電子秤課程設(shè)計(jì)

1、【設(shè)計(jì)題目】：基于單片機(jī)的電子秤設(shè)計(jì)【設(shè)計(jì)要求】：(1) 設(shè)計(jì)一款電子秤，用LCD液晶顯示器顯示被稱物體的質(zhì)量(2) 可以設(shè)定該秤所稱的上限(3) 當(dāng)物體超重時(shí)，能自動(dòng)報(bào)警【設(shè)計(jì)過程】1. 【方案設(shè)計(jì)】 1.1電子秤的組成1.1.1電子秤的基本結(jié)構(gòu)電子秤是利用物體的重力作用來確定物體質(zhì)量(重量)的測量儀器，也可用來 確定與質(zhì)量相關(guān)的其它量大小、參數(shù)、或特性。不管根據(jù)什么原理制成的電了秤 均由以下三部分組成:(1) 承重、傳力復(fù)位系統(tǒng)它是被稱物體與轉(zhuǎn)換元件之間的機(jī)械、傳力復(fù)位系統(tǒng)，又稱電子秤的秤體, 一般包括接受被稱物體載荷的承載器、秤橋結(jié)構(gòu)、吊掛連接部件和限位減振機(jī)構(gòu) 等。(2) 稱重傳感器即

2、由非電量(質(zhì)量或重量)轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它是把支承力變換成電 的或其它形式的適合于計(jì)量求值的信號(hào)所用的一種輔助手段。(3) 測量顯示和數(shù)據(jù)輸出的載荷測量裝置即處理稱重傳感器信號(hào)的電子線路(包括放人器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、電流源或電 壓源、調(diào)節(jié)器、補(bǔ)嘗元件、保護(hù)線路等)和指示部件(如顯示、打印、數(shù)據(jù)傳輸 和存貯器件等)。1.1.2電子秤的工作原理當(dāng)被稱物體放置在秤體的秤臺(tái)上時(shí)，其重量便通過秤體傳遞到稱重傳感器, 傳感器隨之產(chǎn)生力一電效應(yīng)，將物體的重量轉(zhuǎn)換成與被稱物體重量成一定函數(shù)關(guān)系（一般成正比關(guān)系）的電信號(hào)（電壓或電流等）。此信號(hào)由放大電路進(jìn)行放大、 經(jīng)濾波后再由模/數(shù)（A/D）器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號(hào)

3、再送到微處器的 CPI處理，CPU 不斷掃描鍵盤和各功能開關(guān)，根據(jù)鍵盤輸入內(nèi)容和各種功能開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行必要 的判斷、分析、由儀表的軟件來控制各種運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果送到內(nèi)存貯器，需要顯 示時(shí)，CPU發(fā)出指令，從內(nèi)存貯器中讀出送到顯示器顯示，或送打印機(jī)打印。1.2本設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)的主要思路是：利用壓力傳感器采集因壓力變化產(chǎn)生的電壓信號(hào)，經(jīng) 過電壓放大電路放大，然后再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)， 最后把數(shù)字信號(hào) 送入單片機(jī)。單片機(jī)經(jīng)過相應(yīng)的處理后，得出當(dāng)前所稱物品的重量，然后顯示出 來。主要技術(shù)指標(biāo)為：稱量范圍0600g，分度值1kg，精度等級(jí)III級(jí)，電源AC220V2. 【器件選擇】按照本設(shè)計(jì)功能

4、的要求，系統(tǒng)由5個(gè)部分組成：控制器部分、測量部分、數(shù) 據(jù)顯示部分、鍵盤部分、語音提示部分和電路電源部分， 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案框圖如圖1所示。圖1設(shè)計(jì)思路框圖測量部分是利用稱重傳感器檢測壓力信號(hào)， 得到微弱的電信號(hào)（本設(shè)計(jì)為電 壓信號(hào)），而后經(jīng)處理電路（如濾波電路，差動(dòng)放大電路，）處理后，送單片機(jī)中 的A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，控制器接受來自A/D轉(zhuǎn)換器輸出的 數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過復(fù)雜的運(yùn)算，將數(shù)寧信號(hào)轉(zhuǎn)換為物體的實(shí)際重量信號(hào)， 并將其送 到顯示單元中。2.1控制器部分本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器。根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)的分析，設(shè)計(jì)這 樣一個(gè)簡單的的系統(tǒng)，可以選用帶A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)，由

5、于應(yīng)用程序不大，應(yīng) 用程序直接存儲(chǔ)存片內(nèi)，不用在外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器，這樣電路也可簡化。在這里選 用STC生產(chǎn)的STC12C5A60S單片機(jī)。STC12C5A60S與MCS-51相比有如下優(yōu)勢:第一，指令集與MCS-51系列單片機(jī)完全兼容。第二，片內(nèi)存儲(chǔ)器采用閃速存儲(chǔ)器，并且支持SPI-ISP在線編程，使程序提供了更小尺寸的芯片，使整個(gè)硬件電路體積更小。寫入更加方便，提高了調(diào)試效率，縮短了開發(fā)周期。 第三，第四,第五,單指令周期，運(yùn)行速度高。自帶上電復(fù)位電路，可減低單片機(jī)外圍電路的復(fù)雜程度。內(nèi)置8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度25萬次/秒。第六，STC12C5A60S2內(nèi)部帶有60KB的程序存儲(chǔ)器

6、，并且?guī)в?路10位精度的A/D 轉(zhuǎn)換器，基本上已經(jīng)能夠滿足我們的需要。STC12C5A60S單片機(jī)的引腳圖如圖2 所示。i.二F5,3 匚二MOSI ADCs. Pl, 5 匚二HISO ADCe. Pl. 6 ISCLK .WC7 . P1, 7 =Pl 7/ESI 匚二Rm PS. 0 匸二3CLK-'T?tD2 CCPL.F.t 3 =rxC F3. 1 匚二 iNT0/P3, 2 匚二 噸 3 tCLKOITO TO P3. 4 匸二CLKOUTl T1/P3. 5 # H L M g 寸 E rq UH » t' f PVPPkkPbPMCC1 a367S

7、TC12C5A60S2單片機(jī)10LI3531$3323130：S27261。2亍"ev 丄 gt-oc 去二一二I FO. 4/AD 4二 PC, 5/AD3 ZZI PC. S/AD6. 二Z) FO. 7/AD7EX_LVD/F-< 6-'E3T2 n P4. l.-ECl/MOST 二 ALE/FM. 二1 NA P4. -1 二 F2. 7/A15ZZI P2 &/A14二 F2. 5/A13二 Pb. 1nuuuunuumnra=住-.-S8 乏、隘星EV+瘞.至S rj r-： a 二 a a V u V咗 J、'-. ”.=N X -r d

8、 zj o =nnnnnmnnnnn圖2 STC12C5A60S單片機(jī)的引腳圖2.2數(shù)據(jù)采集部分電子秤的數(shù)據(jù)采集部分主要包括稱重傳感器、處理電路電路，因此對于這部 分的論證主要分兩方面。2.2.1傳感器的選擇傳感器量程的選擇可依據(jù)秤的最大稱量值、選用傳感器的個(gè)數(shù)、秤體的自重、可能產(chǎn)生的最人偏載及動(dòng)載等因素綜合評(píng)價(jià)來確定。一般來說，傳感器的 量程越接近分配到每個(gè)傳感器的載荷，其稱量的準(zhǔn)確度就越高。根據(jù)設(shè)計(jì)需要, 確定傳感器的額定載荷為1Kg，允許過載為150%F.S精度為0.05%，最大量程 時(shí)誤差± 0.1kg，可以滿足本系統(tǒng)的精度要求。綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用SP 20C-G501電阻

9、應(yīng)變式傳感器，其最人量程為 1Kg.該傳感器測量精度高、溫度特性好、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于各種結(jié)構(gòu)的動(dòng)、 靜態(tài)測量及各種電子稈的一次儀表。 該稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電 纜線等組成，其工作原理如圖3所示。圖3稱重傳感器原理圖222放大電路選擇由稱重傳感器的稱量原理可知，采用轉(zhuǎn)換電路，把應(yīng)變計(jì)的R/R變化轉(zhuǎn)換成 電壓或電流變化，但是這個(gè)電壓或電流信號(hào)很小，需要增加增益放大電路來把這 個(gè)電壓或電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以被 A/D轉(zhuǎn)換器接收的信號(hào)。在前級(jí)處理電路部分, 我們考慮可以采用以下幾種方案:方案一：利用普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成前級(jí)處理電路;普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大器會(huì)引入大量噪聲

10、。由于A/D轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號(hào)就會(huì)直接影響最后的測量精度。所以，此 種方案不宜米用。方案二：主要由高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成差動(dòng)放大器， 而構(gòu)成的前級(jí)處 理電路；差動(dòng)放人器具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，可以利用普通運(yùn)放（如0P07） 做成一個(gè)差動(dòng)放大器。一般說來，集成化儀用放大器具有很高的共模抑制比和輸入阻抗，因而在傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中都是把集成化儀器放人器作為前置放人器。然而，絕人多數(shù)的集 成化儀器放大器，特別是集成化儀器放大器，它們的共模抑制比與增益相關(guān)：增 益越高，共模抑制比越大。為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放人，其設(shè)計(jì)電路如圖 4所示:圖4利用高精度低漂移運(yùn)放設(shè)計(jì)的差動(dòng)放大器前級(jí)

11、采用運(yùn)放Al和A2組成并聯(lián)型差動(dòng)放大器，使其輸入阻抗為無窮大, 模抑制比也為無窮大。阻容耦合電路放存由并聯(lián)型差動(dòng)放大器構(gòu)成的前級(jí)放大器 和由儀器放大器構(gòu)成的后級(jí)放大器之間， 這樣可為后級(jí)儀器放大器提高增益， 而提高電路的共模抑制比提供了條件。 后級(jí)電路采用廉價(jià)的儀器放大器，將雙端 信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)輸出。由于阻容耦合電路的隔直作用，后級(jí)的儀器放大器可 以做到很高的增益，進(jìn)而得到很高的共模抑制比。3. 【系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)】3.1主控制器電路主控制器是STC12C5A60S單片機(jī)，其外圍電路簡單，只需要加上晶振電路 和電源就可以工作。主控制器電路如圖 5所示。a、STC12C；5AeOS2*22_43

12、T2J遼17p 生 EEECEESJSSS 03.4 Pl.5Pl.flPl,7?RSTP3.0P4.3P3.1P3.2P3 3P3.4 J 3P 勢寸 P5.1eeLL 厶寸 r-ic-imr-ic-iLjnddXX 口 dddddddP0.5P0.6P07P4.(5P4 1ALEP4.4P2 7P3.6P2.53d_35 dO 5 葫 C &33 pC.7282.727P1625o1rsEnOOo32一品G圖5主控制系統(tǒng)3.2傳感器放大電路傳感器放大電路由兩級(jí)組成，前級(jí)由兩個(gè)同相比例運(yùn)算電路組成，后級(jí)是一 個(gè)差動(dòng)比例運(yùn)算電路。傳感器信號(hào)首先進(jìn)過前級(jí)進(jìn)行初步放大，接著進(jìn)入后級(jí)。R2,

13、R4由于前級(jí)的對稱性直接影響后級(jí)的共模抑制比，考慮到元件阻值的誤差,選用多圈精密可調(diào)電阻。為了提高后級(jí)對共模信號(hào)的抑制，反饋電阻R3也采用 精密多圈可調(diào)電阻。傳感器放大電路如圖 6所示。圖6傳感器放大電路3.3顯示電路1602液晶模塊的引腳連線如圖7。其中，第1、2腳為液晶的驅(qū)動(dòng)電源；第 三腳VL為液晶的對比度調(diào)節(jié)，通過在VCC和GN龍間接一個(gè)10K多圈可調(diào)電阻,中間抽頭接VL,可實(shí)現(xiàn)液晶對比度的調(diào)節(jié)；液晶的控制線RS R/W E分別接單片機(jī)的P0.5、P0.6、P0.7 ;數(shù)據(jù)口接在單片機(jī)的P2 口； BL+、BL-為液晶背光電 源。1602GND|»GNDVCCGND圖7 160

14、2液晶模塊的接線圖3.4報(bào)警電路的設(shè)計(jì)當(dāng)電路檢測到稱重的物體超過儀器的測量限制時(shí)， 將產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)給報(bào)警電路。使報(bào)警電路報(bào)警從而提醒工作人員注意，超限報(bào)警電路如圖8所示。1111 7 I圖8報(bào)警電路圖它是由89S52的P2.6 口來控制的，當(dāng)超過設(shè)置的重量時(shí)（5Kg）,通過程序使P2.6 口值為高電平，從而使三極管導(dǎo)通，接通報(bào)警電路，使蜂鳴器SPEAKE發(fā)出警報(bào) 聲，同時(shí)使報(bào)警燈LED發(fā)光。4. 【軟件設(shè)計(jì)】程序設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的工作，為了把復(fù)雜的工作條理化，就要有相應(yīng)的步驟和方法。其步驟可概括為以下三點(diǎn):（1）分析系統(tǒng)控制要求，確定算法：對復(fù)雜的問題進(jìn)行具體的分析，找出 合理的計(jì)算方法及適當(dāng)?shù)?/p>

15、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而確定編寫程序的步驟。（2）根據(jù)算法畫流程圖：畫流程圖可以把算法和解題步驟逐步具體化，以 減少出錯(cuò)的可能性。（3）編寫程序：根據(jù)程序圖所表示的算法和步驟，選用適當(dāng)?shù)闹噶钆帕衅?來，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體，即程序。4.1主程序的設(shè)計(jì)主程序的功能是系統(tǒng)初始化，管理和調(diào)用各個(gè)子程序。本設(shè)計(jì)的程序流程圖 如圖9所示。4.2子程序設(shè)計(jì)421A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)及數(shù)據(jù)讀取程序A/D轉(zhuǎn)換子程序主要是指在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí),把稱重傳感器傳遞過來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳遞到單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)。10所示。設(shè)計(jì)流程圖如圖圖10 A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)及數(shù)據(jù)讀取程序流程圖4.2.2顯示子程序設(shè)計(jì)顯示子程序主要是來判斷是否需要

16、顯示， 以及如何去顯示。設(shè)計(jì)顯示子程序的 流程圖如圖11所示：圖11顯示子程序流程圖423報(bào)警子程序的設(shè)計(jì)由于要求有報(bào)警電路，可以將設(shè)定的閥值與實(shí)時(shí)顯示的值進(jìn)行比較，如果設(shè)定值小于實(shí)時(shí)顯示的值，則將 P1.0置為1,就報(bào)警。程序流程圖如圖12所示。5. 【結(jié)果分析】600實(shí)驗(yàn)中在稱重物時(shí)，電子秤能夠測量出物體的重量，當(dāng)物體重量大于 克時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)。綜上所述，設(shè)計(jì)出的電子秤能夠正常的進(jìn)行工作。6. 【設(shè)計(jì)總結(jié)】(1)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題及解決方案始用C語言編寫代碼時(shí)，出現(xiàn)很多小錯(cuò)誤。比如變量還沒定義就直接使用了;書寫不規(guī)范，不該用分號(hào)的地方用了，括號(hào)不配對等；沒有注意大小寫的區(qū)別。 這些都是根據(jù)提

17、示找到出錯(cuò)的語句直接改正就可以。在重量調(diào)整子程序中，設(shè)置了一個(gè)上限量程，在重量超過了上限時(shí)直接使用beep()函數(shù)，但是這時(shí)并不報(bào)警，才發(fā)現(xiàn)還沒定義這個(gè)函數(shù)，接下來在下面定義了報(bào)警函數(shù)，還是不行，原來必行在調(diào)用之前定義或是先聲明了才能在調(diào)用之后 定義這個(gè)函數(shù)。(2)個(gè)人體會(huì)通過本次課程設(shè)計(jì)，加深了對單片機(jī)的理解，并且更加熟悉了單片機(jī)的整個(gè) 設(shè)計(jì)流程。經(jīng)過對電子稱的設(shè)計(jì)，加深了對傳感器的理解以及更加了解到日常生 活中傳感器與我們實(shí)際生活的聯(lián)系。 在設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)了許多錯(cuò)誤，導(dǎo)致一些程 序無法運(yùn)行，但經(jīng)過不斷的努力，終于克服了困難，完成了設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求。由于設(shè)計(jì)時(shí)間有限，只能在以后的學(xué)習(xí)過程中做

18、更進(jìn)一步的改進(jìn)和提高。7.【參考文獻(xiàn)】1趙茂泰智能儀器原理及應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社2009.42馬忠梅單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2009.83劉瑞新單片機(jī)原理及應(yīng)用教程M.機(jī)械工業(yè)出版社.2011.74王東峰單片機(jī)C語言應(yīng)用100例M.北京：電子工業(yè)出版社.2009.5李平等張毅剛/#define AD_SPEED 次，SP EED1 SP EED0 A/D轉(zhuǎn)換所需時(shí)間個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換一0x60 0110,0000 11 90/#defi ne AD_S PEED換一次0x40 /0100,000010140個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)0x20 /0010,0000012

19、80個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)0x00 /0000,000000420個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)/ CPU 工作頻率21MHZ時(shí)A/D轉(zhuǎn)換速度約300KHZ/#defi ne AD_S PEED換一次/#defi ne AD_S PEED換一次/單片機(jī)入門與開發(fā)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2010.1MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)M.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.2011.9附錄:#i nclude "con fig.h"/un sig ned int get_AD_result( un sig ned char cha nn el) /存儲(chǔ)A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)志un sig ned char AD_fi ni s

20、hed=0;ADC_RES = 0;ADC_RESL = 0;/A/D/A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果高8位轉(zhuǎn)換結(jié)果低2位cha nnel &= 0x07;ADC_CONTR = AD_S PEED;_nop_();ADC_CONTR|=0xE0/1110,0000ADC_CONTR |= cha nn el;_nop_();ADC_CONTR |= 0x80;delay(1);ADC_CONTR |= 0x08;轉(zhuǎn)換/0000,0111 清 0 高 5 位清 ADC_FLAGADC_STAR位和低三位/選擇A/D當(dāng)前通道/啟動(dòng)A/D電源使輸入電壓達(dá)到穩(wěn)定/0000,1000 令 ADCS = 1,啟

21、動(dòng) A/D/AD_fi nished = 0;while (AD_fi nished = 0 )AD_fi nished = (ADC_CONTR & 0x10);否ADC_CONTR &= 0xE7;A/D轉(zhuǎn)換/等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束/0001,0000 測試A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束/1111,0111 清 ADC_FLAG位,關(guān)閉return (ADC_RES<<2|ADC_RESL); / 返回轉(zhuǎn)換后的結(jié)果 void WriteDataLCD(u nsig ned char WDLCD)ReadStatusLCD(); / 檢測忙LCD_Data = WDLCD;LCD_R

22、S = 1;LCD_RW = 0;LCD_E = 0; /若晶振速度太高可以在這后加小的延時(shí)LCD_E = 0;LCD_E = 0; / 延時(shí)LCD_E = 1;void WriteCommandLCD(unsigned char WCLCD,BuysC) /BuysC 為 0 時(shí)忽略忙檢 測if (BuysC) ReadStatusLCDO;/ 根據(jù)需要檢測忙LCD_Data = WCLCD;LCD_RS = 0;LCD_RW = 0;LCD_E = 0;LCD_E = 0;LCD_E = 0;LCD_E = 1;un sig ned char ReadDataLCD(void)LCD_RS

23、 = 1;LCD_RW = 1;LCD_E = 0;LCD_E = 0;LCD_E = 0;LCD_E = 1; return(LCD_Data);un sig ned char ReadStatusLCD(void)LCD_Data = OxFF;LCD_RS = 0;LCD_RW = 1;LCD_E = 0;LCD_E = 0;LCD_E = 0;LCD_E = 1; delay_18B20(200);/ Delay5Ms();while循環(huán)while (LCD_Data&Busy) return(LCD_Data);void LCDI ni t(void)LCD_Data = 0;WriteComma ndLCD(0x38,0);Delay5Ms();WriteComma ndLCD(0x38,0);Delay5Ms();WriteComma ndLCD(0x38,0);Delay5Ms();/檢測忙信號(hào)Proteus 仿真時(shí)，延遲5MS關(guān)閉/硬件使用時(shí)，不延遲，打開 while循環(huán)/三次顯示模式設(shè)置，不檢測忙信號(hào)WriteComma ndLCD(0x38,1);WriteComma ndLCD(0x08,1);WriteComma ndLCD(0x01,1);WriteComma ndLCD(0x06,1);/顯示模式設(shè)置，開始要求每