1、本 科 毕 业 设 计电子秤的设计所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要本文以单片机 AT89S52 为控制核心，实现对电子秤的基本控制功能。在研究和设计系统时，为了更好地采用模块化设计，分步对各个单元功能模块进行设计，系统的硬件部分可分为数据采集模块、控制器模块、人机交互模块和系统电源模块四个部分。软件部分以单片机 C 语言进行编程，实现了该设计的全部控制功能。系统数据采集模块由称重传感器、信号前级处理和 A/D 转换部分组成，其中包括运算放大器 AD620 和 A/D 转换器 ICL7135；控制器模块主要包括 AT89S52 单片机和
2、扩展的外部数据存储器；人机交互模块为键盘输入和点阵式液晶显示（LCD） ，主要包括 ZLG7289 键盘控制芯片和 OCM4x8C 显示器，可以方便输入数据和直观显示中文；系统电源模块是以 LM317 和 LM337 为核心设计的电路来提供系统正常工作所需的电源。本文设计的电子秤可以实现基本的称重功能（称量范围为09.999Kg，误差不大于0.005Kg）,并能设置日期和设定十种商品的单价及显示部分商品的购物清单， 另外还可以在超量程和欠量程时实现报警功能。整个系统结构简单，使用方便，显示清晰，功能齐全，精度较高，具有一定的开发和使用价值。本课题以电子秤的研究与设计作为应用背景，分别对传感器、
3、模数转换、单片机及其外部端口等相关技术进行了分析。全文共分六章，第一章简明地介绍了电子秤的概念特点以及相关领域研究的背景；第二章比较系统地论证了系统方案，包括系统原理的分析和阐述，各种优缺点的比较；第三章给出了单片机系统地控制方案，同时对电路功能和硬件进行了分析；第四章简单介绍了系统软件的流程，给出了各流程图；第五章对整个课题的设计进行了总结，归纳其存在的相关问题和未来进一步研究的方向。关键词：单片机； 数据采集； A/D 转换器； 称重传感器IIAbstractIn this paper, AT89S52 microcontroller as the control center on th
4、e electronic scale to achieve the basic control functions. Research and design systems in order to better modular design of each unit step function module design, the system can be divided into the minimum hardware system modules, data acquisition modules, interactive modules and system power supply
5、 module four parts. Software part of the microcontroller C programming language to realize all the control functions of the design. Minimum system module includes the hardware AT89S52 microcontroller and external expansion data memory; data acquisition module from the load cell, signal processing an
6、d pre-class A / D conversion components, including the operational amplifier AD620 and A / D Converter ICL7135; machine interaction module for the keyboard input and dot-matrix liquid crystal display (LCD), including ZLG7289 keyboard control chip and OCM4x8C display, you can easily input data and vi
7、sual display of Chinese. System power module is designed as the core of LM317 and LM337 circuit to provide the power required for the system to work. This design of electronic weighing scales can realize the basic functions (weighing range is 0 9.999Kg, the error is not greater than 0.005Kg), and ca
8、n set the date and set dozens of commodity price and display some of the goods shopping 0 list, also can range in time over range and under implementation alarm. The whole system is simple, easy to use, clear display, full-featured, high accuracy, the development and use of a certain value. The topi
9、cs to study and design of electronic scales as the application background, respectively, the sensor, ADC, MCU and its external ports and other related technologies were analyzed. Paper is divided into six chapters, the first chapter concisely describes the concept of electronic scales and related re
10、search in the field characteristics of the background; second chapter systematically demonstrated system solutions, including system analysis and elaboration of principles, a variety of comparative advantages and disadvantages; Chapter three of the SCM system is given control programs, and hardware
11、on the circuit functions are analyzed; fourth chapter introduces the software process, given the flow chart; the entire chapter summarizes the design issues summarized the existing issues and future research directions. Keywords: microcontroller; data collection; A / D converter; load cellIII目 录前言 .
12、1第 1 章 绪论 .21.1 电子秤的研究动态和发展趋势 .21.2 传感器原理 .21.3 本文设计任务 .3第 2 章 系统方案设计与论证 .42.1 系统设计原理及基本思路 .42.1.1 系统设计基本思路 .42.1.1 系统设计原理 .42.2 系统总体方案比较与论证 .42.3 单片机的选择及概述 .7第 3 章 系统硬件设计 .93.1 基于 AT89S52 的主控电路 .93.1.1 主控电路芯片介绍 .93.1.2 主控电路简介 .133.2 基于 ICL7135 的前端信号处理系统 .133.2.1 称重传感器 L-PS .133.2.2 运算放大器 AD620.143.
13、2.3 数据选择器 74LS157.143.2.4 A/D 转换器 ICL7135 .143.2.5 信号处理电路 .163.3 人机交互模块 .173.3.1 基于 OCM4X8C 的显示电路 .173.3.2 基于 ZLG7289 的键盘控制电路 .193.4 系统电源模块 .213.4.1 LM 系列稳压器 .213.4.2 电源电路设计 .213.5 系统报警电路 .22第 4 章 软件设计 .234.1 程序流程图 .234.1 中断子程序流程图 .24结论 .25IV致谢 .26参考文献 .27附录 1 电气图 .28附录 2 程序 .301前言随着经济的飞速发展，出售商品品种的增
14、多以及交易频率的倍增，对电子秤的需求也越来越明显。而质量是称重领域中的一个重要参数，称重技术自古以来就被人们所重视。追溯到公元前，人们采用木材或陶土制作的容器对交换货物进行计量，从而达到对货物的交换量进行估计衡量。后来，又采用简单的秤来测定质量。秤是最普遍、最普及的计量设备，电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。据考证，世界上最古老的计量器具出土于中东和埃及，最古老的衡器和砝码出自于埃及。现代生活中，低成本、高智能化的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。近年来伴随计算机在商业领域的渗透，单片机的应用也正在随之不断地走向深入。于是，电子秤作为一种精确、智能、便捷、明了、可靠的称量仪器，在我们现
15、代快节奏的生活中应运而生，并在商业活动中得到越来越广泛的应用，在人们的日常工作和生活中扮演这很重要的角色发挥了重要的作用。电子秤的发展过程与其他事物一样，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 年来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重、以及产品质量的检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的信号，而且能作为总系统的一个单元来承担着控制和校验的功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动话和合理化。21 世纪，越来越多的电子产品给人们带来了诸多方便，其中电子秤是人们生活中不可缺少的一种称量设备。各
16、行各业大大小小的市场电子秤能够完成许多工作，为人们节省了时间，提高了工作效率。特别是在交易商品市场中，超市里的一台电子秤，它能很精确的称出商品的重量，同时还具有去皮功能，能除去商品的皮重，让顾客在购物中买的称心。更主要的是，电子称中预设了超市里出售商品的单价，当称出该商品的重量后，马上就能计算出它的价格，不管几种商品都能一一累加，最后列出清单，给出总价，而且非常的精确，方便和快捷就更不必说了。由此，顾客在购物的时候可以非常的放心，商家的效益也提高了，所以有了这样的电子秤，顾客购物买的放心，商家也卖的开心。2第 1 章 绪论1.1 电子秤的研究动态和发展趋势纵观电子秤的发展过程，与当代科学技术的
17、进步是密切相关的，二十世纪70 年代开始出现了最早的电子秤。早期的电子秤多通过模拟电路实现，随着电子技术的不断发展数字芯片的价格逐渐下降，模拟控制已逐步被数字控制所取代，电子秤的设计模式也大都以微处理器为核心（单片机） ，使精度和可靠性都有了明显得提高。因为小型商用电子秤对适时性要求不高，运算也不太复杂，所以用八位微处理器足可满足要求。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。电子秤的设计首先是通过称重传感器采集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（运放电路）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
18、字信号被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机及外部扩展的数据存储器输出到显示端口，从而显示出被测物体的重量。相比传统的机械式称量衡器，电子秤具有易于操作使用、装机体积小、应用范围广、称量精度高等诸多优点，在工作原理、外部造型、结构和材料上都是一种全新的计量衡器。 目前市场上使用的称量工具，或者结构复杂，亦或者运行不可靠，且成本高，精度稳定性不好，调正时间长，易损件多，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，目前，台式电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍，但同时也存在部分局限性：体积大、成本高、应用场所受到制约、需要工频交流电源供应、携带不便等。现有
19、的便携秤为杆秤或用弹簧、拉伸形变来实现计量的弹簧秤，日常生活中用的基本都是杆秤。弹簧盘秤制造工艺要求比较高，弹簧的形变问题无法彻底解决，一旦超过弹簧弹性限度，弹簧秤就会产生很大误差，以至损坏同时影响称重的准确性和可靠性，只是一种暂时的代用品，慢慢淡出我们的视线。多年来，人们一直期待测量准确、携带方便、价格低廉的便携式电子秤投放市场。因此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 传感器原理传感器是一种能把物理量或者化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC: International Electrotechnical Committee)
20、对传感器的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号” 。按照 Gopel 等公司的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件” 。 我国国家标准 GB7665-87 对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成” 。传感器是一种检测装置，能够感受到被测量的信息，并能将检测感受到的3信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足各种信息的存储、处理、传输、记录、显示和控制等要求。而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统” 。传感器是传感系统的一个重要组
21、成部分，它是被测量信号输入系统的第一道关口，是实现自动检测和自动控制的首要环节。称重传感器是由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，是将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置，它是把支撑力变换成电或者其他形式的适合与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，可以分为直接位移传感器（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、电压或电阻等物理效应的传感器。按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阴应变式等，其中以电阻应变式使用最广。电阻应变式传感器利用电阻应变片变形时其
22、电阻也随之改变的原理工作。主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆四部分组成。电阻应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电阻改变。测量电路测出应变片电阻的变化并变换为与外力大小成比例的电信号输出。电信号经处理后以数字形式显示出被测物的质量。电阻应变式传感器的称量范围为300 克至数千千克，计量准确度达 1/10001/10000，结构较简单，而且可靠性较好，所以大部分电子衡器均使用此传感器。电阻应变式传感器以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。常用的电阻应
23、变式传感器有应变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器、应变式位移传感器、应变式加速度传感器和测温应变计等。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。电阻应变式传感器的优点是精度高，测量范围广，使用寿命长，内部结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化。但同时它也存在许多不足，对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，不过可以采取一定的补偿措施。本文用到的传感器为 L-PS型称重传感器，数据采集模块主要由弹性体、电阻应变片电缆
24、线等组成。1.3 本文设计任务设计并制作一个电子秤按照设计功能的要求，系统的硬件部分可分为最小系统模块、数据采集模块、人机交互模块和系统电源模块。设计主要技术指标为：（1） 称量范围 09.999kg；（2） 分度值 0.005Kg；（3） 液晶显示称物体的重量。4在考虑设计要求的同时，还加入了部分的特色和创新，使得本设计更具人性化：（1） 使用键盘输入数据，操作方便快捷；（2） 在中文显示所称物体重量的同时，还具有价格累加功能，可显示物品的名称、数量和单价及所有物品的总金额；（3） 当被称物体的重量未符合电子秤的量程即超量程或欠量程时，具有报警功能。第 2 章 系统方案设计与论证2.1 系统
25、设计原理及基本思路2.1.1 系统设计基本思路按照设计的基本要求，系统可分为四个模块：数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块和系统电源模块。数据采集模块采集数据将转换后的数字信号送到控制器处理，由控制器完成对该数字量的处理后输出到 LCD 显示模块完成人机间的信息交换。在扩展创新功能上，本设计增加入了一个过载、欠量程报警提示。数据采集模块由称重传感器、信号前级处理和 A/D 转换部分组成，其中包括运算放大器 AD620 和 A/D 转换器 ICL7135；控制器模块主要包括 AT89S52 单片机和扩展的外部数据存储器；人机交互模块为键盘输入和点阵式液晶显示（LCD） ，主要包括 ZLG7
26、289 键盘控制芯片和 OCM4x8C 显示器，可以方便输入数据和直观显示中文；系统电源模块是以 LM317 和 LM337 为核心设计的电路来提供系统正常工作所需的电源。2.1.1 系统设计原理电子秤的工作原理如下：首先是通过称重传感器采集数据，将被测物体的重量采集并转换成电压信号。这个时候的输出电压信号通常非常小，需要通过前级信号处理电路进行准确的线性放大。被放大后的模拟电压信号经 A/D 转换电路转换成数字信号后送入到主控电路的控制器单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而在 LCD 上显示出被测物体的重量。在实际应用中，为减少外界环境和电气的干扰，尽量提高数据采集的精度，还需要在称重
27、传感器和 A/D 转换器之间加上信号调整电路。2.2 系统总体方案比较与论证在设计系统方案时，从各方面考虑，针对各个模块所实现的功能对比有以下几种方案：方案一5数据采集 单片机数码显示数码显示图 2.1 方案一结构图系统结构如图 2.1 所示，此方案数码管显示被称物品的重量，可以使用内部带有模数转换的单片机，硬件部分相对比较简单。系统带有键盘输入功能，可以实现对称重物品的计价。但缺点也比较明显，虽然能实现电子秤的基本功能，但使用的数码管如果没有足够的位数，就会影响电子秤的精度，偏差会相对比较大，这样的话，就需要较多的数码管接入电路中，在处理输入输出接口时需要另行扩展足够的 I/O 端口易购数码
28、管使用，使整个电路变得比较繁琐。另一方面，由于数码管只能实现简单的数字和英文字符的显示，只能显示单价、购物总金额以及简单的物品代码，不能显示其汉子及其他的复杂字符，并不能达到设计的标准。方案二系统采用可编程门阵列（FPGA）为控制核心，并基于超高速硬件描述语言VHDL 在 Xilinx 测量频率范围大，编程灵活、调试方便，同时还具有稳定性好、抗干扰能力强等优点。系统集成于 XC2S100E 芯片上，使得体积大大减小、逻辑单元灵活，且逻辑容量密度大，可大大减少印刷电路板的空间，减低系统功耗，可实现大规模和超大规模的集成电路。称重传感器前置放大器模数转换时钟芯片FPGA 数码管LCD 显示报警电路键盘电路键盘控制12C通讯数据处理LCE/LED 驱动图 2.2 方案二系统结构图系统结构如图 2.2 所示，图中可以直观地看到系统工作流程及各单元分区。其中以 FPGA 为控制核心，基于 ISE 软件平台，采用 VHDL 编程实现数据的处理、时钟芯片的 12C 通讯、LCD 和 LED 显示驱动以及键盘控制等模块。方案三单片机LCD 显示键盘控制A/D转换器信号放大器称重传感器图 2.3 方案三结构图
