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电子秤的设计毕业论文.docx
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电子秤的设计毕业论文
届毕业设计(论文)
题目:
电子秤的设计
学院:
电子与信息工程学院
专业:
电子信息工程
学号:
姓名:
指导老师:
起讫日期:
2014年06月
电子秤的设计
摘要
智能电子秤是日常生活中经常使用的一种测重装置,它采用了电子技术、传感器技术等,测量的误差小,可以将“精确、快速、自动”的要求很好的满足。
现实生活中,在学校、市场、工厂、医院等地方都得到了广泛的推广和应用。
本设计主要以单片机为中心模块,针对电子秤的自动称重、自动处理数据、自动显示来进行设计。
本系统中的数据采集模块主要负责将压力这个非电量转化为电量;信号处理模块主要负责对信号的放大和模/数转换;单片机控制模块主要负责数据的进一步处理、控制端口的输出等;显示模块主要负责显示重量、单价、总价;程序设计方面采用的模块化的设计思想。
通过对这些模块的方案选择以及硬件设计,详细的介绍了本系统是如何进行数据采集、数据处理以及显示的。
关键词:
电子秤变阻式压力传感器单片机A/D转换器
Thedesignofelectronicscales
Abstract
Intelligentelectronicscaleisoneoftheweighingdevicethatwearefrequentlyusedindailylife,whichuseselectronictechnology,sensortechnologywithasmallmeasurementerror.Anditcanbenicetomeettherequirements--"precisely,quicklyandautomatically".Inreallife,ithasbeenwidelypromotedandappliedinschools,markets,factories,hospitalsandotherplaces.
Thesystemusesthesingle-chipascentralmodule,beingdesignedforautomaticallyscalesforweighing,automaticdataprocessing,automaticdisplay.Dataacquisitionmoduleismainlyresponsibleforthepressureofthenon-powerintoelectricity;ThesignalprocessingmoduleismainlyresponsibleforsignalamplificationandA/Dconverter;SCMcontrolmoduleismainlyresponsibleforthefurtherprocessingofdata,thecontroloutputport,etc.;Thedisplaymoduleismainlyresponsiblefordisplayingtheweight,unitprice,totalprice;modulardesignconceptadoptedinthedesignprocess.Throughselectingtheschemeofthesemodulesanddesigninghardware,describesindetailhowthesystemfordataacquisition,dataprocessinganddisplay.
KeyWords:
Electronicscales;variableresistancetypepressuresensor;microcontroller;A/Dconverter
第一章绪论
1.1引言
电子秤是日常生活当中经常会用到的一款衡器装置,它不仅体积小、读数方便,而且精确度高,操作十分简单方便。
正因为上面这些优点,才能够被广泛应用与商场、医院、工厂等地方。
相对于应用普通杠杆原理的衡器而言,电子秤有着很大的优点,它的精度比杠杆称重精度高的多,应用受限较少,所以应用非常广泛。
为了使生活变得更加方便,研究和制作各种不同规格的电子秤有着非常重要的意义。
1.2国内外的发展现状
现今社会,无论是在企业、医院交易市场、交易市场,还是小到每个家庭,电子秤可以说是随处可见。
它不仅拥有很多种类,而且拥有巨大的市场占有量。
从日常生活中的简单的测量重量到工厂里产品的重量的检测,电子秤在越来越多的方面得到应用。
随着市场需求的不断变化以及测重技术的飞跃发展,电子秤的技术性能趋向于高可靠性、高效率、高精确度。
总的来说,电子秤技术正越来越模块化、集成化以及智能化。
国际社会上,很多西方发达国家研制出的电子秤准确度高,可靠性高,可以说已经达到了很高的水平。
他们已经研制了具有较高准确度、防水、耐腐蚀以及在高气压下正常工作的电子秤。
目前,我国在电子秤称重技术上虽然与西方发达国家仍有一些差距,但是研究专家们正在不断努力,也取得了不少理论成果。
我们国家已经成功研制出了省电、功耗小以及能够利用光能的电子秤,不仅精度高,而且节能环保。
1.3研究的目的和意义
电子秤的设计包括很多方面,不仅需要了解电子秤的各个组成部件,而且需要了解电子秤实际生活中的应用情况。
要顺利的完成电子秤的设计,需要去了解传感器的原理、A/D转换器的原理及应用、单片机的应用以及完成程序算法的设计,这些方面需要我们运用所学的各种软件以及硬件方面的知识,可以巩固我们对于专业知识,以及其他相关知识的了解。
1.4总体设计思路
根据本课题的背景以及设计要求,要实现称重功能,首先要将物体重量这个非电量转化为电量,因此需要传感器模块,传感器输出的的电量与物体的重量有一定的对应关系;但是只依靠这一关系推算出的重量不精确,而且不直观,所以需要对传感器输出的数据进行处理;信号的处理一般选用单片机来进行,但是单片机输入的是数字信号,而传感器的输出是模拟信号,因此在此之前还要对信号进行模/数转换,再输入单片机进行处理;单片机输出的信号可以采用数码管显示,或者是LCD显示,这样得到的结果不仅准确性得到提高,而且比较直观,给用户更好的体验。
除了以上功能模块,本设计还加入了报警模块。
1.5论文结构
本论文包括中外文摘要、目录、正文、总结、参考文献、致谢、附录几大方面。
正文部分第一章为绪论,第二章为系统方案设计,第三章为系统硬件设计,第四章为系统软件设计,第五章为系统仿真及硬件调试。
第二章系统方案设计
2.1系统整体设计方案比较
根据上面的设计思路,可以衍生出很多的设计方案,现列出三种方案如下:
方案一简单的输入输出方案,如图2-1:
图2-1方案一
这个方案是通过直接将物体放到传感器上,然后将传感器的输出接到万用表,再根据传感器特性推算出物体的重量,操作起来十分方便。
但是也有很多的局限,这种方案的电子秤只能实现基本的秤重功能,而不能实现外部数据的输入,因此无法实现手动输入一些参数;而且得出物体重量非常麻烦,不能直接看出重量是多少,所以人机交换界面不理想,达不到购物清单的要求。
方案二在方案一的基础上,可以通过将信号放大以及进行模/数转换来提高结果的精确度,并使用显示模块可以使系统显示字符,使界面更直观,而且加入键盘模块,实现人机交互功能如图2-2:
图2-2方案二
这种方案设计的电子秤不仅有了信号处理这一环节,使精度得到了很大的提高,而且可以通过键盘手动输入物品的单价,并能够显示出物品的重量、单价以及总价,拥有很好的人机交互界面。
通过对比上述三种方案的优缺点,在考虑到设计的成本以及可行性前提下,本次设计选择使用第三种方案设计完成了最终的电子秤方案、最终的硬件设计方案图。
除上面这些功能模块外,本设计还加入了报警模块作为扩展功能,方案图2-3如下:
图2-3系统整体方案图
2.2系统各模块电路设计方案比较
2.2.1单片机处理模块
本系统的中心控制模块即单片机控制模块,它在整个系统中负责数据的处理、交换等作用。
本次设计中的键盘输入信号、信号处理模块的输入信号,都将被输入到中心模块中进行数据的进一步处理。
不仅如此,此中心控制模块还要能够输出显示控制信号、信号处理控制信号、报警信号等等。
显然,作为整个系统的中心控制芯片,单片机扮演着一个中心枢纽的角色,不仅有信号的输入,也有信号的输出,具有十分重要的地位。
因此,在选用这种中心控制芯片的时候,最好能够选用内存大,可靠性高,速度快而且价格便宜的芯片。
在对比市场上众多的单片机芯片后发现,STC89C52相对于其他芯片可以很好的完成上面的功能,并且拥有许多自身的优点。
STC89C52是一种8位微控制器,采用串口直接下载,抗干扰能力相对更好一点,兼容性也不错,而且成本不高。
因此,本次设计的中心控制芯片选用的是STC89C52。
2.2.2数据采集模块
数据采集模块电路的作用是将物体的重量这个非电量,转换为电压或者电流这些电量形式,以便后续的处理、输出,因此需要用到压力传感器。
方案一采用压电式压力传感器
晶体的正压电效应是压电式压力传感器的主要工作原理。
正压电效应是指当改变外力的大小时,晶体内部的电极性发生改变,所带的电荷量也发生改变。
因此,可以通过测得改变的电荷量的大小,来得到施加的外力的大小。
市场上的压电式传感器种类很多,它们都有体积小,动态性好等优点。
但是该传感器的弱点也比较明显:
内阻较大、功率偏小,防噪声性能不是很突出,输出特性被严重影响,因此由它输出的能量比较薄弱,需要设计复杂的外接电路进行矫正。
方案二采用电容式压力传感器
电容式传感器是一种可以将压力、位移等非电量的变化转换为电容量的变化的传感器装置。
它的优点是灵敏度高、简单、动态响应良好、测量可以不用接触等。
一般我们借助平行电容器来解释说明电容式传感器的工作原理,两块平行的金属板上面的电容量(不考虑边缘效应)为:
(2-1)
其中:
——介质的相对介电常数;
——真空中的介电常数;A——平行板覆盖的有效面积;d——平行板间的距离。
当被测量物体的重量发生改变,并进而改变等式中
、
、A、d的大小时,电容量都会改变,从而将变化量转化为电量的输出。
然而,电容式压力传感器也有一些不足的地方:
(1)初始时的电容比较小,因此会在杂散电路中产生较大的寄生电容。
(2)功率小、阻抗高。
由于平行板的尺寸较小,电容式传感器的电容量都比较小,因此它的容抗
=1/
C很大,属于高阻抗的元件,所以负载能力不行;同时,由于P=
C,则当电容C很小时,功率P也就比较小。
因此,电容式传感器外界干扰的抵抗能力较弱,需要采取必要的抗干扰措施。
方案三采用电阻式压力传感器
电阻应变式传感器能够将各种力学物理量转换为电信号,主要是利用电阻应变效应制成的。
电阻式压力传感器以电阻应变片为主要部件,这种电阻应变片不仅可以单独用来充当传感器,而且能作为敏感元件构成力学量传感器。
电阻式压力传感器是一款常用的传感器,拥有很多的优点。
使用比较灵敏,测量精度高,稳定性较好,分辨力高;应用领域比较广泛,许多机械量传感器都可以使用应变片制作而成;体积小,结构简单;操作简单方便,用户体验较好,便于远距离测量和商品化发展;对环境要求不高,可以在恶劣情况下正常工作,适应能力出色,在频率响应方面性能优越。
综合对比分析以上三种传感器的优缺点,再考虑到本次设计的要求为称重X围0~5Kg,误差不大于
2g。
因此,为了提高设计准确性、精确度以及可靠性,本次设计选用的是第三种方案,即采用电阻式压力传感器。
2.2.3信号处理模块
信号处理模块在本系统中包括信号放大与信号转换两个功能,所以应该包括信号放大模块与A/D转换模块。
方案一信号放大器采用AD620,A/D转换器芯片采用ADC0832
信号处理的两个部分可以分别由两个模块单独来完成。
信号放大部分一般可以使用AD620。
AD620是通过外接电阻来达到放大的效果,增益X围可调,且精度高,成本低。
模/数转换部分可采用较为常用的ADC0832。
ADC0832是一款双通道,8位分辨率的A/D转换器,采用的是逐次逼近式的转换方法。
它的兼容性高,体积小,因此经常被大家使用。
将这两个模块连接形成电路,可以完成设计的指标,但是由于需要电路间的连接,所以会产生一些不可避免的误差和干扰,因此不是特别完美。
而且ADC0832的精度不算太高,对于需要高精度的电子秤来说,不是最好的选择。
方案二采用集成的高精度A/D转换器HX711
HX711内部不仅集成了信号放大模块,而且包含了一款高精度的24位A/D转换器。
不仅如此,HX711内部还集成了完成放大和转换功能所需要一些外围电路,比如稳压电源,时钟振荡器等。
它的优点是精确度高,成本低,抗干扰能力强卓越且响应迅速。
此外,HX711与单片机之间主要是通过管脚来驱动的,接口电路简单,不需要对芯片内的寄存器进行编程。
对比分析以上两种方案的优缺点,可以发现第二种方案更有优势,所以选择使用HX711作为信号处理模块的主要芯片。
这样不仅能够节省成本,而且可以大大的提高设计的准确性和可靠性。
2.2.4显示模块
本系统中显示模块应该主要用于显示物体的重量、单价、总价,设计主要是力求使人机交换界面美观,因此选用合适的显示模块非常重要。
方案一LED数码管显示
LED数码管是一款常用的显示器件,它内部由8个发光二极管组成,其中有7个组成“8”字形,还有一个用来显示小数点。
LED内部的发光二极管已经都连接了导线,只需要引出它们的公共电极就可以使用。
但是数码管可以显示的信息有限,当需要显示的信息较多时,就用需要将多个数码管级联,这样会导致硬件连接复杂,成本也会相应增加;此外,数码管对大部分字符不能很好的显示,容易出现闪烁现象。
方案二采用LCD液晶显示
液晶显示模块可以显示出字符,因此经常用来作为字符显示模块,在单片机应用中使用较多。
它不仅显示内容丰富,还拥有很多数码管不具备的优点。
LCD1602不仅功耗低、驱动电压小、显示信息量大,而且使用周期长,不会产生辐射与污染。
LCD1602属于液晶显示器件中最为常用的一种。
它的工作电压为5V,拥有8位数据总线和三个控制端口,并且还可以调节显示器的亮度,可以显示2行16个字符,并且具备液晶显示模块的所有优点。
对比分析以上两种方案的优缺点,虽然都能成功显示数据,但是考虑到设计精确度,以及人机交换界面的美观,本设计选用的是第二种方案,即利用LCD1602来做显示模块。
2.2.5按键电路
按键电路模块主要用来手动输入物品的单价,实现人机交互的功能。
方案一专用键盘接口芯片式
专用键盘芯片内部不仅集成了接收键盘输入数据的模块,还带有显示接口,可以独立的处理对键盘的扫描、消除抖动以及编码问题。
因此,对于提高准确度和可靠性很有帮助,而且接口电路简单,使用起来十分方便,但是成本一般比较高。
方案二4*4矩阵薄膜键盘
4*4矩阵薄膜键盘属于薄膜开关的一种,由上电路、面板、下电路、隔离层四个部分组成,内部集成了16个小的按键开关,并且按照矩阵式的排列着。
它是一种近来非常流行的集功能性与装饰性于一体操作系统,不仅外形美观、体积小,而且密封性强,具有防尘、防潮等优点。
对比分析以上两种方案的优缺点,虽然都能实现按键输入的功能,但是考虑到成本的因素,而且第二种方案的可靠性相对也不低,并且还有很多其他优点,因此本设计选择第二种方案作为按键模块。
2.3具体实施方案简介
根据上述各个模块方案的对比介绍,以及考虑到本次设计的要求,本次设计的硬件部分的中心控制芯片采用STC89C52。
由于电子秤设计的功能不是很多,所需要编写的程序量也就不大,因此不需要对STC89C52外扩其他的程序存储器,这样可以避免硬件的浪费。
除了单片机的最小系统,硬件部分还应该包括数据采集电路、信号处理电路以及数据显示电路。
数据采集模块内部最主要的器件是变阻式压力传感器。
为了尽量满足高精度的要求,选择的传感器必须要满足测得重量的误差在一定的X围之内。
但是由于传感器输出的信号一般比较微弱,因此需要对输出的信号进行信号的放大,这样就可以保证结果的可靠性。
不仅如此,由于单片接收到的信号必须是数字信号,因此还需要对数据进行模/数转换。
为了提高设计的精确度以及可靠性,减少不必要的误差,本设计选用专为电子秤设计的高精度的转换器HX711,不仅可以进行信号的放大,而且可以实现信号的模数转换。
在人机交互方面,主要通过键盘来实现,可以手动输入数字和已经设置好的控制命令等,来实现一些特定的功能。
本设计中,按键控制模块采用的是4×4矩阵薄膜键盘。
显示电路部分,本设计选择使用字符点阵式液晶显示器LCD1602,不仅人机交换界面较美观,而且可以一次满屏幕显示2行16个字符,可以实现购物清单的要求。
在扩展功能上,本设计添加了报警电路,当物品重量超过量程时,蜂鸣器就会发出警报声。
第三章系统硬件设计
根据设计的要求和指标,本设计应该包括以下模块(如图2-4):
中心控制模块、数据采集模块、信号处理模块、显示模块、按键模块以及报警模块。
3.1基于STC89C52的单片机控制模块
3.1.1STC89C52简介
STC89C52是一种低电压,高性能S8位微处理器,它的程序存储空间为8K字节,数据存储空间为512字节,内带EEPROM存储空间为4K字节,I/O接口线为32位。
3.1.2STC89C52引脚说明
STC89C52引脚图如下图3-1:
图3-1STC89C52引脚图
STC89C52引脚功能说明,如表3-1:
表3-1STC89C52引脚说明图
3.1.3STC89C52具体电路设计
在本设计中,STC89C52作为主控芯片,它应该包括振荡电路、复位电路、端口连接。
振荡电路由一个晶体振荡器和两个电容并接到XTAL1和XTAL2引脚。
由电容和石英晶体构成的振荡回路,构成了一个稳定的自激振荡器,为单片机内部的放大器提供振荡以及正反馈所需的相移条件。
电路中电容的作用是起振,一般情况下,电容值偏大虽然有利于振荡器的稳定,但是同时也会增加起振时间,所以电容值在许可X围内越低越好。
一般较常使用的电容值为15pf-30pf,本设计中采用的是30pf。
为保证较高的精确度,晶振频率则选用11.0592MHz。
具体电路图如图3-2:
图3-2振荡电路图
本设计中复位电路采用的是上电复位的方式,通过电容充放电来实现,使用起来简单方便,只要接通电源就可以完成系统的复位初始化。
由上面晶振频率的选择可知,本设计的机器周期约为1us,为了保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期,上电复位电路中电阻与电容的选择由t=(3~5)RC来确定,因此可以选用电容为10uf,电阻为10K。
具体电路图如图3-3:
图3-3复位电路图
端口的连接用于与其他模块进行数据交换。
P0端口以及P2.0-P2.3端口被定义为LCD1602功能控制端,分别与LCD1602显示器的相应功能管脚连接。
P1端口被定义为按键功能控制端,当某一个功能将键被按下时,相应的P1口将工作。
P3口接信号处理模块,P3.0口接报警模块。
因此,本设计的单片机模块端口连接图如下图3-4所示:
图3-4STC89C52单片机端口连接图
3.2数据采集模块
数据处理模块的主要器件为变阻式压力传感器。
变阻式压力传感器是根据电阻应变效应原理制成的。
电阻应变效应是指当导体受力的作用,外部形状发生机械形变时,内部电阻也发生相应变化的现象。
电阻应变片把导体形变的信号转换电阻变化的信号,但是由于变化的电阻值一般都比较小,直接测量得到的结果不精确。
因此,一般使用特定的转换电路将电阻的变化转化为电压或者电流的变化。
这种转换电路经常采用直流电桥。
图3-5为一个由直流供电的电阻电桥。
本设计中采用的是压力变化转化为电压变化的输出,即把此电桥当做电压桥。
由电路的分压原理可以得到(不计电源内阻):
Eout=UBC=UBD-UCD
(3-1)
当满足条件R1R3=R2R4时,即
(3-2)
Eout=0,即电桥平衡。
式(3-2)秤平衡条件。
在测量之前,为了保证电桥的输出电压只跟电阻的变化有关,都要先使电桥保持平衡。
如果出现差动工作,即出现R1=R-△R,R2=R+△R,R3=R-△R,R4=R+△R,按式(3-1),则电桥输出为
(3-3)
压力与电压的关系与传感器的灵敏度、测重X围和电路的激励电压有关。
本设计中采用的传感器的灵敏度为2.01mv/v
0.01,量程为0-5kg,电路中的激励电压为5v,所以可以得到传感器的输出电压X围为0-10mv,还可以得到也就是说,当压力改变1g时,电压的输出变化为0.002v。
式3-3中的Eout为变化的电压值,输出到信号处理模块中进行进一步的处理。
传感器两个输出端接在HX711上的INA-、INA+端。
因此,可以得到下面的电路连接图3-5:
图3-5数据采集模块连接图
3.3信号处理模块
信号处理模块采用的是高精度的A/D转换器HX711。
3.3.1HX711简介
HX711是一款专为电子秤设计A/D转换器,是一个24位的A/D转换器。
它将一个放大倍数可调的信号放大模块与一个A/D转换模块集成在内部,功能十分强大。
芯片有两个通道A、B,由输入开关与内部的可编程放大器相连接来进行选择。
通道A的可编程增益为128或64。
通道B的可编程增益为32。
HX711内部还集成了完成放大和转换功能所需要一些外围电路,比如稳压电源,时钟振荡器等。
为简化开机的初始化过程,HX711采用的是上电自动复位。
3.3.2HX711引脚图
HX711引脚功能说明,如图3-6:
图3-6HX711引脚图
模拟输入
通道A一般用作传感器的接入端口,考虑到传感器的输出信号较小,因此此通道采用较大的增益,为64或128.
通道B为固定的32增益。
供电电源
数字电源(DVDD)使用的供电电源与单片机的电源应该一致。
HX711芯片内部含有稳压电源,可以直接向芯片内的A/D转换器和外部传感器提供电源,因此不需要其他的模拟电源。
串口通讯
HX711的管脚DOUT和PD_SCK主要用来输出数据,选择输入通道和增益。
当输出端口DOUT是高电平状态时,就表明HX711没有准备好开始输出数据,此时端口PD_SCK应保持低电平状态。
当DOUT由高电平变为低电平后,表明已经准备好输出数据,此时向PD_SCK输入25~27个时钟脉冲。
通过第一个脉冲的上升沿可以读出输出数据的最高位,然后依次读出24位数据,直到第24个时钟脉冲完成。
第25~27个时钟脉冲用来选择下一次数据转换的输入通道和增益,参见表3-2。
表3-2输入通道和增益选择
PD_SCK脉冲数
输入通道
增益
25
A
128
26
B
32
27
A
64
一般情况下,为了避免造成串口通信的错误,PD_SCK的输入时钟脉冲数应在25到27之间,否则无法得到正确的输出增益。
3.3.3信号处理模块电路设计
由于本设计中采用的HX711模块内部功能强大,已经集成了信号放大与处理模块,因此只需要对其外部电路进行正确的连接,即可实现信号处理功能。
由上面的介绍可得,将HX711的DOUT端口接在P2.4口,PD_SCK端口接P2.3口。
又因为传感器的
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