基于单片机的电子秤系统设计（电路+流程）

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第1章

绪论1.1课题背景与研究意义

电子秤作为一种计量手段，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。

电子秤是称重技术中的一种新型仪表，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、结构简单、价格低、实用价值强、维护方便等特点，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，从传统的全部由机械元器件组成的机械称到用电子线路代替部分机械元器件的机电结合秤，再从集成电路式到目前的单片机系统设计的电子计价秤。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。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的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，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。

电子称重的实现首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。按照设计的基本要求，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、信号的前级处理和A/D转换部分组成。转换后的数字信号送给控制器处理，由控制器完成对该数字量的处理，驱动显示模块完成人机间的信息交换。此部分对软件的设计要求比较高，系统的大部分功能都需要软件来控制。在扩展功能上，本设计增加了一个过载报警提示功能和电子日历功能使本电子称的设计更人性化智能化。

1.2 系统设计要求

一、基本要求

设计并制作一款基于单片机的电子秤重系统。

二、具体要求

本课题研究的内容是以单片机STC89C52RC为控制核心，实现电子秤的基本策略及价格计算功能。本课题在电子称的基本功能基础上扩展了电子日历及时钟功能。该系统可以分为单片机最小系统、数据采集系统、人机交互界面系统、电源系统、时钟及语音报数六大部分组成。单片机最小系统部分主要包括STC89C52RC和经典复位电路；数据采集部分由称重传感器、信号放大和A/D转换部分组成，信号放大和A/D转换部分主要由专用型高精度24位AD转换芯片HX711实现；人机交互界面为键盘输入和点阵式液晶显示，主要使用4*4矩阵键盘和1602液晶显示器，可以方便的输入数据和直观的显示数据；时钟模块主要由时钟芯片DS1302和时钟电路组成；语音报数模块可语音报读电子秤系统的重量、单价、金额等语音内容，主要由SC1010B电子称专用语音芯片实现。

本课题的主要设计任务如下所述：

1）系统可实现电子称基本的称重功能（称重范围为0～5Kg，重量误差不大于±0.005Kg）；

2）系统应具备输入单价，计算总价及语音报价的功能；

3）系统超出最大测量范围5Kg时应有报警指示功能（蜂鸣器报警提示）；

4）该电子称设计需完成电子日历及时钟显示功能的扩展。在未称重状态下系统应具备显示年月日、星期及时钟功能。

1.3系统设计方案

结合所学知识，通过查找资料和论证，可通过以下方案来实现课题要求实现的指标，各方案介绍如下所述。

方案一  数码管显示：

图1-1 数码管显示方案

此方案利用数码管显示物体重量，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机。由此设计出的电子秤系统，硬件部分简单，接口电路易于实现，并且在编程时大大减少程序量，在电路结构上只有简单的输出输入关系。缺点是：硬件部分简单，虽然可以实现电子称基本的称重功能，但是不能实现外部数据的输入，无法根据实际情况灵活地设定各种控制参数。由于数码管只能实现简单的数字和英文字符的显示，不能显示汉字以及其他的复杂字符，不能达到显示购物清单的要求。又因为采用了具有模数转换功能的单片机，系统电路过于简单，系统硬件的扩展必受到限制，电子秤的功能过于单一，达不到设计的标准。

方案二  在前一种方案的基础上进行扩展，增加一键盘输入装置，增加外界对单片机内部的数据设定，使电子称实现称重计价的功能。

结构简图如图1-2所示：

图1-2带有键盘输入的结构简图

此方案设计的电子秤，可以实现称物计价功能，但是局限于数码管的功能，在显示时只能显示单价、购物总额以及简单的货物代码等。在显示重量时，如果数码管没有足够的位数，那么称量物体重量的精度必受到限制，所以此方案需要较多的数码管接入电路中。这样在处理输入输出接口时需要另行扩展足够多的I/O接口供数码管使用，比较麻烦。

方案三 前端信号处理时，选用放大、信号转换等措施来增加信号采集强度但会增加相应的设计成本；显示方面采用具有字符图文显示功能的LCD显示器。这种方案不仅加强了人机交换的能力，而且满足设计要求，可以显示购物清单、所称量的物体信息等相关内容，当需要增加扩展功能时可以通过切换液晶显示界面的方式来实现。

结构简图如下图1-3所示：

图3带有键盘输入及液晶显示的结构简图

鉴于上述三种方案的优缺点，本系统在设计时充分考虑到系统的实用性及成本的可行性的前提下，设计完成了最终的电子称方案，最终的硬件设计方案图如图4所示，该方案增加了电子日历功能，从而使本系统的设计功能得到了很好的扩展与应用。

1.4电子秤的主要组成

1.4.1  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了秤均由以下三部分组成：

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、卢表面谐振式）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（包括放人器、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。

1.4.2  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，传感器随之产生力一电效应，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。

1.4.3  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T、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，如表1-1所示：

表1-1 不同准确度的电子秤和分度数

标志及等级

电子秤分类

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 < n≤100000

中准确度

商业衡器

1000 < n≤10000

普通准确度

粗衡器

100VCC1+0.2V时，由VCC2向DS1302供电，当VCC2< VCC1时，由VCC1向DS1302供电。

SCLK：串行时钟，输入；

I/O：三线接口时的双向数据线；

CE：输入信号，在读、写数据期间，必须为高。该引脚有两个功能：第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。

  DS1302有关日历、时间的寄存器共有12个，其中有7个寄存器（读时81h～8Dh，写时80h～8Ch），存放的数据格式为BCD码形式。

2.2          系统硬件电路设计2.2.1系统电源电路设计

由于该系统中 51 单片机及 AD 转换芯片及液晶显示器所需供电电压均为 5V 电压，所以要保证系统稳定可靠的工作，需要设计一个可以稳定提供 5V 电压的供电系统。本设计采用双电源接口供电方式，USB 接口供电方便程序调试，也可采用外置电源作为系统的供电电源，但是需另加三端稳压器件 LM7805 作为系统电源的稳压器件以保证系统电压为稳定的直流 5V 电压，同时外置电源的输出电压要高于 5V输出，系统电源输入接口要加滤波电容以确保工作电压稳定。电源输出接口加上LED 电源指示灯，用来判定电源是否正常工作。该系统电源电路设计如图 2-7所示。

图2-7电源接口电路

C1，C2实现对电源滤波，以滤除可能存在的高频杂波对电源的影响，C4实现对电源电压的平滑稳定作用[10]，当USB接口输出电压高时C4用来储能，当后续电路负载过高USB供电不足时电解电容C4通过释放储存的电能来保证电源电压不跌落。LED0用作电源指示，其亮灭代表电源工作与否，R0用来限流，以保证LED不被烧坏[13]。

2.2.2系统单片机主控电路设计

系统主控电路由AT89S52单片机及晶振电路和复位电路组成，该电路作为整个系统功能实现的核心单元，其连接方式如图2-8所示。

图2-8 单片机控制模块电路

晶振全称为晶体振荡器，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫机电效应。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。根据石英晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡回路，即谐振回路。他们的机电效应是机-电-机-电..的不断转换，由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路。由于石英晶体的损耗非常小，即Q值非常高，做振荡器用时，可以产生非常稳定的振荡，作滤波器用，可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线[10]。

复位电路采用按键复位加上电复位来实现，S1为复位按键，复位按键按下后，复位端通过1K的小电阻与电源接通,迅速放电,使RST引脚为高电平,复位按键弹起后,电源通过10KΩ的电阻对10μF的电容C1重新充电,RST引脚端出现复位正脉冲。AT89S52内部有一个高增益反相放大器,用于构成振荡器,但要形成时钟脉冲,外部还需附加电路,本设计采用内部时钟方式,利用芯片内部的振荡器,然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体振荡器,就构成了稳定的自激振荡器,发出的脉冲直接送入内部时钟电路,C2和C3的值通常选择为30pF左右,晶振Y1选择12MHz.为了减小寄生电容,更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器电容应尽可能安装得与单片机引脚XTAL1和XTAL2靠近[[]7。

单片机的31脚（EA）接+5V电源，表示允许使用片内ROM。

2.2.3系统显示部分电路设计

显示部分采用LCD1602液晶显示模块，液晶板上排列着若干 5×7或 5×10点阵的字符显示位,每个显示位可显示1个字符，从规格上分为每行 8、16、20、24、32、40位，有一行、两行及四行三类。其与单片机的连接电路如图2-9所示

图2-9 液晶显示接口电路

    1脚和2脚为液晶1602地和电源引脚，3脚为背光调节引脚，通过10K电位器接地，背光可通过电位器来调节亮度；4脚、5脚、6脚为液晶片选控制引脚，分别连接到单片机的P2.0、P2.1、P2,2端口，7~14脚为数据接口，与单片机的P0口相连实现数据的传输，15、16、脚为液晶的背光控制脚，分别接到电源和地[9]。

2.2.4系统超重报警指示电路设计

超重报警指示电路用来在称重测量超出最高值时报警提示，以免重量太高的情况下损坏传感器。报警指示电路由PNP三极管9012驱动蜂鸣器来实现，单片机IO口控制三极管的基极，当单片机的IO口输出为低电平时，三极管导通，蜂鸣器的正极与电源接通，蜂鸣器通电发出报警声，当单片机IO口输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器停止报警。报警指示电路如图2-10所示。

图2-10报警指示电路

2.2.5系统按键输入电路设计

按键输入电路用来在电子称测量过程中输入单价值，按键输入电路采用4*4矩阵键盘实现，矩阵键盘电路如图2-11所示。

图2-11按键输入电路

电子称按键功能分配如表2-2所示：

表2-2系统按键配置表

7

8

9

去皮

4

5

6

清零

1

2

3

累计

0



计算

此电子秤是开机检测托盘重量，并将托盘重量清零（即电子秤每次开机后检测托盘重量，并程序中自动将托盘重量保存在一个变量中，称量过程中每次都将获得的重量减去托盘重量，而得到所要称量物体的真正的重量）。

计算功能：在正确输入了单价之后，按下计算按键，将会计算出金额，并在液晶显示器上显示出重量、单价、总价。

电子日历时钟键盘面板：

设置

＋

—

对应矩阵键盘按键

S1

S2

S3

通过设置按键可以切换日期、星期、时间的设置，通过加减键来进行各个状态的调节。

2.3系统硬件电路的绘制与PCB线路板制作

2.3.1        Protell 99 SE软件介绍

本文在硬件电路的设计过程中，原理图和PCB的绘制采用Protel99SE软件，Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，该软件以其简单易操作的优势一直以来备受电子工程师的喜爱，因而也成了很多高校电子相关专业EDA工具的必选课程。

2.3.2 系统原理图绘制与PCB印刷线路板制作

采用Protel99SE软件绘制原理图和PCB的主要步骤如下所述：

在工程中建立PCB文件，导入生成的网络表；

按照如上步骤最终完成绘制的电路图与PCB图分别如图2-12、2-13所示。

     图2-12 系统电路原理图

图2-13 系统PCB印刷线路板图

第3章 系统软件设计

3.1  系统软件编程环境介绍

系统软件设计采用C语言编程，编译环境为keil UV3。

keil c51 是美国Keil Software 公司出品的51 系列兼容单片机C 语言软件开发系统，和汇编相比，C 在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

Keil c51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows 界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到keil c51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

Keil C51 可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE 本身或其它编辑器编辑C 或汇编源文件，然后分别有C51 及A51 编辑器编译连接生成单片机可执行的二进制文件（.HEX），然后通过单片机的烧写软件将HEX 文件烧入单片机内。软件主要三个方面：一是初始化系统；二是按键检测；三是数据采集、数据处理并进行显示。这三个方面的操作分别在主程序中来进行。程序采用模块化的结构，这样程序结构清楚，易编程和易读性好，也便于调试和修改。

3.2系统主程序流程图

系统软件部分主程序流程图如图3-1所示

图3-1  系统主程序流程图

3.3系统显示部分流程图

系统示子程序主要是来判断是否需要显示,以及如何去显示,也是十分重要的程序之一。设计流程图如图3-2所示。

图3-2系统显示部分流程图

3.4系统按键调整部分流程图

键盘电路设计成4X4矩阵式，在程序中可以先判断按键编码，然后根据编码将键盘代表的数值送到相应的存储单元，再进行功能选择或数据处理。设计流程图如图3-3所示。

图3-3  按键调整程序流程图