毕业设计论文厨房便携式称量勺设计.docx

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毕业设计论文厨房便携式称量勺设计

题目

厨房便携式称量勺设计

英文题目

Designofportablekitchenweighingspoon

作者声明

本人以信誉郑重声明：

所呈交的学位毕业设计（论文），是本人在指导教师指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。

文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，不包含他人成果及为获得东华理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。

本毕业设计（论文）成果归东华理工大学所有。

特此声明。

毕业设计（论文）作者（签字）：

签字日期：

年月日

本人声明：

该学位论文是本人指导学生完成的研究成果，已经审阅过论文的全部内容，并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性。

学位论文指导教师签名：

签字日期：

年月日

摘要

本文介绍的厨房便携式称量勺是基于单片机为核心具有角度补偿的电子称量系统。

在设计上采用模块化设计，分模块实现功能，应用单片机接口技术将各模块整合成一个完整的系统，设计思路清晰，使得硬件设计、软件编程、调试较易实现，成品的故障诊断和维护变得简单易操作。

硬件电路由电源模块、CPU模块（单片机最小系统）、按键电路、压力传感器电路、AD数据采集电路模块、角度检测模块、显示模块7大部分组成。

考虑到称量勺的便携性，采用升压芯片为MAX1676将1.5V电压升至5V，用一节纽扣电池供电即可。

角度的实时检测，系统对角度产生的误差进行实时补偿是本设计的一个特色，由MPU6050电子陀螺仪芯片及其外围电路构成的，其中包括X、Y、Z三个维度坐标轴角度和加速度检测，在这个系统中，我们只需对MPU6050模块的Z坐标轴角度检测的数据进行CPU的运算并处理。

系统软件的设计则按照各模块功能分成了若干个模块进行编写，分别是主程序、A/D模块程序、按键模块程序、角度检测模块程序、LCD显示模块程序。

关键词：

单片机；角度检测；便携性；称量勺；系统

ABSTRACT

TheportablekitchenweighingspoonisintroducedinthispaperbasedonsinglechipmicrocomputerasthecoreoftheelectronicweighingsystemwithAnglecompensation.Itusesthemodulardesign,differentmodulerealizethedifferentfunction.singlechipmicrocomputerinterfacetechnologymakesdifferentmoduleintegrationintoacompletesystem,theideaclarity,itmakesthehardwaredesign,softwareprogramminganddebuggingiseasytoimplement,thefaultdiagnosisofthefinishedproductsimpleeasytooperateandmaintenance.

Hardwarecircuitbythepowersupplymodule,CPUmodule（singlechipmicrocomputerminimumsystem）,thekeycircuitandpressuresensorcircuit,ADdataacquisitioncircuitmodule,testmoduleanddisplaymodule.Consideringtheportableofweightspoon,weuseMAX1676makevoltagefrom1.5Vto5V,sectionwithabuttonbatteries.Anglereal-timedetection,thesystemontheperspectiveofreal-timeerrorcompensationisafeatureofthisdesign,composedofMPU6050electronicgyroscopechipanditsperipheralcircuit,includingtheX,Y,ZaxisAngleandtheaccelerationtest.Inthissystem,wejustneedtoOperationandprocessMPU6050moduleofZaxisAngledatabyCPU.

Systemsoftwaredesigniscarriedoutinaccordancewiththemodulefunctionisdividedintoseveralmodules,respectivelyisthemainprogram,A/Dmodule,keysmoduleprogram,theAngledetectionmodule,LCDdisplaymodule.

Keywords:

MCU;Angledetection;Portable;Weightspoon;System

绪论

1、选题的背景与意义

称重系统是人们生活中必不可少的计量系统。

传统的机械式称量衡器，采用的是杠杆原理，即力与力臂的乘积相等。

称量结果往往受其灵敏度不够，精度不高和体积大等缺陷影响实际的使用体验，日渐满足不了现代人生活水平及具体功能要求，而且还存在且携带和放置不方便等诸多诟病，使之慢慢地淡出我们的视线，渐渐被电子称重系统取而代之。

传统的机械式称量衡器较为容易受外界环境影响产生误差，而且由于受到灵敏度不够的限制，往往在某些特定环境特殊要求下达不到预期的称量目的。

相比较而言，电子衡器有灵敏度高、数码显示较为直观，减小人为因素视读误差、精确度高，放置携带方便等优点。

在互联网+的大环境下，电子称量系统现如今不仅仅局限于日常家用，而是向多元化发展。

电子称量系统能够为实现生产过程中的自动化实时提供相关数据，可以提高生产效率减少成本，所以电子称量系统得以在数据处理和工业控制等相关领域广泛使用，像运输、销售等领域。

所有技术的革新及完善都要归功于称重传感器的种类日益丰富和性能指标的上升，电子称量系统才有了今天量的突破和质的飞跃。

在称重传感器方面，国内、外的相关产品和品种推陈出新，技术不断进步，相关功能不断完善。

电子称量系统以其优越的性能和稳定性，进一步地应用到生产过程监控和企业综合数据采集分析系统。

电子称重系统能较好适应和满足现代各行各业的实时检测的要求，使得电子称量系统在现代社会有着不可或缺的地位。

厨房便携式称量勺设计是新型电子称量系统研究其中的一个方向。

随着现代社会节奏的加快，生活压力的增大，进而激发了人们对生活质量提高的欲望。

人们常说的“吃穿住行”，“吃”放在了首位，这并不是偶然，养生学讲究“吃出健康，活出滋味”，但是都得有度。

这个要求的提出，就需要有均衡饮食科学普及和落实，说到落实计量系统就按讷不住得粉墨登场了，均衡饮食讲究的是食材和佐料的科学搭配，主料和佐料除了烹饪技巧之外还有量的把握，这样才能烧出一道道美味又健康的佳肴，然而要做到美味又健康，懂得养生和烹饪的人都知道，佐料的量非常重要，这时我们所要设计的厨房便携式称量勺变得极为迫切需要的厨房工具。

总而言之，厨房便携式称量勺就是出于对饮食与健康的考虑，在均衡饮食科学与烹饪科学指导下做出美味佳肴使得在佐料量的控制方面做到有的放矢不可缺少的计量工具，从而吃出生活质量。

2、国内外的研究成果及现状

本课题设计的厨房便携式称量勺是一种特殊的电子衡器。

最初的质量衡器于贸易结算的前期工具，但在历史的长河中其并未受其功用性单一而淡出人们的视线。

恰好相反，由于它是保证广大消费者正当消费权益的重大保障和前提，在各个国家和政府都得到应有的重视，并得到最前沿技术革新的支持，在每个时期，称重衡器都得以延续和发展。

随着二战后工业革命的高速发展和沉重技术的慢慢积淀，历史进程对称重衡器提出了全新的历史使命，一如既往延续其在贸易这一领域国之根本的重要地位，不同的是工业化进程对其提出了新的要求，将称重技术引入全新的领域——制造业，具体履行工艺称重自动化检测，从此称重衡器沐浴在了电子技术的春风中蓬勃发展。

1954年，与新式打印机联动的倾斜式秤应运而生，应用其输出信号控制收银结算器，配有简易的电磁结构及人工操作的按键。

1960年，在之前的基础上，一款专门称重值打印机被制造出来，虽然其称重的工作方式还是传统的机械式，但是其显示、记录和远距离传输的控制器都已经做到电子式。

电子称重技术的发展历程与其他新生事物一样，也经历了由简单到复杂、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演变过程。

其逐步的对新兴技术的吸收及很好的应对市场需求的功能拓展才有了今天称重技术欣欣向荣的场面，在现场称重、配料定量称重、以及产品质量的监测等工业工艺系统中承担着检测、校验控制功能，推动着工业生产和贸易交往的自动化和合理化。

电子称重技术有今天的蓬勃之态，当然是离不开称重传感器在称重过程中的纽带作用，可以说有电子称重技术今天的发展历程既是称重传感器的发展过程。

在20世纪60年代的国外如美国、西欧等一些发达国家，具有0.1精度传感器的电子秤被制造出来用于某些相对精密的工艺过程。

70年代中期，已经完成了75%左右的传统机械称机电结合式改造。

我们国家在20世纪40年代末期以前，称重衡器均为传统单一功用的机械式称重衡器，在此之后，受世界的大环境影响下，开始着手引进研究生产机电结合的称重衡器，进入80年代初期以来，我国相关领域的科研人员通过学习、引进、吸收和消化国外先进技术，结合自身发展情况进行了大量的工业工艺称重和贸易称重技术改造。

现如今，已基本上实现了由传统机械式到全电子型和数字智能型电子式称重衡器的转变。

由于电子式衡器具有动态快速称量、示值直观易读、环境适应性强、输出信号便于与计算机技术相结合实现动态监测和过程控制等智能优势，该称重技术应用市场的接受度和满意度均呈现出增强趋势，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领域。

称重传感器技术以及超大规模集成电路技术和微电子技术的进一步发展决定着电子称量技术要往小型化、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、组合性的方向发展。

我国作为电子称量衡器生产和使用大国，在称量传感器技术和制造上也取得了不错的成就，在称重传感器研发和生产制造领域，有160余家相关产品研发、生产单位和企业，工、商业电子秤用称重传感器的出货量突破300多万只，家用电子秤称重传感器年产量更是数以千万计，作为称重传感器生产制造大国，但在质量上与国际同类产品相比还是差强人意。

根据2002年国家有关机构对抽查7省市，16个企业，共48只称重传感器，仅合格18只,合格率37.5%的结果来看，抽查结果与称重传感器生产制造大国地位极不相称，说明国内的一些生产技术和工艺都有待提高。

我们国家现阶段大部分电子称量衡器产品无论在技术上还是产品品质上都和国外的先进水平有一定的差距。

国内相关企业想要做大做强，走向国际化与国际水平接轨就需要在研发上多下功夫，让国内电子称重衡器在量和质上都做到一个大国水平，这就要求国内相关企业不能急功近利，国家相关部门一定得加以引导，让整个行业都在以技术为先导、以质量为中心、以管理为基础，努力提高制造技术与制造工艺水平的氛围下蓬勃发展，从而实现产品品质的上升，进而增强进军国际市场走向国际化的核心竞争能力。

做到“四化两性”：

小型化、模块化、集成化、智能化、综合性和组合性，即可达到现代电子称量衡器总的发展趋势“四化两性”和也是相关研发和生产人当前及将来很长一段时间为之奋斗前行的目标。

3、课题研究的基本内容与拟解决的主要问题

课题研究的基本内容及要求：

1.选取合适的称量传感器。

2.以单片机为处理器，对重量进行采集并显示。

3.选取合适的传感器，实现物体重量的角度补偿，来确保称量精度。

4.本课题对便携式厨房称量勺进行研究，实现对食盐、花椒、料酒等低重量物体的称重，并确保一定的称量精度。

需要具体实物作为成果。

课题拟解决的主要问题：

本课题对便携式厨房称量勺进行研究，实现对厨房低质量的调味品称量的功能，为了更好控制各种调味品的摄入，让健康与美味从厨房吃出来。

通过对上述设计要求的剖析，拟解决的主要问题首先要确定称量勺的结构和具有实时检测快速显示的调味品质量的功能，通过硬件选型和功能设计达到“四化两性”现代称重衡器的要求，在产品设计过程也要尽可能考虑到产品的可生产性和理论转化性，以便在产品量产后的产品制造、更新和维护的有序进行。

第1章系统方案总体设计

1.1系统总体框架设计

本课题中具有角度补偿的厨房电子计量勺要实现其功能至少得有电源模块、主控单元（单片机最小系统）、功能按键电路、压力传感器、A/D电路模块、角度检测模块、显示模块这7部分组成。

其中电源模块部分，得充分考虑到称量勺的便携性，在设计上尽可能的减少电源部分在电路板的空间。

主控单元则是包括电源电路、复位电路、外部时钟电路、使能电路在内的最间MCU工作电路构成。

压力检测电路可以采用应变片电阻式传感器构成桥电路，由应变片受力后的微小形变产生的阻值变化在桥电路中产生微小的电压量的变化∆U，供A/D电路模块采集处理。

A/D电路模块需要一款能采集毫伏级信号并放大模拟/数字（A/D）转换器，能将采集到的微小电压信号（∆U）进行放大并进行模数转换，输出数字信号供单片机处理。

角度检测模块拟采用MPU6050电子陀螺仪芯片及其外围电路构成的，其中包括X、Y、Z三维坐标轴角度检测，本课题则只需利用该模块的Z坐标轴角度检测。

显示模块尽可能的去找到或定制一款微型的液晶显示器。

系统结构框图如图1-1所示。

图1-1系统结构框图

1.2系统方案选择

本课题所设计的厨房便携式称量勺，在设计时出于对市场和生产的前瞻性，考虑到产品量产方便流水线作业和产品后期维护，本设计采用模块化设计，厨房便携式称量勺的设计方案有如下几种：

方案一：

采用传统电子秤的设计思路，其设计思路框图如图1-2所示。

LED数码管显示

MCU处理

A/D转换

数据采集

图1-2传统电子秤设计思路框图

MCU：

微控制单元（MicroControllerUnit；MCU），也可以理解为日常我们能接触到单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）或者单片机，本文将多次用到MCU这一单片机英文缩写，下文再出现不在多做介绍。

本方案沿袭了传统电子秤的设计思路，其优势在于系统精简，成本低；但是这一设计存在着不可规避的弊端：

LED数码管体积大、表面易刮花、显示内容较为死板、易缺笔，这样不利于系统的集成，影响产品的整体性和美观性，同时在数码管缺笔状态下会造成用户读数困惑，影响用户使用体验和满意度。

该方案在可多选的情况下不可取。

方案二：

在传统电子秤设计思路上，对显示模块和功能加以增强进行改善，引进LCD显示模块和按键电路，加强人机交互方面的人性化设计。

其设计思路框图如下图1-3所示。

数据采集

LCD显示

MCU处理

A/D转换

按键电路

图1-3传统电子秤改良版设计思路框图

该设计方案在传统电子秤设计思路上改用LCD液晶显示，能大大的改善第一套方案会给我们的产品所带来的缺陷，LCD液晶显示技术已日趋成熟，在工艺上可以满足各类个性化定制要求，从而实现我们设计对高集成和显示自然、易读的要求。

同时本方案还加入了按键电路，这样就可以大大加强其功能性，在传统电子秤单一功能注入另外的活力，实现人机交互的人性化设计，在传承传统电子秤单纯显示视值的基础上加上拓展的按键控制功能，增强了该系统的包容性，做到了更高层次的人机对话。

如果按照这个设计思路去做，表面上看来可以取得很不错的效果，但是该方案还是存在不足之处。

该方案还有待进一步改善。

方案三：

在传统电子秤的基础上引入角度实时检测和补偿。

其设计方案思路框图如下图1-4所示。

角度检测

MCU处理

数据采集

信号放大

A/D转换

LCD显示

按键电路

图1-4具有角度补偿的称量勺设计思路框图

本设计方案在综合考虑到产品的“四化两性”的设计理念，在框图中未体现出来系统供电部分MAX1676升压模块构成，使用一节纽扣电池供电即可，大大的缩小电源模块占用电路板的空间。

最重要是该方案引入一个特色功能，即角度的实时检测和系统的实时补偿，解决了现有计量勺无法实时检测并显示勺体与水平面的倾角和消除因勺体未平行水平面带入误差的问题，这款产品保证了勺取量精准的同时也使得用户体验得到一个质的飞跃，可以随心所欲勺取调味品并不需要在意勺体是否与水平面平行而去拘泥于拿勺姿势。

方案选取：

综合了各方面因素，在和合作开发伙伴的讨论和老师的建议下，最终选取了方案三作为厨房便携式称量勺的设计总思路。

1.3系统结构设计方案

设计思路确定系统的构成主要由电源模块、MCU模块（单片机最小系统）、按键电路、压力传感器电路、A/D电路模块、角度检测模块、显示模块7大部分组成。

但是一款好的产品不仅是靠其优越的系统来征服用户，结构上的工业设计也是至关重要的，好的壳体结构工业设计是赢得用户的眼球和青睐的第一步。

下图1-5为产品构造图。

图1-5产品构造图

①为壳体手柄；②为电源按键；③为复位清零开关；④为锁定视值按钮；⑤为应变式压力传感器；⑥为勺体；⑦为升压模块；⑧为角度检测模块（与勺体平行放置）；⑨为液晶显示模块。

1.4设计目的及工作要求

1、方案拟解决问题

本课题是基于STC89C52RC为主控MCU的一款具有角度补偿的厨房电子计量勺。

顾名思义，本方案所设计电子称量勺区别于普通电子称的地方就是可以倾斜一定的角度去测量被测物品真实重量，所以本课题拟解决的主要问题就是对倾角和压力的实时检测并通过MCU软件部分进行计算最终在LCD1602液晶屏上进行显示被测物品的真实重量。

2、方案实施的知识储备

a、通过互联网和图书馆纸质书籍查询方案涉及相关领域研究的信息，进一步确定本设计的具体实施方案；

b、有针对性的加强学习方案所涉及的单片机概念与应用及C语言程序设计知识，做到灵活运用单片机I/O口和外部扩展；

c、熟悉并掌握升压模块MAX1676、A/D模块HX711、角度检测模块MPU6050功能结构及其相关应用电路；

d、熟悉并达到较为熟练使用绘图软件AltiumDesigner绘制电路原理图。

e、温习、加强对KeiluVision4软件的使用；

f、仔细阅读东华理工大学本科生毕业设计（论文）工作指南，对与研究相关相关信息进行一些必要的确认。

3、方案的具体实施

a、建立基于STC89C52单片机的控制系统整体结构框图，确立最终实施的具体方案；

b、根据课题设计要求和拟实施的方案，使用AltiumDesigner绘制硬件电路原理图；

c、根据设计硬件电路原理图进行元器件选型和购买相关元器件，进行实物成品制作；

d、使用C程序语言编写软件系统控制程序，并在KeiluVision4中进行程序编译调试并生成.Hex，将其烧录进硬件电路中进行实物调试；

e、在硬件和软件调试均较为理想的前提，对本设计做产品工业设计，进行壳体包装达到成品的效果；

f、撰写毕业论文设计报告，写出设计过程中的详细步骤和细节。

第2章系统硬件介绍

2.1厨房便携式称量勺设计思路

本课题所设计具有角度补偿的厨房电子计量勺主要由电源模块、MCU主控单元、按键电路、压力传感器电路、A/D电路模块、角度检测模块、显示模块7大部分组成。

其中电源模块部分，考虑到称量勺的便携性，本设计采用升压芯片将1.5V电压升至5V，用一节纽扣电池供电即可，升压芯片为MAX1676。

主控单元则是包括电源电路、复位电路、外部时钟电路、使能电路在内的最间MCU工作电路构成。

压力传感器电路由应变片电阻式传感器构成桥电路，由应变片受力后的微小形变产生的阻值变化在桥电路中产生微小的电压量的变化，供A/D电路模块采集处理。

A/D电路模块由自带增益的HX711电子秤专用模拟/数字（A/D）转换器芯片为核心构成的，将采集到的微小电压信号进行放大并进行模数转换，输出数字信号供单片机处理。

角度检测模块则由MPU6050电子陀螺仪芯片及其外围电路构成的，其中包括X、Y、Z三维坐标轴角度检测，本课题则只需利用该模块的Z坐标轴角度检测。

显示模块采用液晶显示LCD1602及其外围灰度调节电路。

厨房便携式称量勺设计思路框图如图2-1所示。

图2-1厨房便携式称量勺设计思路框图

2.2MAX1676升压型DC-DC转换器

2.2.1MAX1676简介

MAX1676是由美国MAXIM公司设计推出的新型DC-DC升压转换器，这一芯片有高效率、静态电流低、超小型μMAX封装、噪声低等特色。

其输出电压有三种方案任选，固定电压值输出分别有3.3V和5V，可调电压输出范围为2~5.5V，芯片的启动工作电压为0.9V，芯片启动后，正常工作状态下，输入电压UIN=0.7V仍然可以继续工作。

在芯片内部集成了整流电路，不再需要外加任何形式的整流电路，大大增强了电源模块在产品电路中的集成性，同时也提高了运行效率。

这三种升压方案被广泛用于便携式手提电子产品电源模块升压电路，比如说掌上导航器、小型医疗器械，还有本文设计的厨房便携式称量勺。

2.2.2MAX1676的特点和工作原理

MAX1676的封装形式采用的是10μMAX，如下图2-2所示。

图2-2MAX1676封装图

PFM为脉冲频率调制（Pulse frequency modulation）和PWM为脉冲宽度调制（pulse width modulation）。

下文出现PFM和PWM将不再做注释。

MAX1676升压型DC-DC转换器兼有了PFM超低静态电流和PWM高输出电压，低功耗等优点。

恒定的峰值电流限制使流过电感的电流能够在限值范围内平缓渐变，MAX1676在正常工作时，内部一对开关管控制着开关频率，关断时间和导通时间分别可达到1μS和4μS，流过N-MOSFET的峰值电流的开关频率则和输入电压和负载大小有关，最高可达50KHZ，峰值电流可达到1A。

MAX1676之所以会有这样优良的工作效果和稳定输出，决定性因素究其内因是其内部结构的优良，MAX1676内部结构如下图2-3所示。

图2-3MAX1676内部结构图

MAX1676的具体工作特点和引脚功能相关信息如下表2-1所示。

表2-1MAX1676功能特点表

2.2.3MAX1676的参数设置

设置输出电压。

通过改变1脚FB端连接方式可选择输出电压的方式和大小，以MAX1676典型电路为例，见下图图2-4。

FB直接接地时，电压输出端OUT输出固定电压5V；FB与芯片10脚和相连时，输出固定电压值为3.3V；如果需要输出2-5.5V之