基于单片机的电子称设计.docx
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基于单片机的电子称设计
[摘要]电子秤是将检测与转换技术、计算机技术、信息处理、数字技术等技术综合一体的现代新型称重仪器。
它与我们日常生活紧密结合息息相关。
电子称主要以单片机作为中心控制单元,通过称重传感器进行模数转换单元,在配以键盘、显示电路及强大软件来组成。
电子称不但计量准确、快速方便,更重要的自动称重、数字显示,对人们生活的影响越来越大,广受欢迎。
本系统的设计主要从硬件电路设计,软件编程调试,实物焊接调试三部分进行详细阐述。
硬件电路主要是基于单片机AT89S52为核心的控制单元实现数据的处理,采用压力传感器对数据进行采集,电子秤专用24位AD转换芯片HX711对传感器采集到的模拟量进行AD转换,转换后的数据送到单片机进行处理显示,数据显示由LCD1602液晶实现,液晶显示效果稳定没有一点闪烁。
[关键词]AT89S52单片机;电子秤;压力传感器;HX711
Abstract
Theelectronicscaleisthedetectionandconversiontechnology,computertechnology,informationprocessingtechnology,digitaltechnology,comprehensiveintegrationofthemodernnovelweighingapparatus.Itiscloselyrelatedwithourdailylifeclosely.ElectronicweighermainlytoSCMasthecentralcontrolunit,aweighingsensorforanalog-digitalconversionunit,combinedwithkeyboard,displaycircuitandpowerfulsoftwaretoform.Electronicmeasurementisaccurate,rapidandconvenientnotonly,moreimportantautomaticweighing,digitaldisplay,theimpactonpeople'slivesismoreandmorebig,thepopular.Thedesignofthissystemismainlyfromthehardwarecircuitdesign,softwareprogramminganddebugging,therealweldingdebuggingthreepartsareexpounded.ThehardwarecircuitismainlybasedonasinglechipAT89S52asthecorecontrolunit,dataprocessing,andbyusingpressuretransducerdataacquisition,electronicscalefor24bitADconversionchipHX711onsensorscollectedanalogADconversion,theconverteddatatothemonolithicmachineforprocessinganddisplay,datadisplaybyLCD1602LCD,LCDdisplayeffectisstablewithoutablink.
[Keywords]AT89S52singlechipmicrocomputer;electronicbalance;pressuresensor;HX711
目录
第1章绪论1
1.1课题背景与研究意义1
1.2国内外电子称发展及成果2
1.3本论文的研究内容及结构安排3
1.4系统设计要求3
1.5系统设计方案4
1.6本设计电子秤简介4
第2章系统硬件设计5
2.1系统元器件选型及参数介绍5
系统硬件电路设计9
第3章系统软件设计12
3.1系统软件编程环境介绍12
3.2系统主程序流程图12
4.系统的制作、安装与调试13
第5章总结与体会14
5.1总结14
5.2体会14
参考文献15
致谢16
附录17
电路原理图17
程序18
第1章绪论
1.1课题背景与研究意义
电子秤作为一种计量手段,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。
电子称重的实现首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。
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,再经过单片机控制译码显示器,从而显示出被测物体的重量。
按照设计的基本要求,系统可分为三大模块,数据采集模块、控制器模块、人机交互液晶显示界面模块。
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功能和电子日历功能使本电子称的设计更人性化智能化。
1.2国内外电子称发展及成果
随着第二次世界大战后的经济繁荣,为了把称重技术引入到生产工艺过程中去,对称重技术提出了心动要求,希望称重过程自动化,为此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,其输出信号能控制商用结算器,并且用电磁铁机构与人工操作的按键与办公机器联用。
在1960年开发出了与衡器相联的专门称重值打印机。
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、又粗糙到精密、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。
近年来电子称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。
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本论文的研究内容及结构安排
首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。
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V/F转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中,再经过单片机控制译码显示器,从而显示出被测物体的重量。
按照设计的基本要求,系统可分为三大模块,数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。
其中数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和V/F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。
本文的结构安排如下:
第1章绪论,简单介绍了本课题电子称的研究背景、研究目的、意义及国内外的研究状况。
第2章系统方案设计,本章主要内容是电子称的方案设计,首先是对整体的方案进行选择与设计,再针对各个模块(传感器、放大模块、信号转换模块、电源模块、人机交界模块)进行具体的方案论证及设计。
第3章系统硬件设计,在选定各个模块的方案中,对各方案的用到的主要芯片进行简单功能介绍及应用,并且给出了本次电路设计的具体电路图。
第4章系统软件设计,本章主要是介绍电子称的软件设计,给出了本次设计的主程序流程图及一些模块的子程序图。
最后,对本次的研究课题的主要工作及结果做出了总结与讨论,并且指出了本次研究工作中存在的不足和发现的一些问题。
1.4系统设计要求
一、基本要求
设计并制作一款基于单片机的电子秤重系统。
二、具体要求
本课题研究的内容是以单片机AT89S52为控制核心,实现电子秤的基本策略及价格计算功能。
本课题在电子称的基本功能基础上扩展了电子日历及时钟功能。
该系统可以分为单片机最小系统、数据采集系统、人机交互界面系统三部分组成。
单片机最小系统部分主要包括AT89S52和经典复位电路;数据采集部分由称重传感器、信号放大和A/D转换部分组成,信号放大和A/D转换部分主要由专用型高精度24位AD转换芯片HX711实现;人机交互界面为键盘输入和点阵式液晶显示,主要使用4*4矩阵键盘和1602液晶显示器,可以方便的输入数据和直观的显示数据;
本设计的主要设计任务如下所述:
(1)系统可实现电子称基本的称重功能(称重范围为0~5Kg,重量误差不大于±0.005Kg);
(2)系统应具备输入单价,计算总价及语音报价的功能;(3)系统超出最大测量范围5Kg时应有报警指示功能(蜂鸣器报警提示).
1.5系统设计方案
结合所学的知识,通过查找资料和论证,可通过以下方案来实现课题要求实现的指标,各方案介绍如下所述。
前端信号处理时,选用放大、信号转换等措施来增加信号采集强度但会增加相应的设计成本;显示方面采用具有字符图文显示功能的LCD显示器。
这种方案不仅加强了人机交换的能力,而且满足设计要求,可以显示购物清单、所称量的物体信息等相关内容,当需要增加扩展功能时可以通过切换液晶显示界面的方式来实现。
结构简图如下图1-1所示:
图1-1带有键盘输入及液晶显示的结构简图
本系统在设计时充分考虑到系统的实用性及成本的可行性的前提下,设计完成了最终的电子称方案,最终的硬件设计方案图如图1-1所示
1.6本设计电子秤简介
1.6.1电子秤的基本结构
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大小、参数、或特性。
不管根据什么原理制成的电了秤均由以下三部分组成:
(1)承重、传力复位系统:
:
它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统,又称电子秤的秤体,一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。
(2)称重传感器:
即由非电量(质量或重量)转换成电量的转换元件,它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。
按照称重传感器的结构型式不同,可以分直接位移传感器(电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等)和应变传感器(电阻应变式、卢表面谐振式)或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。
对称重传感器的基本要求是:
输出电量与输入重量保持单值对应,并有良好的线性关系;有较高的灵敏度;对被称物体的状态的影响要小;能在较差的工作条件下工作;有较好的频响特性;稳定可靠。
1.6.2电子秤的工作原理
当被称物体放置在秤体的秤台上时,其重量便通过秤体传递到称重传感器,传感器随之产生力一电效应,将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成正比关系)的电信号(电压或电流等)。
此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数(A/D)器进行转换,数字信号再送到微处器的CPU处理,CPU不断扫描键盘和各功能开关,根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。
一般地信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。
1.6.3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,即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,每份值即为分度值。
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T、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2章系统硬件设计 2.1系统元器件选型及参数介绍 2.1.1系统单片机选型 单片机的选择在整个系统设计中至关重要,要满足大内存、高速率、通用性、价格便宜等要求,本课题选择AT89S52作为主控芯片。 AT89S52是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S52芯片具有以下特性: ①指令集和芯片引脚与Intel公司的8051兼容; ②4KB片内在系统可编程Flash程序存储器; ③时钟频率为0~33MHz; ④128字节片内随机读写存储器(RAM); ⑤32个可编程输入/输出引脚; ⑥2个16位定时/计数器; ⑦6个中断源,2级优先级; ⑧全双工串行通信接口; ⑨监视定时器; ⑩2个数据指针。 AT89S52单片机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚,2个外接晶振的引脚,4个控制或与其它电源复用的引脚,以及32条输入输出I/O引脚。 AT89S52单片机引脚图如图2-1所示: 图2-1单片机引脚图 2.1.2系统称重传感器选型 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、重量轻、结构简单、工作可靠,适用于动态力学量的测量,不适合测频率太低的被测量,更不能测静态量。 目前多用于加速度和动态力或压力的测量。 压电器件的弱点: 高内阻、小功率。 功率小,输出的能量微弱,电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性,这对外接电路要求很高。 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的结构型传感器。 电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件,其工作原理是基于材料的电阻应变效应,电阻应变片即可单独作为传感器使用,又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。 导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。 电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后,由于应变量及相应电阻变化一般都很微小,难以直接精确测量,且不便处理。 因此,要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。 其转换电路常用测量电桥。 直流电桥的特点是信号不会受各元件和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为一直流供电的平衡电阻电桥, 接直流电源E: 图2-2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,应变片可制成各种机械量传感器。 (2)分辨力和灵敏度高,精度较高。 (3)结构轻小,对试件影响小,对复杂环境适应性强,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,便于实现远距离、自动化测量[5]。 通过对压力传感器与电阻应变式传感器比较分析,最终选择了第二种方案。 题目要求称重范围0~5Kg,满量程量误差不大于 0.005Kg,考虑到秤台自重、振动和冲击分量,还要避免超重损坏传感器,所以传感器量程必须大于额定称重5Kg。 我们选择的是电阻应变片压力传感器,量程为5Kg,精度为0.01%,满足本系统的精度要求。 2.1.3系统AD转换芯片选择 无线数据HX711是一款专为高精度电子秤而设计的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器件。 上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。 芯片管脚图如图7所示。 图2-3HX711管脚定义 HX711典型应用电路如图2-4所示。 图2-4HX711典型应用电路 2.1.4系统显示器选择 方案一数码管显示 数码管是一种半导体发光器件,其基本单元是发光二极管。 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管,八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元(多一个小数点显示);按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管;按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。 共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。 共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V,当某一字段发光二极管的阴极为低电平时,相应字段就点亮。 当某一字段的阴极为高电平时,相应字段就不亮。 共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。 共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上,当某一字段发光二极管的阳极为高电平时,相应字段就点亮。 当某一字段的阳极为低电平时,相应字段就不亮。 数码管显示信息有限,当显示信息较多时需要多个数码管级联方可,这样会造成硬件连接复杂,成本增加;数码管对大部分字符不能很好的显示,动态扫描时处理不好易出现闪烁现象。 方案二LCD字符液晶显示采 用点阵字符型LCD液晶显示,液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点,现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件,但采用LCD液晶显示会造成设计成本增加。 LCD1602可以显示2行16个字符,有8位数据总线D0-D7,和RS、R/W、EN三个控制端口,工作电压为5V,并且带有字符对比度调节和背光[10]。 具体引脚说明如表2-1所示。 表2-1LCD1602液晶显示器引脚说明 LCD1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形,如表1所示,这些字符有: 阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。 最后综合了多方面因素的考虑采用了方案二,选择LCD1602显示器作为系统的显示界面。 系统硬件电路设计 2.2.1系统电源电路设计 由于该系统中51单片机及AD转换芯片及液晶显示器所需供电电压均为5V电压,所以要保证系统稳定可靠的工作,需要设计一个可以稳定提供5V电压的供电系统。 本设计采用USB电源接口供电方式,USB接口供电方便程序调试. 2.2.2系统单片机主控电路设计 系统主控电路由AT89S52单片机及晶振电路和复位电路组成,该电路作为整个系统功能实现的核心单元,其连接
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