基于51单片机的电子秤设计.doc

1、 毕业设计（论文） （ 2015 届） 题 目： 基于 51单片机的电子秤设计 专业名称： 应用电子技术 姓 名： 谢玉夏 学 号： 1210401038 班 级： 2012级应用电子技术 指导教师： 刘志芳 2014 年 12 月 30 日 II 摘要 称重技术是人类生活中不可缺少的部分，自古以来就被人们所重视。作为一种计量手段，被广泛应用于工业、农业、贸易等各个领域。随着现代文明和科学技术的不断进步，人们对称重技 术的准确度要求也越来越高，电子秤产品技术水平的高低，直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。近年来，电子称重技术取得了突飞猛进的发展，电子秤在称重计量领域中也占有越来越

2、重要的地位，其应用领域也在不断地扩大。尤其是商用电子秤，由于其具有准确度高、反应灵敏、结构简单等优点，被广泛应用于工商贸易、轻工食品、医药卫生等领域。目前，机械秤正在逐步被电子秤取代，这就促使电子秤的研究需要进一步的深入。 本 设计 是 以 AT89S51 为核心 的一种 高精度 电子 秤，系统采用模块化设计法，其硬件结构主要包括：数据采集模块、最小 系统模块、电源模块、键盘和显示模块。其中，数据采集模块包括称重传感器和 A/D 转换电路；最小系统部分主要包括 AT89S51 和扩展的外部数据存储器；键盘由 4 4 位矩阵键盘组成；显示部分 LM4229 液晶显示 。软件部分由 C 语言编程，

3、实现对各部分的控制。该电子秤可以 能够显示商品的名称、价格、总量、总价等；能够自动完成商品的价格计算；能够储存几种简单商品的价格；能够具有超重提醒功能 。其称重范围为 0 5Kg，分度值为 0.001g。整个系统结构简单，使用方便。 关键词 ：电子秤； AT89S51 单片机 ；称重传感器； A/D 转换 电路；液晶显示III 目录 1 绪论 . 1 1.1 选题的背景与意义 . 1 1.1.1 选题的背景 . 1 1.1.2 选题的意义 . 2 1.2 电子秤的研究现状及发展趋势 . 2 1.2.1 电子秤的研究现状 . 2 1.2.2 电子秤的发展趋势 . 3 1.3 本文的结构 . 4

4、2 系统总体方案设计 . 5 2.1 电子秤的基本知识 介绍 . 5 2.1.1 电子秤的基本结构 . 5 2.1.2 电子秤的工作原理 . 5 2.1.3 电子秤的计量参数 . 6 2.2 总体方案设计 . 7 2.3 系统各部分设计方案论证 . 8 2.3.1 电子秤分度数的设定 . 8 2.3.2 称重传感器的选定 . 8 2.3.3 A/D 转换器的选定 . 14 2.3.4 单片机型号的选定 . 16 3 硬件设计 . 18 3.1 系统硬件结构图 . 18 3.2 单片机主控单元的设计 . 18 3.2.1 单片机引脚说明 . 18 3.2.2 AT89S51 最小系统设计 . 2

5、0 3.3 数据采集模块设计 . 22 IV 3.3.1 传感器单元设计 . 22 3.3.2 A/D 转换单元设计 . 22 3.4 键盘和显示电路单元设计 . 24 3.4.1 键盘电路设计 . 24 3.4.2 显示电路设计 . 25 3.5 系统总体原理图 . 25 3.6 硬件抗干扰设计 . 26 4 系统软件设计 . 29 4.1 主程序设计 . 29 4.2 LM4229 液晶显示驱动程序 . 30 4.3 ADC0832 采样 程序 . 31 4.4 键盘程序 . 31 5 系统仿真 . 33 5.1 欢迎界面的仿真 . 33 5.2 无重物情况仿真 . 34 5.3 称量物体

6、仿真 . 35 5.4 最大量程仿真 . 36 5.5 仿真总结与问题补充 . 37 5.5.1 仿真总结 . 37 5.5.2 问题补充 . 37 6 总结与展望 . 39 附录程序 . 40 参考文献 . 49 1 1 绪论 1.1 选题的背景与意义 1.1.1 选题的背景 （ 1）电子技术渗入衡器制造业 随着第二次世界大战后的经济繁荣，为了把称重技术引入生产工艺过程中去，对称重技术提出了新的要求，希望称重过程自动化 ，为此电子技术不断渗入衡器制造业。在1954 年使用了带新式打印机的倾斜杠杆式秤，其输出信号能控制商用结算器，并且用电磁铁机构与代替人工操作的按键与办公机器联用。在 1960

7、 年开发出了与衡器相联的专门称重值打印机。当时的带电子装置的衡器其称量工作是机械式的，但与称量有关的显示、记录、远传式控制器等功能是电子方式的。 （ 2）电子秤步入社会 电子秤的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂、由粗糙到精密、由机械到机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。特别是近 30 年以来，工艺流程中的现场称重、配料定量称 重、以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出电信号的电子衡器。这是由于电子衡器不仅能给出质量或重量信号，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制和检验功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。 近年来，电子秤已愈来愈多地参与到数据处理和过程

8、控制中。现代称重技术和数据系统已经成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可缺少的组成部分。随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子秤的发展奠定了基础，国外如美国、西欧等一些国家在 20 世纪 60 年代就出现了 0.1%称量准确度的电子秤，并在70 年 代中期约对 75 %的机械秤进行了机电结合式的电子化改造。 我国的衡器在 20 世纪 40 年代以前还全是机械式的， 40 年代开始发展了机电结合式的衡器。 50 年代开始出现了以称重传感器为主的电子衡器。 80 年代以来， 我国通过自行研制、引进消化吸收和技术改造，已由传统的机械式衡器步入集传感器、微电子技术、计算机技

9、术于一体的电子衡器发展阶段。目前，由于电子衡器具有称量快、读数方便、能在恶劣环境下工作、便于与计算机技术相结合而实现称重技术和过程控制的自动化等2 特点，已被广泛应用于工矿企业、能源交通、商业贸易和科学技术等各个部门 。随着称重传感器技术以及超大规模集成电路和微处理器的进一步发展，电子称重技术及其应用范围将更进一步的发展，并被人们越来越重视。 1.1.2 选题的意义 电子秤是日常生活中常用的电子衡器，广泛应用于超市、大中型商场、物流配送中心。电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。相比传统的机械式称量工具，电子秤具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点

10、，在外形布局、工作原理、结构和材料上都是全新的计量衡器。目前市场上使用的称量工具，或者是结构复杂，或者运行不可靠，且成本高，精度稳定性不好，调 整时间长，易损坏，维修困难，装机容量大，能源消耗大，生产成本高。而且目前市场上电子秤产品的整体水平不高，部分小型企业产品质量差且技术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，有针对性地开发出一套有实用价值的电子秤系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善电子秤系统在应用中的不足之处，具有现实意义。 1.2 电子秤的研究现状及发展趋势 1.2.1 电子秤的研究现状 近几年，我国的电子称重系统从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字

11、智能型。电子称重技术逐渐从静态称重向动态称重发展，从模拟测量向数字测量发展， 从单参数测量向多参数测量发展。电子称重系统制造技术及其应用得到了新发展。国内电子称重技术基本达到国际上 20 世纪 90 年代中期的水平，少数产品的技术已处于国际领先水平。 在研究方法上，电子称重系统的工作原理一般是将作用在承载器上的质量或力的大小，通过压力传感器转换为电信号，并通过控制电路来处理该电信号。其中压力传感器大多数采用电阻应变片压力传感器，由于应变片的体积较小，市场上有多种规格可供选择，而且可以针对弹性敏感元件的形式可以灵活设计来适应各种应用场合的要求，所以3 应变片式压力传感器得到广泛的应用。但是电阻应

12、变 片压力传感器的一个严重缺陷是应变灵敏度、应变片本身的电阻都随温度变化，而且灵敏度随温度变化较大。在不同的环境中，应变片的阻值发生变化，输出零点漂移明显。并且应变片的输出信号很小、线性范围窄，而且动态响应较差，有待进一步开发。 在国际上，一些发达国家在电子称重方面，从技术水平、品种和规模等方面都达到了较高的水平。特别是在准确度和可靠性等方面有了很大的提高。其中梅特勒托利多公司生产的 BBK4 系列高精度电子秤精度达到了 lmg，速度大约为 1 次秒。目前，电子秤在称量速度方面需要进一步的研究。 在称重传感器方面，国 外产品的品种和结构又有创新，技术功能和应用范围不断扩大。 1.2.2 电子秤

13、的发展趋势 电子秤的称重功能是基于微处理器这一核心技术来实现的。由于目前在设计电子称重系统时大量地采用集成芯片，因此电子称重系统已经摆脱了以往的电子模式，正向小型化、模块化、智能化、集成化发展；其技术性能趋向于高速率、高准确度、高稳定性、高可靠性；其应用性趋向于综合性、组合性。 小型化：体积小、高度低、重量轻，即小薄轻。为使电子衡器的承载器达到小、薄、轻，开始采用重量轻且刚度大的空心波纹铜板和方形闭合截面的薄壁型材。 模块化：电子衡器的承载器采 用模块式一体组合或分体组合，产生新的品种和规格。这种模块化组合不但提高了产品的通用性和可靠性，而且也大大提高了生产效率，降低了成本。 智能化：与电子计

14、算机组合或开发称重用计算机，利用计算机的智能来增加称重显示控制的功能，使其在原有功能的基础上增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织等功能。 集成化：对于某些品种和结构的电子衡器，可以实现承载器与称重传感器一体化或承载器、称重传感器与称重显示控制器一体化。 综合性：电子称重技术和电子衡器产品的应用范围不断扩大，它已渗透到一些学科和工业自动控制领域。 对某些商用电子 计价秤而言，只具备称重、计价、显示、打印功能还远远不够，现代商业系统还要求它能提供各种销售信息，把称重与管理自动化紧密4 结合，使称重、计价、进库、销售管理一体化，实现管理自动化。这就要求电子计价秤能与电子计算机联网，把称重系统与计算

15、机系统组成一个完整的综合控制系统。 组合性：在工业生产过程或工艺流程中，不少称重系统还应具有可组合性，即：测量范围可以任意设定；硬件能够依据不定的程序进行修改和扩展；输入输出数据与指令可使用不同的语言，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。 今后 , 随着电子高科技的飞速发展 , 电 子秤技术的发展定将日新月异。同时 , 功能更加齐全的高精度的先进电子秤将会不断问世 , 其应用范围也会更加拓宽。 1.3 本文的结构 本 设计 是 以 AT89S51 为核心 的一种 高精度 电子 秤，系统采用模块化设计法，其硬件结构主要包括：数据采集模块、最小系统模块、电源模块、键盘和显示模块。软件部分由 C

16、 语言编程，实现对各部分的控制。可以实现称重、去皮、置零、计价和显示等功能。其称重范围为 0 5Kg，分度值为 0.001g。整个系统结构简单，使用方便。全文共分为五章，各章主要内容如下： 第一章为绪论部分，简要介绍了选题的背景及意义、电 子秤的研究现状及发展趋势以及本文的主要内容及结构； 第二章为总体设计部分，简要介绍了电子秤的结构及工作原理，论证了系统总体方案的设计，以及对各种方案的选择做出了比较； 第三章为系统硬件设计部分，主要是通过对各种模块的介绍以及对电路功能的分析，对系统硬件进行了选型和设计，得出系统硬件结构图； 第四章为系统软件设计部分，主要介绍了系统各部分软件的设计流程，给出了

17、简单的程序； 第五章为系统软件仿真； 第六章为总结与展望，主要是对本课题的总结，以及对存在的问题进行归纳和进一步研究的方向。5 2 系统总体方案设计 2.1 电子秤的 基本知识介绍 2.1.1 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

18、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、补偿元件、保护线路等）和指

19、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。 2.1.2 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6 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 )。通常此电压信号很小，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过滤波电路和 A/D 转换电路转换成数字信号被送入到主控电路的单 片机中 1 ，单片机不断扫描键盘和各种功能开关

20、，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，单片机发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示。 2.1.3 电子秤的计量参数 电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有：量程、安全载荷、额定载荷、允许误差、分度值、分度数、准确度等级等。 （ 1）量程：一台电子秤不计皮重，所能称量的最大的载荷 Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大值。 （ 2）安全载荷：为电子秤正常称量案范围 的 120%。 （ 3）额定载荷：电子秤的正常称量范围。 （ 4）允许误差：等级检定时允许的最大偏差。 （ 5）分度值：电子秤的测量范围被分

21、成若干等份，每份值即为分度值。用 e 或 d来表示。 （ 6）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。 （ 7）准确度等级：国际法制计量组织把电子秤按照不同的分度数分成、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因为本设计 采用软件仿真而不能进行实际的称量，故信号的放大滤波电路部分舍去，直接输入模拟电压信号，放大滤波部分内容会在第五章仿真总结与问题补充中进行后续介绍。 2-1 所示。 表 2-1 电子秤等级分类 标志及等级 电子秤种类 分度数范围 特种准确度 基准衡器 n100,000