数字电子称的设计与制作.docx

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数字电子称的设计与制作

学科分类号0712

本科生毕业论文（设计）

题目（中文）：

数字电子称的设计与制作

Electronicsignscontrollerdesignandimplementation

学生姓名：

学　　号：

系　　别：

专　　业：

指导教师：

起止日期：

二○**年五月七日

目录

摘要…………………………………………………………………………………4

关键词………………………………………………………………………………4

Abstract……………………………………………………………………………4

Keywords…………………………………………………………………………5

1前言………………………………………………………………………………6

1.1称重技术和衡器的发展………………………………………………………6

1.2电子称的组成…………………………………………………………………8

1.2.1电子称的基本结构…………………………………………………………8

1.2.2电子称的工作原理…………………………………………………………9

1.2.3电子称的计量性能…………………………………………………………9

2总体方案论证…………………………………………………………………11

2.1设计的主框图…………………………………………………………………11

2.2传感器的选择…………………………………………………………………11

2.3控制部分的方案选择………………………………………………………12

2.4A/D转换……………………………………………………………………13

2.5显示的选择…………………………………………………………………13

3硬件电路设计……………………………………………………………………14

4芯片介绍…………………………………………………………………………14

4.1单片机AT89S52芯片介绍…………………………………………………14

4.2单片机AT89S52最小系统介绍………………………………………………16

4.3HX711芯片介绍……………………………………………………………17

4.4液晶模块12864介绍………………………………………………………17

5软件设计…………………………………………………………………………19

6测试方法和记录…………………………………………………………………19

7结果分析…………………………………………………………………………19

参考文献……………………………………………………………………………20

致谢…………………………………………………………………………………21

附录…………………………………………………………………………………22

摘要

随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。

为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，在本设计中将智能化、自动化、人性化用在了电子秤重的控制系统中。

本系统主要由单片机来控制，测量物体重量部分由称重传感器及A/D转换器组成，加上显示单元，此电子秤俱备了功能多、性能价格比高、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。

本系统以AT89S52单片机为主控芯片，外围附以称重电路、显示电路、等构成智能称重系统电路板，从而实现自动称重系统的各种控制功能。

可以说,此设计所完成的电子秤很大程度上满足了应用需求

关键词：

AT89S52芯片；称重传感器；A/D转换器；液晶显示器

Abstract

Withtheapplicationofmicro-electronicstechnology,traditionponderationinstrumentusedinmarkethasbeennotsatisfactionwithhunmanrequirementsalready.Inordertomakeupforthetraditionalapparatusshortcoming,weimprovetheapparatus'scontrolsystemwithintelligenceandautomation.Thissystemismainlycontrolledbymicrocontroller,thesectionofheightmeasurementaccomplishbysupersonicsensor,thesectionofweightmeasurementaccomplishbyweightsensorandA/Dtransformer,thisapparatushavemanycharacteristicsuchashavingmorefunction,consumelessenergy,smallandmoveeasily,lowprice,measureprecisely,thespeedisquick,automaticworkwithoutpeopleandsoon.

ThesystemismainlycontrolledbythemicrocontrollerAT89S52,theperipheryisconsistofthecircuitofclockandcalendar,thecircuitofmeasureheightandweight,thecircuitofdisplayandprint,allofthesecomprisethecircuitboardoftheintelligentapparatusofheightandweight.Itcanachieveallfunctionoftheapparatus.

Keywords

T89S52；ponderationsensor；A/Dconverter；Monitor

1前言

1.1称重技术和衡器的发展

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。

因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。

50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。

60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过40多年的不断改进与完善，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，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。

通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。

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。

目前,台式电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍,但存在较大的局限性：

体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。

现有的便携秤为杆秤或以弹簧、拉伸变形来实现计量的弹簧秤,居民用户使用的基本是杆秤。

弹簧盘秤制造工艺要求较高,弹簧的疲劳问题无法彻底解决,一旦超过弹簧弹性限度,弹簧秤就会产生很大误差,以至损坏,影响到称重的准确性和可靠性,只是一种暂时的代用品,也被列入逐渐取消的行列。

微控制器技术、传感器技术的发展和计算机技术的广泛应用，电子产品的更新速度达到了日新月异的地步。

本系统在设计过程中，除了能实现系统的基本功能外，可以实现和其他机器或设备交换数据.除此之外，系统的微控制器部分选择了兼容性比较好的AT89系列单片机，在系统更新换代的时候，只需要增加很少的硬件电路，甚至仅仅删改系统控制程序就能够实现。

综上所述,本课题的主要设计思路是：

利用压力传感器采集因压力变化产生的电压信号，然后再经过模数转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机。

单片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的重量及总额，然后再显示出来。

主要技术指标为：

称量范围0～5kg;分度值0.01kg;精度等级Ⅲ级。

这种高精度智能电子秤体积小、计量准确、携带方便,集质量称量功能与价格计算功能于一体,能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。

1.2电子秤的组成

1.2.1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子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、声表面谐振式）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。

（3）测量显示和数据输出的载荷测量装置

即处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补尝元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮器件等）。

这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。

在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。

1.2.2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－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不断扫描键盘和各种功能开关，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。

运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示，或送打印机打印。

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。

1.2.3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，如下表所示：

标志及等级

电子秤种类

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

电子秤等级分类

2.总体方案论证

2.1设计的主框图

2.2传感器的选择

电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的原件。

由电阻应变片和测量线路两部分组成。

常用的电阻应变片有两种：

电阻丝应变片和半导体应变片，本设计中采用的是电阻丝应变片，为获得高电阻值，电阻丝组成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。

电阻式应变片也会有误差，产生的因素很多，所以测量时我们一定要注意，其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：

A．电阻丝温度系数引起的。

B．电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。

对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用一批应变片，也会因为应变片之间稍有温度特性只差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行补偿，解决的方法是在被贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿骗，并从外部对它加以适当的补偿。

非线性误差是传感器图形中最重要的一点。

产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。

滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。

由于年合计为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以城中传感器必须在规定的温度范围内使用。

全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：

R1=R2=R3=R4,其变化值△R1=△R2=△R3=△R4时，其桥路输出电压Uout=KEε。

其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。

由于条件有限，这里使用了一个电子称的电阻应变式传感器。

桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，另外一个对角线为输出电压U0。

其特点是：

当四个桥壁电阻达到相应关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微笑的电阻变化。

测量电阻是电子称设计电路中是一个重要环节，我们在制作的过程中应尽量选择好原件，调整好测量的范围的精确度，以避免减小测量数据的误差。

全桥测量电桥图

它由电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝阻值为50Ω左右，测量电桥的电源由稳压电源Uin供给。

2.3控制部分的方案选择

本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器,而且以单片机为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。

这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。

再则由于系统没有其它高标准的要求，又考虑到本设计中程序部分比较大，根据总体方案设计的分析，设计这样一个简单的的系统，可以选用带EPROM的单片机，由于应用程序不大，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展存储器，这样电路也可简化。

INTEL公司的8051和8751都可使用，在这里选用ATMENL生产的AT89SXX系列单片机。

AT89SXX系列与MCS-51相比有两大优势：

第一，片内存储器采用闪速存储器，使程序写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路体积更小。

此外价格低廉、性能比较稳定的MCPU，具有8K×8ROM、256×8RAM、2个16位定时计数器、4个8位I/O接口。

这些配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求

最后我们最终选择了AT89S52这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。

AT89S52内部带有8KB的程序存储器，基本上已经能够满足我们的需要

2.4A/D转换方案的选择

HX711采用了集成电路专利技术，是一款专为高精度电子称而设计的24位A/D转换器芯片。

选择这个芯片可以保证设计出来的电子称的精度。

2.5显示方式的选择

数据显示是电子秤的一项重要功能，是人机交换的主要组成部分，它可以将测量电路测得的数据经过微处理器处理后直观的显示出来。

数据显示部分可以有以下两种方案供选择。

的组成有以下两种方案可供选择：

一是LED数码管显示,二是LCD液晶显示两种选择.LCD液晶显示器是一种极低功耗显示器，从电子表到计算器，从袖珍时仪表到便携式微型计算机以及一些文字处理机都广泛利用了液晶显示器。

3.硬件部分设计

在本系统中用于称量的主要器件是称重传感器，称重传感器在受到压力或拉力时会产生电信号，受到不同压力或拉力是产生的电信号也随着变化，而且力与电信号的关系一般为线性关系。

由于传感器输出的为模拟信号，所以需要对其进行A/D转换为数字信号以便单片机接收。

单片机根据称重传感器输出的电信号和速度传感器输出的速度信号计算出物体的重量。

在本系统中，硬件电路的构成主要有以下几部分：

AT89C52的最小系统构成、数据采集电路、液晶显示器等。

A/D转换电路图及PCB图

4．芯片介绍

4.1单片机芯片AT89S52介绍

单片机采用MCS-51系列单片机。

由ATMEL公司生产的AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司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。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，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。

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。

AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

4.2AT89S52的最小系统电路构成

AT89S52单片机的最小系统由时钟电路、复位电路、电源电路及单片机构成。

单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种操作的时间基准，复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。

单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：

内部振荡方式和外部振荡方式。

在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。

由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。

当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。

如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：

上电复位和上电或开关复位。

上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。

上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。

单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。

系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。

51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。

4.3HX711芯片介绍

HX711采用了集成电路专利技术，是一款专为高精度电子称而设计的24位A/D转换器芯片。

与同类型其他芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内始终振荡器等其他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。

降低了电子称的整机成本，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，所以控制信号有管脚驱动，无需对芯片内部寄存器编程。

输入选择开关可任意选取通道A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或者64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为正负20mv或正负40mv。

通道B则为固定的32增益，用于系统参数检测。

芯片内提供的文雅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。

4.4液晶模块12864的介绍

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。

5．软件的设计

流程图：

6.测试方法和记录

测试方法：

对砝码进行称重，对结果进行记录。

砝码重量

2g

20g

22g

200g

202g

现实重量

2.1g

20.1g

22.1g

200.1g

202.1g

7.设计总结和结论

随着集成电路和计算机技术的迅速发展，使电子仪器的整体水平发生巨大变化，传统的仪器逐步的被智能仪器所取代。

智能仪器的核心部件是单片机，单片机广泛的应用与发展，加快了智能仪器的发展。

而传感器作为测控系统中对象信息的入口，越来越受到人们的关注。

传感器是一种能将特定的被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置本次设计中的电桥电子秤就是在以上仪器的基础上设计而成的。

因此，只有充分了解有关智能仪器、单片机、传感器以及各部分之间的关系才能达到要求。

本设计的量程是0至500克，误差控制在0.1克范围内，比较好的实现了设计要求。

参考文献

[1]王福瑞．单片微机测控系统设计大全．北京：

北京航空航天大学出版社，1999．

[2]董平主编．电子技术实验．北京：

电子工业出版社，2004．

[3]童诗白.华成英主编．模拟电子技术基础．北京：

高等教育出版社，2001．

[4]周春阳等编．电子工艺实习