电子秤专业系统设计.doc
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1、基于单片机电子秤系统设计摘要电子秤是将检测与转换技术、计算机技术、信息解决、数字技术等技术综合一体当代新型称重仪器。它与咱们寻常生活紧密结合息息有关。电子称重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构成。电子称不但计量精确、迅速以便,更重要自动称重、数字显示,对人们生活影响越来越大,广受欢迎。本系统设计重要从硬件电路设计,软件编程调试,实物焊接调试三某些进行详细阐述。硬件电路重要是基于单片机STC89S52为核心控制单元实现数据解决,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对传感器采集到模仿量进行AD转换,转换后数
2、据送到单片机进行解决显示,数据显示由LCD1602液晶实现,液晶显示效果稳定无闪烁。核心字:STC89S52单片机;电子秤;压力传感器;HX711。1绪论称重技术自古以来就被人们所注重,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,与人民生活紧密相连。电子秤是电子衡器中一种,衡器是国家法定计量器具,是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少计量设备,衡器产品技术水平高低,将直接影响各行各业当代化水平和社会经济效益提高。称重装置不但是提供重量数据单体仪表,并且作为工业控制系统和商业管理系统一种构成某些,推动了工业生产自动化和管理当代化,它起到了缩短作业时间、改进操作条
3、件、减少能源和材料消耗、提高产品质量以及加强公司管理、改进经营管理等多方面作用。称重装置应用已遍及到国民经济各领域,获得了明显经济效益。电子秤是称重技术中一种新型仪表,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、构造简朴、价格低、实用价值强、维护以便等特点,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,从老式所有由机械元器件构成机械称到用电子线路代替某些机械元器件机电结合秤,再从集成电路式到当前单片机系统设计电子计价秤。国内电子衡器从最初机电结合型发展到当前全电子型和数字智能
4、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;计量办法从模仿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。常规测试仪器仪表和控制装置被更先进智能仪器所取代,使得老式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,并相应浮现了各种各样智能仪器控制系统,使得科学实验和应用工程自动化限度得以明显提高。电子称重实现一方面是通过压力传感器采集到被测物体重量并将其转换成电压信号。输出电压信号普通很小,需要通过前端信号解决电路进行精确线性放大。放大后模仿电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路单片机中,再通过单片机控制译码显示屏,从
5、而显示出被测物体重量。按照设计基本规定,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、信号前级解决和A/D转换某些构成。转换后数字信号送给控制器解决,由控制器完毕对该数字量解决,驱动显示模块完毕人机间信息互换。此某些对软件设计规定比较高,系统大某些功能都需要软件来控制。在扩展功能上,本设计增长了一种过载报警提示功能。2 系统硬件方案设计2.1系统总体设计方案比较与论证在设计系统时,针对各个模块实现功能来设计电子秤方案有如下几种:方案一 数码管显示:数据采集AD转换单片机解决LED显示图1 数码管显示方案此方案运用数码管显示物体重量,简朴可
6、行,可以采用内部带有模数转换功能单片机。由此设计出电子秤系统,硬件某些简朴,接口电路易于实现,并且在编程时大大减少程序量,在电路构造上只有简朴输出输入关系。缺陷是:硬件某些简朴,虽然可以实现电子称基本称重功能,但是不能实现外部数据输入,无法依照实际状况灵活地设定各种控制参数。由于数码管只能实现简朴数字和英文字符显示,不能显示中文以及其她复杂字符,不能达到显示购物清单规定。又由于采用了具备模数转换功能单片机,系统电路过于简朴,系统硬件扩展必受到限制,电子秤功能过于单一,达不到设计原则。方案二 在前一种方案基本上进行扩展,增长一键盘输入装置,增长外界对单片机内部数据设定,使电子称实现称重计价功能。
7、构造简图如图2所示:数据采集AD转换单片机解决LED显示按键解决图2带有键盘输入构造简图此方案设计电子秤,可以实现称物计价功能,但是局限于数码管功能,在显示时只能显示单价、购物总额以及简朴货品代码等。在显示重量时,如果数码管没有足够位数,那么称量物体重量精度必受到限制,因此此方案需要较多数码管接入电路中。这样在解决输入输出接口时需要另行扩展足够多I/O接口供数码管使用,比较麻烦。方案三 前端信号解决时,选用放大、信号转换等办法来增长信号采集强度但会增长相应设计成本;显示方面采用品有字符图文显示功能LCD显示屏。这种方案不但加强了人机互换能力,并且满足设计规定,可以显示购物清单、所称量物体信息等
8、有关内容,当需要增长扩展功能时可以通过切换液晶显示界面方式来实现。构造简图如下图3所示:数据采集A/D转换单片机解决LCD显示按键解决信号放大图3带有键盘输入及液晶显示构造简2.2系统元器件选型及器件参数简介2.2.1单片机选型单片机选取在整个系统设计中至关重要,要满足大内存、高速率、通用性、价格便宜等规定,鉴于以上考虑本课题选取AT89S52作为整个系统主控芯片。AT89S52是一种低功耗,高性能CMOS 8位单片机,片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)可重复擦写10000次Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存储技术制造
9、,兼容原则MCS-51指令系统及80C51引脚构造1,芯片内集成了通用8位中央解决器和ISP Flash存储单元,功能强大微型计算机AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比解决方案。AT89S52芯片具备如下特性2:指令集和芯片引脚与Intel公司8051兼容;8KB片内在系统可编程Flash程序存储器;时钟频率为033MHz;128字节片内随机读写存储器(RAM);32个可编程输入/输出引脚;2个16位定期/计数器;6个中断源,2级优先级;全双工串行通信接口;监视定期器;2个数据指针。AT89S52单片机40个引脚中有2个专用于主电源引脚,2个外接晶振引脚,4个控制或与其他电源复
10、用引脚,以及32条输入输出I/O引脚。AT89S52单片机引脚图如图4所示:图4 AT89S52单片机引脚图2.2.2传感器选取 压电传感器是一种典型有源传感器,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特定表面产生电荷压电效应。压电传感器体积小、重量轻、构造简朴、工作可靠,合用于动态力学量测量,不适合测频率太低被测量,更不能测静态量。当前多用于加速度和动态力或压力测量。压电器件弱点:高内阻、小功率。功率小,输出能量薄弱,电缆分布电容及噪声干扰影响输出特性,这对外接电路规定很高。电阻应变式传感器是一种运用电阻应变效应,将各种力学量转换为电信号构造型传感器。电阻应变片式电阻应变式
11、传感器核心元件,其工作原理是基于材料电阻应变效应,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。导体电阻随着机械变形而发生变化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普通都很微小,难以直接精准测量,且不便解决。因而,要采用转换电路把应变片R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路惯用测量电桥。直流电桥特点是信号不会受各元件和导线分布电感及电容影响,抗干扰能力强,但因机械应变输出信号小,规定用高增益和高稳定性放大器放大。图5为始终流供电平衡电阻电桥,接直流电源E: RdRaRcRbRes Bridge EinEout
12、图5 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。当忽视电源内阻时,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应变所引起电阻变化关于。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)应用和测量范畴广,应变片可制成各种机械量传感器。(2)辨别力和敏捷度高,精度较高。(3)构造轻小,对试件影响小, 对
13、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,使用以便,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,最后选取了第二种方案。题目规定称重范畴05Kg,满量程量误差不不不大于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,因此传感器量程必要不不大于额定称重5Kg。咱们选取是电阻应变片压力传感器,量程为5Kg,精度为0.01% ,满足本系统精度规定。2.2.3 显示屏选取方案一 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种
14、发光二极管单元(多一种小数点显示);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阳极接到一起形成公共阳极(COM)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阴极为低电平时,相应字段就点亮。当某一字段阴极为高电平时,相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管阴极接到一起形成公共阴极(COM)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阳极为高电平时,相应字段就点亮。当某一字段阳极为低电平时,相应字段就不亮。数码管显示信息有限,当显
15、示信息较多时需要各种数码管级联方可,这样会导致硬件连接复杂,成本增长;数码管对大某些字符不能较好显示,动态扫描时解决不好易浮现闪烁现象。方案二 LCD字符液晶显示采用点阵字符型 LCD 液晶显示,液晶显示模块具备体积小、功耗低、显示内容丰富等特点,当前字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最惯用信息显示屏件,但采用LCD液晶显示会导致设计成本增长。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4。详细引脚阐明如表图6所示。图6 LCD1602字符液晶引脚定义LCD1602 液晶模块
16、内部字符发生存储器(CGROM)已经存储了 160 个不同 点阵字符图形,如表 1 所示,这些字符有:阿拉伯数字、英文字母大小写、惯用符号、和日文假名等,每一种字符均有一种固定代码,它读写操作、屏幕和光标操作都是通过指令编程来实现。最后综合了多方面因素考虑采用了方案二,选取 LCD1602 显示屏作为系统显示界面。2.2.4 AD转换芯片选取 HX711是一款专为高精度电子秤而设计24位A/D转换器芯片。与同类型其他芯片相比,该芯片集成了涉及稳压电源、片内时钟振荡器等其他同类型芯片所需要外围电路,具备集成度高、响应速度快、抗干扰性强等长处。减少了电子秤整机成本,提高了整机性能和可靠性。该芯片与
17、后端MCU 芯片接口和编程非常简朴,所有控制信号由管脚驱动,无需对芯片内部寄存器编程。输入选取开关可任意选用通道A 或通道B,与其内部低噪声可编程放大器相连。通道A 可编程增益为128 或64,相应满额度差分输入信号幅值分别为20mV或40mV。通道B 则为固定64 增益,用于系统参数检测。芯片内提供稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内A/D 转换器提供电源,系统板上无需此外模仿电源。芯片内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初始化过程。芯片管脚图如图7所示。图7 HX711管脚定义HX711典型应用电路如图8所示。图8 HX711典型应用电路3系统硬件电路设计3.1系统电
18、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屏所需供电电压均为 5V 电压,因此要保证系统稳定可靠工作,需要设计一种可以稳定提供 5V 电压供电系统。本设计采用双电源接口供电方式,USB 接口供电以便程序调试,也可采用外置电源作为系统供电电源,但是需另加三端稳压器件 LM7805 作为系统电源稳压器件以保证系统电压为稳定直流 5V 电压,同步外置电源输出电压要高于 5V输出,系统电源输入接口要加滤波电容以保证工作电压稳定。电源输出接口加上LED 电源批示灯,用来鉴定电源与否正常工作。该系统电源电路设计如图 11 所示。C1,C2实现对电源滤波,以滤除也许存在高频杂波对电源影
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