,当显示是红色和黄绿时,每个二极管电压为1.9V左右;
当数码管显示的颜色为绿色和蓝色时,每个二极管电压为3.1V左右。
2.4.6、数码管应用
数码管可以用来显示电压电流等工业设备,也可以用来显示时间等设备,由于数码管的显示效果比较好,所以也经常用在道路交通等方面。
2.4.7、数码管驱动电路
数码管驱动电路如图2-4-7所示,主要是通过三极管和电阻组成,通过单片机和NPN三极管的基极相连,当单片机为高电平时,NPN三极管处于正偏,NPN三极管发射端输出高电平,当单片机引脚输出低电平时,NPN三极管的基极和发射极没有形成正偏,所以此时三极管不具有放大电流功能,NPN三极管发射端输出低电平,通过单片机控制三极管的基极,然后三极管的发射极控制数码管的I/O口,从而对数码管进行驱动。
图2-4-7数码管驱动电路
3、软件设计
3.1、软件总流程
在进行本设计的软件编程前,先设计好软件的整个框架,整个软件框架搭建好后,再将整个软件框架划分成几个小的模块,然后以每一个模块进行考虑软件的细节设计,然后编写每一个模块的软件,最后进行联合硬件进行调试软硬件配合运行是否达到我们的设计要求。
只有这样整体的构思软件设计,才能设计出稳定性和易读性都俱佳的清晰的软件,这样的软件也便于后期的维护。
此设计的程序设计时,先初始化定时器,然后
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