单片机电子秤设计报告.docx

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单片机电子秤设计报告

单片机电子秤设计报告

秤是一种在实际工作和生活中经常用到的测量器具。

随着计量技术和电子技术的发展，传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。

和传统秤相比较，电子秤利用新型传感器、高精度AD转换器件、单片机设计实现，具有精度高、功能强等特点。

本课题设计的电子秤具有基本称重、键盘输入、计算价格、显示、超重报警功能。

该电子秤的测量范围为0-40Kg，测量精度达到5g，有高精度，低成本，易携带的特点。

电子秤采用液晶显示汉字和测量记过，比传统秤具有更高的准确性和直观性。

另外，该电子秤电路简单，使用寿命长，应用范围广，可以应用于商场、超市、家庭等场所，成为人们日常生活中不可少的必需品。

一、功能描述

1、采用高精度电阻应变式压力传感器，测量量程0-40kg，测量精度可达

5g。

2、采用电子秤专用模拟/数字（A/D）转换器芯片hx711对传感器信号进行调理转换，HX711采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。

3、采用STC89C52单片机作为主控芯片，实现称重、计算价格等主控功能。

4、采用128*64汉字液晶屏显示称重重量、单价、总价等信息。

5、采用4*4矩阵键盘进行人机交互，键盘容量大，操作便捷。

6、具有超量程报警功能，可以通过蜂鸣器和LED灯报警。

7、系统通过USB电源供电，单片机程序也可通过USB线串行下载

二、硬件设计

1、硬件方案

单片机电子秤硬件方案如图1所示:

图1单片机电子秤硬件方案

称重传感器感应被测重力，输出微弱的毫伏级电压信号。

该电压信号经过电子秤专用模拟/数字（A/D）转换器芯片hx711对传感器信号进行调理转换。

HX711采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片，内置增益控制，精度高，性能稳定。

HX711芯

片通过2线串行方式与单片机通信。

单片机读取被测数据，进行计算转换，再液晶屏上显示出来。

矩阵键盘主要用于计算金额。

当被测物体重量得到后，用户可以通过矩阵键盘输入单价，电子秤自动计算总金额并在液晶屏显示。

电源系统给单片机、HX711电路及传感器供电。

2、称重传感器

传感器是测量机构最重要的部件。

称重传感器本身具有单调性，其主要参数指标是灵敏度、总误差和温度漂移。

（1）灵敏度

称重传感器的电灵敏度为满负荷输出电压与激励电压的比值，典型值是

2mVN。

当使用2mV/V灵敏度和5V激励电压的传感器时，其满度输出电压为10mV通常，为了使用称重传感器线性度最好的一段称重范围，应当仅使用满度范围的三分之二。

因此满度输出电压应当大约为6mV当电子秤应用于

工业环境时，在6mV满度范围内测量微小的信号变化并非易事。

（2）总误差

总误差是指输出误差和额定误差的比值。

典型电子秤的总误差指标大约

是0.02%，这一技术指标相当重要，它限制了使用理想信号调节电路所能达到的精确度，决定了ADC分辨率的选择以及放大电路和滤波器的设计。

（3）漂移

称重传感器也产生与时间相关的漂移。

目前常用的称重传感器有电阻应变式压力传感器、电容压力传感器、压电式压力传感器。

选用时应按稳定行、精度登记、寿命和安装环境要求考虑，其主要特点如下：

（1）电容式压力传感器稳定性较差，精度和灵敏度较高，寿命较短，对环境要求苛刻，不易长距离传输。

（2）压电式压力传感器稳定性好，精度和灵敏度高，寿命长，但大量程的压力传感器尚待进一步研究。

（3）电阻应变式压力传感器稳定性较好，精度和灵敏度较高，寿命较长，对测量环境要求不太严格。

综上所述，选用电阻应变式压力传感器作为电子秤称重传感器是最为合适的。

电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片（转换元件）受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，供后续电路测量和处理。

电阻应变式传感器测量原理如图2所示。

当垂直正压力P作用于梁上时，梁产生形变，电阻应变片R1、R3受压弯

拉伸，阻值增加；R2、R4受压缩，阻值减小。

电桥失去平衡，产生不平衡电压，不平衡电压与作用在传感器上的载菏P成正比，从而将非电量转化成电

量输出。

R1、R2、R3和R4组成惠更斯电桥，将2对电阻应变片的阻值变化转变成输出电压，其工作原理如图3所示。

图3测量电桥原理

3、电子秤专用24位AD转换芯片HX711及其电路

HX711采用了海芯科技集成电路专利技术，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土20mV或土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。

HX711内部方框图如图4所示。

其外部管脚如图5所示。

图4HX711内部方框图

S0P-16L封装

图5HX711外部管脚图

图5为HX711芯片应用于计价秤的一个参考电路图。

该方案使用内部时

钟振荡器（XI=0）,10Hz的输出数据速率（RATE=0）。

电源（2.7〜5.5V）直接取用与MCU芯片相同的供电电源。

通道A与传感器相连，通道B通过片外分压

I:

I

|充电电晤|—i1―|廉金管

电池

-HFT—J-

VSU^

mTi

3ASI

RATE

XI

vra

xo

丸牡？

DCCT

VBG

PD3CK

:

SKA

ICTB

EiPA

UiSB

TDD

10

IO

MCU

L1：

用于囁鹿柢拟与数字电谊】

QL闭于关附传舷春丟;ADC电洎.

图6HX711计价秤应用参考电路图

本课题设计的HX711电路如图7所示：

AD至样电路

i6

，lQuF

1

—

13

1

2.

3

斗

+zv

P2ZLpri^^K

7SW

BASE

RATE

AVDD

11

7tB

xo

AGMD

Dour

7BG

P?

_SCK

:

NMA

DIPB-

14PA

IHWB

△

4"

£Ja-tJ——

HX7U

R?

ZDk

11X711

11

To

1*

B

H

电阻与电池相连，用于检测电池电压。

图7HX711电路

4、单片机STC89C52及其电路

⑴STC89C52单片机概述

STC89C5系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍，内部集成MAX81C专用复位电路。

（2）STC89C52单片机特点

增强型8051CPU1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；工作电压：

5.5V-3.5V（5V单片机）；

工作频率范围：

0〜40MHz相当于普通8051的0〜80MHz用户应用程序空间4K//8K/16k/32K/64K字节；

片上集成1280字节RAM；

通用I/O口（32/36个），复位后为准双向口/弱上拉（普通8051传统

I/O口）；

ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器。

每个I/O口驱动能力均可达到20mA但整个芯片最大不要超过120mA可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；有EEPRO功能；

看门狗；

内部集成MAX81专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）；

时钟源：

外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器；用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟；

常温下内部R/C振荡器频率为：

5.0V单片机为：

11MHz〜17MHz；

共4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2,但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；

外部中断I/O口4路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，PowerDown模式可由外部中断唤醒；通用全双工异步串行口（UART）；

工作温度范围：

-40~+85C（工业级）/0~75C（商业级）；

封装：

PDIP-40,PLCC-44。

（3）STC89C52单片机管脚及封装

STC89C5单片机有多种封装形式，本设计中选用40DIP封装，其管脚定义如图8所示。

图8STC89C52管脚图

本课题设计的电子秤的单片机应用电路如图9所示:

+5V

4

Ci

4

K2

一.I'IKGHD

IDuF

STCS5C52

alart

2

ROW4

3

R0W3

4

DOUT

S

PDSCK：

6

£0_狂

7

SI.EK

3

RXD

10

TXD

11

EOW2

ROW1

>32

COL1

U°

COL2

15

GQL3

GOL4

證

Pl0

PL1

pi.a

Pl.3

Pl4

Pl5

PL6

Pl.7

TXD/F'3i

IWTOP32

INTUP32WP知

T1>P3J™P3.6胚a7

A

PO.G/ADO

Pt）.L/ADI

P0.3/AD2

P02AD3

PO4/AD4

P0.5/AD5

P0.6/AD6

P07/AD?

ALEjPRqgPSEN

P2.7/A15

F2.6/A14

P25/A13

P24/A12

P23/All

F2.2/A10

P2.1/A9

P2.tWAS

TTVLX

C3

Ci

||0luF

I

C5

图9STC89C52单片机电路

图中DOU和PDSC为单片机与HX711的AD转换电路交换数据的通信线。

beep为蜂鸣器报警信号线，alert为报警灯信号线，RXD和TXD为串口通信线，也可以用于单片机程序的串行ISP下载。

5、液晶屏电路

50

HusrsH

◎富

<XDS<口5

M型LSH

-

二

Z

i■

二

-r

-

厂1

£

-

/

口

ECUSD

7：

□

iND

<二

■'上

w

-

「

・*.

二

7

LCDJLX128&4G

LCD显示电路

图10LCD显示电路

液晶屏电路如图10所示。

LCD_CS、LCD_RES、LCD_RS、LCD_SDA、LCD_SCK为液晶模块与单片机接口的控制线。

CS_ZK、SCK_ZK、SO_ZK和

SI_ZK为字库和单片机接口的控制线。

该液晶为晶讯联公司的128*64汉字屏JLX12864G-086-PC显示信息。

该显

示模块既可以当成普通的图像型液晶显示模块使用（即显示普通图像型的单色图

片功能），又含有JLX-GB2312字库IC,可以从字库IC中读出内置的字库的点阵数据写入到LCD驱动IC中，以达到显示汉字的目的。

其接口引脚功能介绍：

表一一液晶模块接口引脚功能

引线号

符号

名称

功能

1

Rd

F库IC接口

串行数据输出

详见字库IUJLXYB2312说明书

2

ROM-OUT

亍：

库瓦接口

串行数据输入

3

ROM-SCK

字库IC接口

串行吋钟输入

1

ROM-C^

卞库IC接11

片选输入

5

LEDA

背光亀源

背光电源正极”同VDD电压（5V3.3V）

6

vss

接地

0V

1

™

电路电源

5V,戍3.3V可选

8

SCK

I/O

申行时榊

9

SDA

I/O

串行数据

10

RS

寄存器选择恰号

H：

数据寄存器0：

指令寄存器（IC賣料上所写为”AD”>

□

RST

复位

低电T塑位・魏位金成后.回到高电卡.液晶模块开始工作

12

CS

片选

低电平片选

&矩阵键盘电路

矩阵键盘电路如图11所示:

图11矩阵键盘电路

图中4*4矩阵键盘可以显示0-9数字、小数点和五个功能键。

键盘行扫描信号为ROW1—ROW4,列扫描信号为COL1—COL4。

行信号为输入信号，低电平有效；列信号为输出信号。

当没有键按下时，即使行扫描输入低电平信号，列信号仍为高电平；当行扫描为低电平并且有键按下时，相应的列输出低电平。

该

低电平信号可以定位至按下键的位置。

7、声光报警电路

当测量重量超过量程时，beep和alert给出低电平信号，驱动蜂鸣器鸣

响，报警灯亮

8•电源电路

本设计采用USB接口供电，电源电压5V。

同时，USB接口通过内含PL2303芯片的转换电路对单片机进行程序编写。

其电路原理如图所示。

U潘电源及下载接口

曲D

RXDO

D1■1N414E

PCJWER2

1—

2I—

4—

POWERl

恳脚JRXD^USB绿绳TXLbJHP（TXDj接皿B白陵、RXDI

EXD

图16供电及程序下载电路

三、Protel硬件开发软件

Protel是目前国内最流行的通用EDA软件，它是将电路原理图设计、

PCB板图设计、电路仿真和PLD设计等多个实用工具软件组合后构成的

EDA工作平台，是第一个将EDA软件设计成基于Windows的普及型产品。

它集成了软件界面、仿真功能和PLD设计和信号完整性分析，在此基础

上Protel99SE又增加了一些新的功能，用户使用更加方便灵活。

Protel

的功能十分强大，在电子电路设计领域占有极其重要的地位。

它以其强大功能和实用性，逐渐获得广大硬件设计人员的青睐，是目前众多EDA设

计软件中用户最多的产品之一。

1.Protel软件组成

Protel软件主要由电路原理图设计模块、印制电路板设计模块（PCB设

计模块）、电路信号仿真模块和PLD逻辑器件设计模块等组成，各模块具

有强大的功能，可以很好的实现电路设计与分析。

（1）原理图设计模块（Schematic模块）

电路原理图是表示电气产品或电路工作原理的重要技术文件，电路原理图主要由代表各种电子器件的图形符号、线路和结点组成。

图4.1所示为一张电路原理图。

该原理图是由Schematic模块设计完成的。

Schematic模块具有如下功能：

丰富而灵活的编辑功能、在线库编辑及完善的库管理功能、强大的设计自动化功能、支持层次化设计功能等。

（2）印制电路板设计模块（PCB设计模块）

印制电路板（PCB）制板图是由电路原理图到制作电路板的桥梁。

设计了电路原理图后，需要根据原理图生设计成印制电路板的制板图，然后在根据制板图制作具体的电路板。

印制电路板设计模块具有如下主要功能和特点：

可完成复杂印制电路板（PCB）的设计；方便而又灵活的编辑功

能；强大的设计自动化功能；在线式库编辑及完善的库管理；完备的输出系统等。

（3）电路信号仿真模块

电路信号仿真模块是一个功能强大的数字/模拟混合信号电路仿真器，

能提供连续的模拟信号和离散的数字信号仿真。

它运行在Protel的EDA/Client集成环境下，与ProtelAdvancedSchematic原理图输入程序协同工作，作为AdvancedSchematic的扩展，为用户提供了一个完整的从设计到验证仿真设计环境。

在Protel中进行仿真，只需从仿真用元器件库中放置所需的元器件，连接好原理图，加上激励源，然后单击防真按钮即可自动开始。

2．PCB板设计

（1）定元件的封装

1打开网络表（可以利用一些编辑器辅助编辑），将所有封装浏览一

遍，确保所有元件的封装都正确无误并且元件库中包含所有元件的封装，网络表中所有信息全部大写，一面载入出问题，或PCBBOM不连续。

2标准元件全部采用公司统一元件库中的封装。

3④⑥⑤元件库中不存在的封装，应自己建立元器件库。

（2）建立PCB板框

1根据PCB结构图，或相应的模板建立PCB文件，包括安装孔、禁

布区等相关信息。

2尺寸标注。

在钻孔层中应标明PCB的精确结构，且不可以形成封闭尺寸标注。

（3）载入网络表

1载入网表并排除所有载入问题，具体请看《PROTEL技术大全》其他软件载入问题有很多相似之处，可以借鉴。

2如果使用PROTEL，网表须载入两次以上（没有任何提示信息）才可以确认载入无误。

（4）布局

①首先要确定参考点。

一般参考点都设置在左边和底边的边框线的交点（或延长线的交点）上或印制板的插件的第一个焊盘。

②一但参考点确定以后，元件布局、布线均以此参考点为准。

布局推荐使用25MIL网格。

3根据要求先将所有有定位要求的元件固定并锁定。

4布局的基本原则

A.遵循先难后易、先大后小的原则。

B.布局可以参考硬件工程师提供的原理图和大致的布局，根据信号流向规律放置主要原器件。

C.总的连线尽可能的短，关键信号线最短。

D.强信号、弱信号、高电压信号和弱电压信号要完全分开。

E.高频元件间隔要充分。

F.模拟信号、数字信号分开。

5相同结构电路部分应尽可能采取对称布局。

6按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准来优化布局。

（5）PCB设计遵循的规则

①地线回路规则：

图17地线回路规则

环路最小规则，即信号线与其回路构成的环面积要尽可能小，环面积要尽可能小，环面积越小，对外的辐射越少，接收外界的干扰也越小。

针对这一规则，在地平面分割时，要考虑到地平面与重要信号走线的分布，防止由于地平面开槽等带来的问题；在双层板设计中，在为电源留下足够空间的情况下，应该将留下的部分用参考地填充，且增加一些必要的过孔,

将双面信号有效连接起来，对一些关键信号尽量采用地线隔离，对一些频率较高的设计，需特别考虑其地平面信号回路问题，建议采用多层板为宜＜

2窜扰控制

窜扰（CrossTalk）是指PCB上不同网络之间因较长的平行布线引起的

相互干扰，主要是由于平行线间的分布电容和分布电感的作用。

克服窜扰

的主要措施是：

A.加大平行布线的间距，遵循3W规则。

B.在平行线间插入接地的隔离线。

C.减少布线层与地平面的距离

3屏蔽保护

XJ

图18屏蔽保护

对应地线回路规则，实际上也是为了尽量减小信号的回路面积，多用于一些比较重要的信号，如时钟信号，同步信号；对一些特别重要，频率特别高的信号，应该考虑采用铜轴电缆屏蔽结构设计，即将所布的线上下

左右用地线隔离，而且还要考虑好如何有效的让屏蔽地与实际地平面有效结合。

4走线方向控制规则

相邻层的走线方向成正交结构，避免将不同的信号线在相邻层走成同一方向，以减少不必要的层间窜扰；当由于板结构限制（如某些背板）难以避免出现该情况，特别是信号速率较高时，应考虑用地平面隔离各布线层，用地信号线隔离各信号线。

5电源与地线层的完整性规则

对于导通孔密集的区域，要注意避免孔在电源和地层的挖空区域相互连接，形成对平面层的分割，从而破坏平面层的完整性，并进而导致信号线在地层的回路面积增大。

四、软件设计

1、软件流程图

本设计主程序使用了定时器，用来实现每0.5秒称重一次的功能，流程图如图19所示。

键盘扫描程序如图20所示。

图19时钟中断程序流程图

主程序软件流程如图21所示

图20键盘扫描程序流程图

数据初始化

端口初始化

显示初始化

定时器初始化

3、主程序

下面介绍main.c主程序编写，其他程序略

（1）头文件和一些宏定义

#include

#include

#include

#include"lcd.h"

#include"hx711.h"

#include"keyboard""

//定义量程系数

#defineRATIO2114/1623

（2）管脚、常量、变量定义

//定义标识

volatilebitFlagTest=0;//定时测试标志，每0.5秒置位，测完清0

volatilebitFlagKeyPress=0;//有键按下标志，处理完毕清0

volatilebitFlagSetPrice=0;//价格设置状态标志，设置好为1。

//管脚定义

sbitLedA=P2A2;

sbitbeep=PMO；

sbitalert=PM1；

〃显示用变量

intCounter;

ucharidatastr1[6]="000000";

inti,iTemp;

//称重用变量

unsignedlongidataFullScale;//满量程AD值/1000

unsignedlongAdVal;//AD采样值

unsignedlongweight;//重量值，单位g

unsignedlongidataprice;//单价，长整型值，单位为分

unsignedlongidatamoney;//总价，长整型值，单位为分

//键盘处理变量

ucharkeycode;

ucharDotPos;〃小数点标志及位置

⑶函数声明

voidint2str（int,char*）;

voidData_lnit（）;

voidPort_Init（）;

voidTimer0_Init（）;

voidTimer0_ISR（）;

voidINT1_Init（）;

voidKeyPress（uchar）;

voidTo_Zero（）;

voidDisplay_Price（）;

voidDisplay_Weight（）;

voidDisplay_Money（）;

（4）各子程序

〃整型转字符串的函数，转换范围0--65536

voidint2str（intx,char*str）