基于单片机的智能电子秤设计.doc
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基于单片机的智能电子秤设计
摘要
随着电子技术的广泛应用,市场上使用的传统称重工具已经不能满足人们的要求。
因此,为了改变传统称重工具在使用上存在的问题,在本设计中把智能化、自动化、人性化使用在了电子称重的控制系统中。
本设计是基于52单片机的智能电子秤的设计,设计分为压力传感模块、信号转换模块、人机交换模块和输出显示模块。
设计电路中运用电阻应变式传感器、A/D转换器、键盘和LCD显示器等四大器件。
工作原理是采用电阻式应变传感器采集被测物体质量的模拟量,再经放大电路输出到A/D转换器,转换成便于处理的数字信号输出到52单片机中进行处理后把数字信号输送到显示电路中,最后由显示电路显示测量结果。
此电子秤俱备了性能价格比高、功能多元化、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、测量准确、速度快、自动化程度高等特点。
本系统以AT89C52单片机为主控芯片,由称重电路、显示电路、报警电路、键盘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功能。
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:
AT89C52;称重传感器;A/D转换器;LCD显示器
Abstract
Withtheapplicationofmicro-electronicstechnology,traditionponderationinstrumentusedinmarkethasbeennotsatisfactionwithhumanrequirementsalready.Inordertomakeupforthetraditionalapparatusshortcoming,weimprovetheapparatus'scontrolsystemwithintelligenceandautomation.Thisdesignisthedesignoftheintelligentelectronicscalebasedon52singlechipmicrocomputer,thedesignisdividedintopressuresensingmodule,asignalconversionmodule,man-machineinterfacemoduleandoutputmodule.Theresistancestrainsensor,A/Dconverter,keyboardandLCDdisplaydeviceusingfourcircuitdesign.Theworkingprincipleissimulatedusingtheamountofresistancestrainsensormass,theamplifyingcircuitoutputtoA/Dconverter,convertedintodigitalsignaloutputtofacilitateprocessingto52SCMprocessedtransportsthedigitalsignaltothedisplaycircuit,thedisplaycircuittodisplaythemeasurementresults,thisapparatushavemanycharacteristicsuchashavingmorefunction,consumelessenergy,smallandmoveeasily,lowprice,measureprecisely,thespeedisquick,automaticworkwithoutpeopleandsoon.
Thesystemismainlycontrolledbythemicro-controllerAT89S52,theperipheryisconsistofthecircuitofclockandcalendar,thecircuitofmeasureheightandweight,thecircuitofdisplayandprint,allofthesecomprisethecircuitboardoftheintelligentapparatusofheightandweight.Itcanachieveallfunctionoftheapparatus.
Keywords:
AT89C52;ponderation–sensor;A/Dconverter;LCDDisplay
设计说明
本文主要是基于单片机电子秤的控制部分的设计及理论分析,并阐述了电路的各个部分的功能和程序原理。
该系统包括了按键、显示器、单片机最小系统和数据采集电路。
按键采用4×4矩阵式键盘模块,通过软件编程可以用AT89C52单片机进行控制,从而实现对单价的设定等功能。
显示电路由LCD液晶显示器来显示,CPU通过控制显示电路来显示被测物品的重量、单价和总金额。
单片机最小系统是指由AT89C52控制芯片、时钟电路、复位电路等构成的核心控制系统。
经过编程,该系统就可以处理数据,并控制外围电路来显示数据。
数据采集电路由应变式压力传感器来采集压力信号,并将其转换为电压信号,然后经放大器放大送入CPU进行数据处理。
文中对程序进行了理论分析,对过程进行了详细的阐述,简明扼要的说明了电子秤的制作。
该电子秤系统设计有以下几点基本要求:
(1)硬件电路的设计。
(2)元件的装配。
针对上述要求,考虑实际,我构思出具有多功能的电子秤称重系统。
设计的主要内容为:
(1)单片机最小系统模块:
整个系统都是以单片机为控制核心。
从功能和价位以及本题目要求来看,我们选择STC89C52RC芯片作为本系统的控制芯片,同时可以实现控制、显示、键盘等功能,电路设计和制作比较简单,实现功能的多样化。
(2)数据采集模块:
选择电阻应变式传感器进行数据采集,结合STC89C52RC单片机来进行数据处理。
数据采集处理是对传感器发出的信号进行量化、采集,主要包括信号放大、数据采集,然后进行A/D转换。
注意对传感器输出的信号进行放大时,应选取合适的运算放大电路。
最好先计算好应放大的倍数,以便选取。
还有就是处理数据时,应选取适当的数据转换系数,使输出量满足量程要求。
考虑传感器的精度,它将直接影响电子秤的称重准确度。
由于传感器发出的信号不是很稳定,所以称重时误差很大,所以使用精密度较高的传感器,效果会好的多。
(3)键盘模块:
采用4×4的矩阵键盘来实现电子秤系统的单价设定。
(4)显示模块:
采用12864液晶显示器来显示电子秤称重系统的重量、单价和总价。
在做本设计的过程中,我查阅了很多的相关资料,其中主要的技术资料是各个芯片的资料,如:
STC89C52RC单片机资料、LCD12864液晶显示器资料、HX711集成模块资料、电阻应变式传感器相关资料。
关键词:
单片机;称重传感器;A/D转换器;LCD显示器
目录
1.引言 1
1.1研究背景 1
1.2研究目的与意义 1
1.2.1国内研究状况 1
1.2.2国外发展状况 1
2.电子秤系统的总体介绍 2
2.1电子秤系统的总体方案 2
2.2电子秤系统的功能 2
2.3电子秤系统的结构 2
2.3.1设计结构 2
2.3.2组成结构 3
3.电子秤系统硬件设计 4
3.1电子秤系统主要芯片介绍 4
3.1.1单片机芯片AT89C52 4
3.1.2单片机管脚说明 5
3.1.3AT89C52的最小系统电路构成 6
3.2电子秤的工作原理 7
3.2.1电子秤原理框图 7
3.2.2电子秤的工作原理 7
3.3电子秤的硬件设计 8
3.3.1传感模块的设计 8
3.3.2放大及A/D转换模块的设计 9
3.3.3显示模块的设计 10
3.3.4键盘模块的设计 11
3.3.5超量程报警部分设计 13
4.系统软件设计 14
4.1主程序设计 14
4.2子程序设计 14
4.2.1数据处理子程序的设计 14
4.2.2数据采集子程序的设计 15
4.2.3显示子程序的设计 16
4.2.4键盘扫描子程序的设计 16
4.2.5超重报警子程序设计 16
5.电子秤系统的调试 18
5.1软件调试 18
5.2硬件调试 18
6.结语 19
参考文献 20
致谢 21
附录 22
附录A电路原理图 22
附录B源程序 23
1.引言
1.1研究背景
称重技术作为一种常用的计量手段,广泛地应用于工业、农业、科研、交通、贸易等领域,并且与人民的生活紧密相连。
电子秤是国家法定的称重计量器具,是国计民生、内外贸易、科学研究中不可或缺的计量设备。
衡器产品技术水平,将影响到国家各行各业的发展水平和社会经济效益。
称重装置不仅提供测重数据,而且作为工业控制系统和商业管理系统的组成部分,提高了工业生产的自动化,同时缩短了作业时间、改善了操作条件、降低材料和能源的消耗、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。
称重装置的广泛应用到国民经济各领域,取得了显著的经济效益。
各国都非常重视称重技术的研究和衡器工业的发展。
50年代后电子技术推动了衡器制造业的发展。
60年代后出现机电结合式电子衡器,经过50多年的不断改进,我国电子衡器从最初的机电结合型发展到电子型和数字智能型。
现今电子衡器制造技术又得到了新发展。
1.2研究目的与意义
1.2.1国内研究状况
我国的电子秤技术在改革开放后提供了良好的发展机遇。
我国已可生产机械与设备等1000多个规格的电子秤装备,具有20世纪80年代以上国际水平的产品占据主导地位,部分产品具有国际先进水平,产品不但能满足6000余家中西药厂、2000多家动物药厂及保健品厂的需求,而且出口美、日、德、法等数十个国家和地区。
现在我国电子秤的生产企业数、产品品种、产量均位居世界首位,成为了名副其实的电子秤装备大国。
但在质量和技术上与国际水平的差距还很大,中国的核心技术和产品质量还需进一步的提高。
1.2.2国外发展状况
国外的衡器产品质量好、应用面广、种类繁多,从通用的电子秤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测量控制单元,其应用领域在不断地延伸。
根据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,电子衡器总的发展方向为:
小型化、模块化、智能化、集成化,其应用性向综合性、组合性趋势发展。
2.电子秤系统的总体介绍
2.1电子秤系统的总体方案
本设计是基于52单片机的智能电子秤的设计,分为压力传感模块、信号转换模块、人机交换模块和输出显示模块。
设计电路中运用电阻应变式传感器、A/D转换器、键盘和LCD显示器等四大器件。
工作原理是采用电阻式应变传感器采集被测物体质量的模拟量,再经放大电路输出到A/D转换器,转换成便于处理的数字信号输出到52单片机中进行处理后把数字信号输送到显示电路中,最后由显示电路显示测量结果。
2.2电子秤系统的功能
本系统的开发设计有以下功能:
(1)采用电阻应变式压力传感器,测量量程为0-10kg,测量精度可达2g。
(2)采用电子秤专用模拟/数字(A/D)转换器芯片HX711对信号进行处理转换,HX711芯片采用了集成电路专利技术,是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器。
(3)采用AT89C52单片机控制,实现称重、计价等功能。
(4)采用12864液晶显示屏显示称重重量、单价及总价等信息。
(5)采用4×4矩阵键盘作为人机交互界面,容量较大,操作方便快捷。
(6)具有超重报警功能,通过蜂鸣器和LED灯报警。
2.3电子秤系统的结构
2.3.1设计结构
电子秤是用来测量物体质量(重量)的仪器,也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数特性。
电子秤由以下三部分组成:
(1)承重、传力复位系统,它是称重物体与转换元件之间的机构、传力复位系统,又称电子秤的秤体,一般包括被称物体载荷的承载器、秤桥结构、限位减振机构和吊挂连接部件等。
(2)称重传感器,将非电量(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,分为直接位移传感器(电容式、电感式、电位计式、振弦式等)和应变式传感器(电阻应变式、声表面谐振式)或是利用磁弹性、压电式和压阻等物理效应的传感器.称重传感器的基本要求:
输出电量与输入重量保持单值对应,并保持良好的线性关系;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)数据输出和测量显示的载荷测量装置,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、保护线路等)和指示部件(如显示、数据传输等)。
这部分习惯上称载荷测量装置。
在数字式的测量电路中,通常包括前置放大、滤波、运算、变换、计数、控制和驱动显示等环节。
2.3.2组成结构
该系统结构图如图2.1所示。
A/D转换器
报警
放大电路
压力传感器
键盘
AT89C52单片机
LCD显示器
图2.1系统结构图
33
3.电子秤系统硬件设计
3.1电子秤系统主要芯片介绍
3.1.1单片机芯片AT89C52
单片机采用MCS-51系列单片机。
ATMEL公司生产的AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K可编程Flash存储器,与工业80C51产品引脚和指令完全兼容。
在芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash,AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。
AT89C52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个2级中断,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
在空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
在掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机将停止工作,直到下一个中断或硬件复位为止。
它还具有一个看门狗(WDT)定时/计数器,如果程序没有正常工作,就会强制复位整个系统,还可以在程序陷入死循环的时候,让单片机复位而不至于整个系统断电,从而保护你的硬件电路。
AT89C52有40个引脚和32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外部中断口,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。
通用的微处理器和Flash存储器结合在一起。
AT89C52引脚图如图3.1所示。
图3.1AT89C52引脚图
3.1.2单片机管脚说明
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口是一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门流。
当P1口的管脚写1时,被定义为高阻输入。
P0能用于外部程序数据存储器,可以被定义为数据/地址的第八位。
P1口:
P1口为一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1时,被内部上拉为高电平,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,由于内部上拉的缘故,将输出电流。
在编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口是一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口写入“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口将输出特殊功能寄存器的内容。
P2口在编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚为8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)。
P3口也可作为AT89C52的一些特殊功能口,P3口特殊功能表如表3.1所示:
表3.1P3口特殊功能表
P3口引脚
第二功能
P3.0
RXD(串行口输入)
P3.1
TXD(串行口输出)
P3.2
INT0(外部中断0输入)
P3.3
INT1(外部中断1输入)
P3.4
T0(定时器0外部脉冲输入)
P3.5
T1(定时器1外部脉冲输入)
P3.6
WR(外部数据存储器写脉冲输出)
P3.7
RD(外部数据存储器读脉冲输出)
P3口同时可以为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平。
才能复位。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的PSEN信号将不出现。
EA/VPP:
当EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,EA将内部锁定为RESET;当EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
反向振荡器的输出。
3.1.3AT89C52的最小系统电路构成
AT89C52单片机的最小系统由时钟电路、复位电路、电源电路及单片机等构成。
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-52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。
52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,52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。
AT89C52单片机的最小系统电路图如图3.2所示。
图3.2AT89C52单片机的最小系统电路图
3.2电子秤的工作原理
3.2.1电子秤原理框图
电子秤原理图如图3.3所示。
LCD显示
AT89C52
A/D转换器
前端信号处理
称重传感器
图3.3电子秤原理图
3.2.2电子秤的工作原理
本系统采用单片机AT89C52单片机为控制核心,实现电子秤的基本控制功能。
系统的硬件部分包括最小系统板,数据采集、软件电路设计三大部分。
最小系统部分主要是数据存储器,数据采集部分由称重传感器、放大电路和A/D转换部分组成。
软件电路设计主要由软件流程和运行程序组成。
实现基本的称重功能和重量显示的功能。
称重物体经装在机构上的重量感应器,将重力转换为电压和电流的信号,经放大及滤波后由A/D转换器转换为数字信号,数字信号由中央处理器(CPU)运算处理,而周期需要的功能及各种界面电路也和CPU连接应用,最后由显示器以数字形式显示出来。
3.3电子秤的硬件设计
3.3.1传感模块的设计
传感器一般是利用物理、化学、生物等的某些效应或原理按照一定的制造工艺研制的。
通常由敏感元件、传感元件(转换元件)、测量电路(信号调节与转换电路)和辅助电源几部分组成,传感器组成框图如图3.4所示。
电量
被测量
辅助电源
测量电路
传感元件
敏感元件
图3.4传感器组成框图
应变片压力传感器是最常用的传感器,在设计的过程中,使用的是电阻丝应变片。
其工作原理是当应变片受到拉伸时,电阻丝直径变细,电阻值增大(R+ΔR),当应变片受压缩变形时,电阻丝直径变粗,电阻值变小(R-ΔR),从而输出正比例电信号。
实验得知,由于电阻应变片的电阻变化很小,所以必须将信号放大到0—5V后才能输入单片机控制系统进行相应的处理。
电阻应变片所组成的电桥R1、R2、R3、R4分别为四个电桥桥臂的电阻。
当加以一定的电压U时则两端的输出电压U可由下式(3.1)求得:
(3.1)
根据式(3.1)可知,当R1R3=R2R4时,电桥输出电压ΔU=0,即电桥处于平衡,这就是在进行切削力测量前必须进行电桥平衡的调节工作。
在力的作用下,应变片的电阻发生变化,破坏了电桥的平衡。
若R1、R2、R3、R4分别产生ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4的电阻变化,则由式(3.1)电桥的输出电压为:
(3.2)
由式(3.2)可以看出,当电桥相邻两臂,有符号相同的电阻变化时,电桥输出电压为两桥电阻变化相减的结果。
因此为使电桥有较大的输出,则应使电桥相邻两臂,有符号相反的电阻变化;而相对两臂,有符号相同的变化。
常用的电桥电路有等臂全桥电路(电桥由四个臂组成,R1=R2=R3=R4)及半桥电路(电桥由两个臂加上两个固定电阻组成,R1=R2=R),由式(3.2)得出两种电桥的输出电压。
全桥输出电压为:
(3.3)
半桥输出电压为:
(3.4)
比较式(3.3)和式(3.4)可知,当ΔR1=ΔR3
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