基于单片机的电子秤设计.docx
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基于单片机的电子秤设计.docx
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基于单片机的电子秤设计
基于单片机的电子秤设计
TheDesignofElectrnoicScaleBasedonSignleChipMicrocomputer
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:
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指导教师签名:
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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:
基于单片机的电子秤设计
摘要:
电子秤计量准确、快速方便,更重要的是自动称重、数字显示,对人们生活的影响越来越大,因而广受欢迎。
此次设计的电子秤以单片机为中心控制单元,软硬件结合。
硬件电路由控制模块、按键模块、显示模块、称重模块、模数转换模块组成。
控制模块以单片机STC89C52RC为控制单元,实现数字信号的处理;矩阵按键模块用于单价的输入及对转换后数字信号处理的控制;显示模块采用LCD128X64芯片显示数据;称重模块采用电阻应变式压力传感器N430,对压力信号进行采集;模数转换模块采用模数转换芯片HX711,将压力传感器采集到的模拟量转换成数字信号。
软件部分采用C语言编写,对按键模块、显示模块、称重模块进行了编程,最终实现去皮、自动称重、输入单价及修改单价、计算金额的功能。
关键词:
电子秤;单片机;称重传感器;压力传感器
TheDesignofElectronicScaleBasedonSingleChipMicrocomputer
Abstract:
Theelectronicscalemeasuresaccurately,fastlyandconveniently.Whatismoreimportantisthatitcanweighautomaticly,anddisplaydigitally.Itsimpactonpeople'slivesbecomesmoreandmorelarge,thereforeitispopular.
Thedesignoftheelectronicscaleusesthesinglechipasitscentercontrolunit,withthecombinationofsoftwareandhardware.Thehardwarecircuitismadeupofthesinglechipmicrocomputerminimumsystemmodule,keysmodule,displaymodule,weighingmodule,analog-to-digitalconversionmodule.ThesinglechipmicrocomputerminimumsystemmoduleusesSTC89C52RCMCUascontrolunit,andrealizesprocessingthedigitalsignal;thematrixkeymoduleisusedfortheinputoftheunitpriceandthecontroloftheconverteddigitalsignal;theimplementationismadeupofLCD128X64liquidcrystaldisplaymodules;theweighingmoduleadoptsresistancestraintypepressuresensorN430whichcollectsthepressuresignal;theAnalog-to-digitalconversionmoduleuseselectronicscalespecial24bitADCcoreHX711,convertingtheanalogoftheweighingsensorintodigitalsignals.ThesoftwarepartiswrittenbyClanguage,programmingthekeymodule,displaymodule,weighingmodule.Andrealizespeeling,weighingautomaticly,inputtingandmodifyingtheunitprice,andthefunctionofcalculatingamountfinally.
Keywords:
Electronicscale;Singlechipmicrocomputer;Weighingsensor;Pressuresensor
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。
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国民经济各领域,取得了显著的经济效益。
电子秤是称重技术中的一种新型仪表,广泛应用于各种场合。
电子秤与机械秤比较有体积小、重量轻、结构简单、价格低、实用价值强、维护方便等特点,可在各种环境工作,重量信号可远传,易于实现重量显示数字化,易于与计算机联网,实现生产过程自动化,提高劳动生产率。
从世界水平看,衡器技术已经经历了四个阶段,从传统的全部由机械元器件组成的机械称到用电子线路代替部分机械元器件的机电结合秤,再从集成电路式到目前的单片机系统设计的电子计价秤。
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:
电子称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。
常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代,使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化,并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统,使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。
按照设计的基本要求,系统可分为五大模块,控制模块、按键模块、显示模块、称重模块、模数转换模块。
系统的大部分功能都需要软件来控制。
此次设计的电子秤,价格便宜电路简单,损坏后便于维修。
本次设计的电子秤在实际使用时达到以下要求:
1.电子秤称重范围0~5Kg,精度1g。
2.液晶显示所称量物品的重量、输入的单价及金额。
3.矩阵按键实现单价的输入与修改。
第一章绪论
1.1选题目的及意义
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。
随着科技进步,电子电路和计算机的发展给称重测量产业带来了巨大的影响。
常规的称重仪器被更先进的智能称重仪器所取代,电子称重仪器在功能和精度及自动化水平等方面有了巨大进步,使得应用工程和科学实验等领域的自动化程度得以显著提高。
作为测量重量的仪器,智能电子秤具有测量精确,反应速度快,能够实时测量和监控的优点,其在原理和结构上取代了杠杆原理的机械式称重工具。
相对机械称重仪器,电子秤具有称重精度高、体积小、应用广泛和易操作等优点。
在工作原理、结构外形、布局和材料上都是全新的称量仪器。
现在市场使用测量重量的仪器,质量水平低、成本高、维修困难。
特别是一些小型企业,没有健全的设备,缺乏开发能力生产的电子秤的质量差易损坏。
所以针对上面的问题设计出一套高应用价值的电子秤,从而解决这些问题,改善电子秤应用中的不足,具有现实意义。
此次设计的电子秤精度高、电路简单,结构清晰便于维修,可以很大程度上减少用户的损失。
1.2电子称重系统现状
1.2.1国外的研究现状
随着第二次世界大战后电子技术渗入衡器制造业。
在1954年使用了带新式打印机的倾斜式秤。
在1960年开发出了与衡器相联的专门称重打印机。
当时带电子装置的衡器其称量工作是机械式的,但与称量有关的显示、记录、远传式控制器等功能是电子方式的。
电子称的发展过程与其他事物一样,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,都离不开能输出信号的电子衡器。
这是由于电子衡器不仅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的处理和控制过程中。
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或缺的组成部分。
随着称重传感器各项性能的不断突破,为电子称的发展奠定了基础,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%称量准确度的电子称,并在70年代中期约对75%的机械称进行了机电结合式改造。
1.2.2国内的研究现状
我国的衡器在20世纪40年代以前还全是机械式的,40年代开始发展了机电结合式的衡器。
50年代开始出现了以称重传感器为主的电子衡器。
80年代以来我国通过自行研究引进消化吸收和技术改造,已由传统的机械式衡器步入集传感器、微电子技术、计算机技术与一体化的电子衡器发展阶段。
目前,由于电子衡器具有称量快、读数方便、能在恶劣条件下工作、便于与计算机技术相结合而实现称重技术和过程控制的自动化特点,已被广泛应用于工矿企业、能源交通、商业贸易和科学技术等各个部门、随着称重传感器技术以及超大规模集成电路和微处理器的进一步发展,电子称重技术及其应用范围将更进一步的发展,并被人们越来越重视。
电子衡器产品量大面广、种类繁多,从通用的各种规格的电子称到大型的电子称重系统,从单纯的称重、计价到生产过程检测系统的一个测量控制单元,其应用领域不断地扩大。
根据近些年来电子称重技术和电子衡器的发展情况及电子衡器市场的需求,电子称的发展动向为:
小型化、模块化、智能化、集成化;其技术性能趋向于速率高、准确度高、可靠性高;其应用性趋向综合性、组合性。
1.3电子秤的计量性能
电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有:
量程、分度值、分度数、准确度等级等。
(1)量程:
电子衡器的最大称量Max,电子秤在正常工作情况下,所能称量的最大值。
(2)分度值:
电子秤的测量范围被分成若干等份,每份值为分度值。
用e或d来表示。
(3)分度数:
衡器的测量范围被分成若干等份,总份数即为分度数用n表示。
电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积来表示,即Max=n·d
(4)准确度等级
国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类等级,分别对应不同准确度的电子秤和分度数n的范围,如表1.1所示:
表1.1不同准确度的电子秤和分度数
标志及等级
电子秤分类
分度数范围
特种准确度
基准衡器
n>100000
高准确度
精密衡器
10000 中准确度 商业衡器 1000 普通准确度 粗衡器 100 第二章系统方案设计 2.1系统硬件方案设计与论证 在设计系统时,针对各个模块实现的功能来设计电子秤的方案有以下几种: 方案一数码管显示结构简图如图2.1所示。 图2.1数码管显示 方案二在前一种方案的基础上进行扩展,增加一键盘输入装置,增加外界对单片机内部的数据设定,使电子称实现称重计价的功能。 结构简图如图2.2所示。 图2.2带有键盘输入的结构简图 方案三前端信号处理时,选用放大、滤波、降噪等措施来增加信号采集强度,显示方面采用具有字符图文显示功能的LCD128X64显示器。 这种方案不仅加强了人机交换的能力。 所称量的物体的重量,单价金额等信息可以显示出来。 此方案还增加了语音报读功能,方便用户使用。 结构简图如下图2.3所示。 图2.3带有键盘输入及液晶显示的结构简图 方案一的缺点是: 硬件部分简单,虽然可以实现电子称基本的称重功能,但是不能实现外部数据的输入,无法根据实际情况灵活地设定各种控制参数。 数码管只能实现简单的数字和英文字符的显示,不能显示汉字以及其它的复杂字符。 方案二的缺点是: 局限于数码管的功能,在显示时只能显示单价、购物总额以及简单的货物代码等。 在显示重量时,如果数码管没有足够的位数,那么称量物体重量的精度必受到限制,所以此方案需要较多的数码管接入电路中。 这样在处理输入输出接口时需要另行扩展足够多的I/O接口供数码管使用,比较麻烦。 方案三在方案一和方案二基础上增加按键处理、LCD显示、语音报读。 可以方便实现单价的输入与修改,LCD12864可以显示商品单价、重量、金额信息供用户查看,语音报读商品信息可以减免人工报读可以降低使用客户劳动量,可以避免人工报读报错增加报读的准确性,也可以相应的扩大市场竞争力。 2.2设计内容 本次电子秤称重系统主要包括以下五个模块: 控制模块、称重模块、模数转换模块、显示模块和按键模块。 设计的电子秤具体工作原理如下: 首先是通过压力传感器采集被测物体的压力信号并将其转换成电压信号。 输出的电压信号通常很小,需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。 放大后的电压信号经模数转换转换成数字信号被送入到主控电路的单片机中处理之后送入液晶显示。 液晶显示出被测物体的单价、重量与金额。 按键模块用于单价的输入与修改及模数转换后数字信号处理的控制。 本设计增加了一个过载报警提示。 当物品的重量超过压力传感器的额定值时驱动蜂鸣器报警。 第三章硬件电路与电源电路设计 3.1硬件电路 3.1.1单片机的概述 STC89C52RC是一种低功耗、高性能8位微控制器,具有8K的可编程flash存储器。 使用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。 内512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,内置4KBEEPROM,MAX810复位电路,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口。 另外STC89C52RC可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种可选择节电模式。 空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。 最高运作频率35MHZ,6T/12T可选。 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位CPU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,因此在设计时选择了STC89C52RC单片机作为解决方案。 STC89C52RC具有以下标准功能: 8K字节闪烁存储器,256字节读写存储器,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。 另外,STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。 空闲模式下,CPU停止工作,允许读写存储器、定时器/计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下,读写存储器内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。 3.1.2单片机引脚功能 VCC: 电源。 其中P1,P2,P3口作为8位具有内部上拉电阻的双向IO口,P0口用作8位漏极开路双向IO口时要外接上拉电阻,外接存储器时,作为扩展电路低8位地址和总线复用口。 另外P3口除了作为一般的IO口外,更重要的用途是它的第二功能: P3.0: RXD(串行输入口) P3.1: TXD(串行输出口) P3.2: INT0(外部中断0) P3.3: INT1(外部中断1) P3.4: T0(定时器0外部输入) RST: 复位输入。 当晶振工作时,RST引脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。 EA/VPP: 访问外部程序存储器控制信号。 为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND。 为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。 在闪烁编程期间,EA也接收12伏VPP电压。 XTAL1: 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2: 振荡器反相放大器的输出端。 3.1.3控制模块电路设计 单片机上电时,当振荡器正在运行时,只要持续给出RST引脚两个机器周期的高电平,便可完成系统复位。 外部复位电路是为提供两个机器周期以上的高电平而设计的。 系统采用上电自动复位,上电瞬间电容器上的电压不能突变,RST上的电压是VCC上的电压与电容器上的电压之差,因而RST上的电压与VCC上的电压相同。 随着充电的进行,电容器上的电压不断上升,RST上的电压就随着下降,RST脚上只要保持10ms以上高电平,系统就会有效复位。 复位电路的实现可以有很多种方法,但是从功能上一般分为两种: 一种是电源复位,即外部的复位电路在系统通上电源之后直接使单片机工作,单片机的起停通过电源控制;另一种方法是在复位电路中设计按键开关,通过按键开关触发复位电平,控制单片机的复位。 本设计使用了第二种方法。 控制模块电路如图3.1所示。 图3.1控制模块电路 3.1.5按键模块电路设计 矩阵式键盘也称行列式键盘,用于按键数较多的场合。 它由行线和列线组成,一组为行线一组为列线,按键位于行列的交叉点上。 首先设置所有的行线为低电平所有列线为高电平。 当有键按下时相应列线电平被拉低。 之后设置所有行线为高电平,所有列线为低电平,当有键按下时相应的行线电平被拉低。 根据以上两步便可定位是哪个键被按下,对它赋以不同键值,在程序中可以对它设定不同功能。 矩阵电路用于单价的设定与修改、去皮、计算总价功能的控制,单片机在扫描按键过程中根据不同键值执行相应的指令。 矩阵按键电路如图3.2所示。 图3.2矩阵按键电路 3.1.6显示模块电路设计 显示由LCD128X64执行,带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式,内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字,和128个16*8点ASCII字符集。 利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,可构成全中文人机交互图形界面。 可以显示8×4行16×16点阵的汉字。 也可完成图形显示。 低电压低功耗是其又一显著特点。 由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比,不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多,且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。 基本特性: (1)、低电源电压(VDD: +3.0--+5.5V) (2)、显示分辨率: 128×64点(3)、内置汉字字库,提供8192个16×16点阵汉字(简繁体可选)(4)、内置128个16×8点阵字符(5)、2MHZ时钟频率(6)、显示方式: STN、半透、正显(7)、驱动方式: 1/32DUTY,1/5BIAS(8)、视角方向: 6点(9)、背光方式: 侧部高亮白色LED,功耗仅为普通LED的1/5—1/10(10)、通讯方式: 串行、并口可选(11)、内置DC-DC转换电路,无需外加负压(12)、无需片选信号,简化软件设计(13)、工作温度: 0℃-+55℃,存储温度: -20℃-+60℃。 128X64管教功能如表3.1所示。 表3.1128X64管教功能 管教号 管脚名称 管教功能描述 1 VSS 电源地 2 VCC 电源正 3 V0 对比度(亮度)调整 4 RS(CS) RS=“H”表示DB7——DB0为显示数据 RS=“L”表示DB7——DB0为显示指令数据 5 R/W(SID) R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7——DB0 R/W=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的数据被写到IR或DR 6 E(SCLK) 使能信号 7 DB0 三态数据线 8 DB1 三态数据线 9 DB2 三态数据线 10 DB3 三态数据线 11 DB4 三态数据线 12 DB5 三态数据线 13 DB6 三态数据线 14 DB7 三态数据线 15 PSB H: 8位或4位并口方式,L: 串口方式 16 NC 空脚 17 /RESET 复位端,低电平有效 18 VOUT LCD驱动电压输出端 19 A 背光源正端(+5V) 20 K 背光源负端 字符显示的RAM的地址与32个字符显示区域有着一一对应的关系,其对应关系如表3.2所示。 表3.2字符显示的RAM的地址与32个字符显示区域 80H 81H 82H 83H 84H 85H 86H 87H 90H 91H 92H 93H 94H 95H 96H 97H 88H 89H 8AH 8BH 8CH 8DH 8EH 8FH 98H 99H 9AH 9BH 9CH 9DH 9EH 9FH 显示电路用于显示开机画面,显示商品相应单价重量金额内容,R2用于液晶亮度的调整。 液晶显示电路如图3.3所示 图3.3液晶显示电路 3.1.7报警电路设计 当压力传感器过载时P17输出低电平三极管S8550导通驱动蜂鸣器报警。 单片机报警电路如图3.4所示。 图3.4单片机报警电路 3.1.8模数转换模块 模数转换模块原理: HX711是一款专为高精度电子秤而设计的24位模数转换芯片。 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。 通道B则为固定的32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
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