簡(jiǎn)易電子秤的設(shè)計(jì)

第1章緒論 1.1課題研究的背景如今，科技正飛速發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用愈來愈為廣泛。同時(shí)傳感器的開發(fā)更加開拓了科技研發(fā)的廣度，其中壓力傳感器更是被靈活地運(yùn)用到許多稱量計(jì)算領(lǐng)域，因此，電子秤也就誕生了。新型電子秤的出現(xiàn)，大大地拓寬了傳統(tǒng)的繁瑣粗糙的杠桿稱重測(cè)量，這是一項(xiàng)革命性的發(fā)展與神奇的開拓創(chuàng)新。普通的電子秤測(cè)試儀器和儀表被更新?lián)Q代，使得在傳統(tǒng)的稱量基礎(chǔ)上有了質(zhì)的飛躍，在使用功能和進(jìn)度以及自動(dòng)化方面有了顯著的提高，更加方便了人民平時(shí)測(cè)量以及生活中的使用。利用壓力傳感器的電子秤設(shè)計(jì)基于傳統(tǒng)杠桿原理的粗糙秤砣式稱量方式，以傳感器接收壓力數(shù)據(jù)，以單片機(jī)運(yùn)算，最終顯示結(jié)果兼有稱量結(jié)果精度高、設(shè)計(jì)整體體積小、可應(yīng)用范圍更廣、更加利于用戶操作的優(yōu)點(diǎn)。20世紀(jì)90年代以來，科學(xué)在一步步的進(jìn)步，工業(yè)上的自動(dòng)化和智能方面有了顯著的提高，其中電子稱重測(cè)量又有了新的想法和要求，主要幾個(gè)重點(diǎn)就是：將傳統(tǒng)靜態(tài)稱重技術(shù)改變成靈活的動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)；將模擬測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字測(cè)量的測(cè)量方式，并在此方向?qū)で筮M(jìn)一步的開拓發(fā)展；將電子秤在對(duì)產(chǎn)品的性能上，精準(zhǔn)度上的測(cè)量，速率上和穩(wěn)定性上面有個(gè)大方向的發(fā)展以及提高。1.2課題研究的目的及意義 如今電子秤作為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚挠?jì)量衡器，雖已被廣泛地運(yùn)用到超市、市場(chǎng)、物流配送中心等，但對(duì)于市場(chǎng)上的電子秤功能不一，良莠不齊。有些電子秤一味地追求更多的新奇功能而將操作變得十分復(fù)雜繁瑣，不利于操作的同時(shí)，更難以保證稱量結(jié)果的準(zhǔn)確性。本設(shè)計(jì)中的電子秤將基于單片機(jī)的編程以及壓力傳感器對(duì)稱重信號(hào)地檢測(cè)而展開的測(cè)量工作。追求電子秤最為本質(zhì)的稱量精確，著力于基礎(chǔ)功能的實(shí)現(xiàn)與再開發(fā)。電子秤取代傳統(tǒng)的沉重系統(tǒng)采用襯托和平衡桿進(jìn)行稱重衡量的繁瑣方式。創(chuàng)新更加便捷、精確智能的電子稱量方式。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電子秤鍵盤設(shè)置好價(jià)格后，自動(dòng)顯示稱重的重量，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)計(jì)價(jià)計(jì)費(fèi)。目前市場(chǎng)上的電子秤在設(shè)計(jì)與制作中并沒有充分地考慮到使用者在日常生活中可能遇到的諸多問題，設(shè)計(jì)過于理想化，使用者在使用中不能很快、很靈活地使用電子秤的同時(shí)，電子秤的諸多功能也被束之高閣，毫無用武之地。比如，一些電子秤在設(shè)計(jì)中增加了報(bào)時(shí)報(bào)價(jià)的功能，但是卻需要操作者在仔細(xì)閱讀使用說明書的同時(shí)細(xì)心尋找屬于報(bào)時(shí)報(bào)價(jià)功能的開關(guān)按鍵，若此按鍵與其他功能鍵相鄰，則操作者難免出現(xiàn)失誤，為操作者帶來諸多不便，也就導(dǎo)致了此功能被擱置的同時(shí)，依然會(huì)為操作者帶來不便。隨著時(shí)代的發(fā)展，電子秤在設(shè)計(jì)開發(fā)中更加追逐以上此類的繁復(fù)功能，而增加這些功能的原因無外乎是為了更高的利潤(rùn)，消費(fèi)者在選擇時(shí)，或許會(huì)更加青睞于有著更多絢爛操作的新型電子秤，但是多數(shù)消費(fèi)者卻并不為此買賬。因此，本次設(shè)計(jì)將努力在相對(duì)最小的成本付出的基礎(chǔ)上，滿足電子秤的各項(xiàng)基本功能，為電子秤的市場(chǎng)帶來革新與發(fā)展。摒棄如今電子秤體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行困難、成本高、裝機(jī)難、修正調(diào)整繁瑣、稱量結(jié)果不精確、消耗大、維護(hù)困難、難以保質(zhì)等缺點(diǎn)。致力于做出更為小巧、輕便、快捷、優(yōu)質(zhì)、精準(zhǔn)的新型電子秤。同時(shí)運(yùn)用所學(xué)，對(duì)于稱重課題的研究更加的深入化探索，為電子稱量領(lǐng)域的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，推動(dòng)新時(shí)代電子秤的技術(shù)革新。讓電子稱量更貼近日常生活，充分豐富電子秤的功能，為未來的開發(fā)研究提供思路，設(shè)計(jì)更多的尋找生活中的靈感，讓電子秤的各項(xiàng)功能活起來，真正將之運(yùn)用到我們的生活實(shí)踐當(dāng)中，進(jìn)一步的滿足工業(yè)生產(chǎn)生活的需求。1.3課題研究?jī)?nèi)容及技術(shù)指標(biāo)簡(jiǎn)易電子秤是基于單片機(jī)壓力傳感器的設(shè)計(jì)，以其靈活的操作，精準(zhǔn)的稱量而被人們所喜愛，并廣泛地運(yùn)用于眾多稱量領(lǐng)區(qū)，在確定本課題后作出以下調(diào)查研究：本設(shè)計(jì)以STC89C52型號(hào)單片機(jī)為核心控制單元來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，當(dāng)稱重物品將之重力施加在壓力傳感器上時(shí)，由A/D轉(zhuǎn)換模數(shù)信號(hào)，發(fā)送單片機(jī)處理后，LCD顯示器顯示本次測(cè)量的最終結(jié)果。稱重的同時(shí)，用戶可以使用矩陣鍵控制壓力界限，并輸入相應(yīng)價(jià)格，對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的加工處理。具體實(shí)現(xiàn)的功能是能夠測(cè)試一定質(zhì)量?jī)?nèi)的物體并通過LCD屏顯示出換算結(jié)果，測(cè)出結(jié)果，如超出虛警概率，則蜂鳴器報(bào)警。在實(shí)際設(shè)計(jì)中做出的創(chuàng)新如下：以單片機(jī)為核心，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便于對(duì)電子秤的功能進(jìn)行拓展延伸；采用鍵盤輸入的方式，操作簡(jiǎn)單；具有過壓警報(bào)功能，最大程度的保護(hù)電路；數(shù)據(jù)更新快；可以顯示單價(jià)與數(shù)量等。系統(tǒng)在硬件電路結(jié)構(gòu)可以分為：傳感器采集信號(hào)模塊、A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、STC89C52單片機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊、1602液晶顯示模塊、數(shù)字鍵盤輸入模塊等。系統(tǒng)從功能上，主要完成：稱重?cái)?shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、液晶顯示驅(qū)動(dòng)、鍵盤參數(shù)設(shè)置等任務(wù)，具體設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：壓力傳感信號(hào)的轉(zhuǎn)換及顯示顯示精度0.01g；信號(hào)刷新時(shí)間小于100ms；虛警概率小于。第2章方案設(shè)計(jì)和論證2.1方案選擇設(shè)計(jì)中，針對(duì)各個(gè)不同的模塊實(shí)現(xiàn)的功能調(diào)整參考一下方案：方案一：采用數(shù)碼管進(jìn)行顯示此方案將顯示稱量的物體重量是數(shù)碼管。具體結(jié)構(gòu)圖如2-1所示。稱重?cái)?shù)據(jù)采集單片機(jī)最小系統(tǒng)數(shù)碼管顯示稱重?cái)?shù)據(jù)采集單片機(jī)最小系統(tǒng)數(shù)碼管顯示圖2-1數(shù)碼管顯示框圖采用數(shù)碼管顯示，單片機(jī)內(nèi)部包括模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。此設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單可行，十分易于實(shí)現(xiàn)，編程十分簡(jiǎn)單。但雖然基本可以實(shí)現(xiàn)電子秤稱重的基本功能，但卻無法實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的輸入，也就無法針對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行其他操作。同時(shí)，數(shù)碼管顯示只能顯示簡(jiǎn)單的數(shù)字與英文字符，卻無法顯示漢字等復(fù)雜字符。且采用單片機(jī)采用的是內(nèi)含模數(shù)轉(zhuǎn)換的單片機(jī)，其中系統(tǒng)電路過于簡(jiǎn)單，導(dǎo)致此電子秤的功能拓展受限，電子秤功能單一。方案二：在數(shù)碼顯示的基礎(chǔ)上增加鍵盤輸入功能。考慮方案一中無法進(jìn)行靈活的外部控制的缺點(diǎn)，在其中增加鍵盤輸入，增加其外部控制，從而實(shí)現(xiàn)電子秤的計(jì)價(jià)功能。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示。數(shù)碼管顯示單片機(jī)最小系統(tǒng)稱重?cái)?shù)據(jù)采集數(shù)碼管顯示單片機(jī)最小系統(tǒng)稱重?cái)?shù)據(jù)采集鍵盤輸入鍵盤輸入圖2-2加入鍵盤后數(shù)碼管顯示框但同樣，因?yàn)閿?shù)碼管顯示單一，更不能顯示足夠的位數(shù)，導(dǎo)致稱量的精度受限。并且這一方案中需要數(shù)碼管接入電路較多，在處理輸入及輸出接口時(shí)便再需要擴(kuò)展足夠數(shù)碼管連接的I/O接口，使設(shè)計(jì)變得十分繁瑣。方案三：以單片機(jī)為基礎(chǔ)控制。采用壓力傳感器、A/轉(zhuǎn)換器、鍵盤輸入進(jìn)行數(shù)據(jù)的前期接收處理，采用具有圖文顯示功能的LCD顯示器將結(jié)果顯示出來。單單片機(jī)最小系統(tǒng)統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器按鍵電路LCD顯示LCD顯示壓力傳感器壓力傳感器過壓警報(bào)過壓警報(bào)圖2-3采用單片機(jī)為核心框圖此方案可以靈活操作調(diào)整，增強(qiáng)了電子秤人機(jī)交換的能力。且目前單片技術(shù)發(fā)展較為成熟，功能強(qiáng)大，同時(shí)單片機(jī)使用與控制功能簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，其還具有成本低，消耗小，體積小，運(yùn)算能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但由于其編程較為復(fù)雜，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面會(huì)存在一定的難度。方案四：主控核心采用可編程FPGA這一方案的主控核心時(shí)可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)編程的FPGA，另需要采用軟件編程EDA，同時(shí)下載燒制來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)將集成于一Xilinx公司SpartanⅡ系列XC2S100E芯片之上。此芯片具有體積小、靈活度高、適用范圍廣、集成度高等優(yōu)點(diǎn)。采用FPGA測(cè)頻進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度更高，范圍更大，編程更加靈活、調(diào)試更加方便、輸出數(shù)值穩(wěn)定、抗干擾能力更強(qiáng)、可達(dá)到更高的精度。設(shè)計(jì)中將FPGA作為整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心單元，以ISE平臺(tái)為基礎(chǔ)，運(yùn)用VHDL編程，將所接收到的壓力信號(hào)進(jìn)行加工處理，以LED與LCD同時(shí)開始驅(qū)動(dòng)，由時(shí)鐘芯片進(jìn)行通訊，鍵盤模塊實(shí)現(xiàn)外部控制的功能。采用FPGA可以更大程度的減少印刷電路板的空間，同時(shí)大大降低其系統(tǒng)的功耗，以此為核心設(shè)計(jì)，可以提高整體的可靠性。此方案的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-4所示。稱重傳感器LCD顯示器稱重傳感器LCD顯示器A/D轉(zhuǎn)換器FPGAA/D轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)模塊數(shù)據(jù)處理驅(qū)動(dòng)模塊數(shù)據(jù)處理過壓過壓警報(bào)鍵盤輸入鍵盤控制通訊模塊時(shí)鐘芯片鍵盤輸入鍵盤控制通訊模塊時(shí)鐘芯片圖2-4采用FPGA為核心框圖綜上有點(diǎn)可以看出以FPGS作為核心雖然可以讓電子秤的系統(tǒng)更優(yōu)化,更精確。但它只有在大規(guī)模的集成電路中才能最好的發(fā)揮功能，且其在制作中較為繁復(fù)。本次設(shè)計(jì)尚未達(dá)到如此復(fù)雜的功能設(shè)計(jì)，另其制作成本也較高。采用單片機(jī)為核心的設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)，同時(shí)成本更低，操作更為熟練，綜合比較下，本次設(shè)計(jì)采用第三方案。2.1.1單片機(jī)的選擇因?yàn)閱纹瑱C(jī)模塊可以選擇的單片機(jī)系列很多，本課題中我們選擇了三種芯片作為備選。方案一：使用MSP430單片機(jī)。MSP430是經(jīng)由TI公司研發(fā)制作的一款低能耗的16位單片機(jī)。其不但能量消耗低，運(yùn)行也十分的穩(wěn)定可靠，速度比51單片機(jī)快很多。內(nèi)部集成高精度的AD和PWM波形發(fā)生器?？墒荕SP430單片機(jī)的主要用途是在供電的便攜式儀器中的使用，而且不但價(jià)格昂貴，開發(fā)難度也十分巨大，學(xué)習(xí)困難。因此，本設(shè)計(jì)不宜使用該系列單片機(jī)。方案二：采用ARM7作為主控芯片完成導(dǎo)盲數(shù)據(jù)采集與控制，但由于出現(xiàn)年代久遠(yuǎn)，ARM系列更新?lián)Q代較快，現(xiàn)在已經(jīng)很難買到現(xiàn)成ARM7的芯片，且該芯片價(jià)格相對(duì)較高，所以排除此方案。方案三：采用STC89C52作為控制核心，來完成傳感器數(shù)據(jù)的收集和處理，具有多方面的優(yōu)點(diǎn)：1.集成度高，可靠性好；2.擁有豐富的指令系統(tǒng)；3.低功耗，串口編程。綜合以上優(yōu)點(diǎn)并結(jié)合平時(shí)有學(xué)習(xí)這個(gè)芯片的基礎(chǔ)，本設(shè)計(jì)采用STC89C52芯片。2.1.2顯示模塊選擇為了更好的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，本系統(tǒng)需要一個(gè)顯示器，來實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，考慮了三種方案如下：方案一：采用LED進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。此方案在價(jià)格上較為適中，并且對(duì)于本次電子秤的設(shè)計(jì)只顯示簡(jiǎn)單的字母與數(shù)字的運(yùn)用也較為合適?？墒且?yàn)檫@一方案將采用動(dòng)態(tài)掃描的方式進(jìn)行顯示，其對(duì)于單片機(jī)CPU中的I/O口占用較多。還有考慮到后期各器件的焊接，使用數(shù)碼管顯示的化，電路焊接容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，難度相對(duì)增大，因此，本方案不宜使用。方案二：1601液晶是一種能顯示一些基本字符信息的液晶，他主要用來顯示常見的數(shù)字和一些字母，還有一些特殊符號(hào)。本設(shè)計(jì)需要顯示出重量、單價(jià)和總價(jià)多行內(nèi)容，LCD1601液晶顯示內(nèi)容不能滿足設(shè)計(jì)要求。方案三：1602液晶相比于1601液晶最大的變化就是能夠顯示漢字，因?yàn)樗麅?nèi)部集成了漢字顯示字庫，同時(shí)又兼容顯示1601液晶的字符，所以1602液晶更滿足要求。綜上1602具有成本低，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。滿足本設(shè)計(jì)的要求，因此選擇LCD1602作為顯示模塊。2.1.3壓力傳感器方案的選擇方案一：采用應(yīng)變式壓力傳感器。應(yīng)變電阻傳感器他的原理，當(dāng)重物放置時(shí)，接受到來自此重物的外部重力壓力，壓力傳感器將會(huì)因受力而產(chǎn)生變形。在壓力傳感器的應(yīng)變片發(fā)生變形后，其中的電阻值將會(huì)發(fā)生變化。阻值變化便可以設(shè)計(jì)傳感器電路，進(jìn)而采集電壓。如此便可以得到基于壓力變化的線性的電壓參數(shù)。經(jīng)過程序轉(zhuǎn)換后就可以轉(zhuǎn)換成重量。這種傳感器穩(wěn)定可靠，不容易壞。因?yàn)楸粡V泛的使用。其傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖2-5所示。BU0DR1-△R1R2+△R2CR4+△R4R3-△R3EinCCAU0DR1-△R1R2+△R2CR4+△R4R3-△R3EinCCA圖2-5傳感器結(jié)構(gòu)原理圖方案二：壓電傳感器這一方案是采用了一種有緣的稱重傳感的壓電傳感器。壓點(diǎn)傳感器是在接受到稱重物品的重量時(shí)，傳感器的內(nèi)部電荷數(shù)量發(fā)生變化。根據(jù)電荷數(shù)量的多少可以轉(zhuǎn)換成壓力的大小。相比于方案一的應(yīng)變電阻壓力傳感器而言，壓電傳感器體積可以做的很小，而且比較輕便。比較適合于做便攜式的電子秤。對(duì)于大型的稱重設(shè)備就不使用。另外他輸出的參數(shù)也不穩(wěn)定，無法保證線性呈現(xiàn)。受外部影響較大。穩(wěn)定性較差，對(duì)外接電路要求很高。通過對(duì)壓力傳感器與電阻應(yīng)變式傳感器比較，最終選擇第一種方案。2.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的主控芯片是STC89C52型號(hào)單片機(jī)，并采用用HX711專屬的A/D轉(zhuǎn)換，壓力傳感器選用壓力傳感器，LCD1602液晶顯示。同時(shí)，可以通過鍵盤輸入壓力測(cè)量范圍，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的測(cè)量壓力信號(hào)，并將結(jié)果顯示到LCD1602液晶上。此外系統(tǒng)還具備超重時(shí)有報(bào)警電路進(jìn)行過壓報(bào)警等功能。在設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)硬件電路有單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、LCD1602電路進(jìn)行液晶顯示、按鍵鍵盤電路控制、HX711A/D轉(zhuǎn)換傳感器模塊、應(yīng)變式壓力傳感器模塊、報(bào)警模塊等模塊組成。本章小結(jié)在本章中敘述中主要講述的是電子稱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在方案的選擇上本人選擇了方案三，方案三相比于方案一、二更為準(zhǔn)確、靈活，可實(shí)現(xiàn)功能更多，更利于操作，相比于方案四成本更低，更實(shí)用。單片機(jī)因低成本、低能耗的優(yōu)點(diǎn)一直被人們廣泛應(yīng)用。相信在未來對(duì)于電子秤的研究中，單片機(jī)都將起到至關(guān)重要的作用。第3章系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)及最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)是在單片機(jī)可以保持在正常工作狀態(tài)下，能夠充分地發(fā)揮單片機(jī)自身功能時(shí)，必不可少的重要部分，同時(shí)也可將此理解為用最少元件組成單片機(jī)，電源、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路組成單片機(jī)最小系統(tǒng)。單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖3-1所示。圖3-1單片機(jī)最小系統(tǒng)時(shí)鐘電路的電路圖如圖3-2所示。時(shí)鐘電路是單片機(jī)的最主要部分，是單片機(jī)必不可少的部分，如果單片機(jī)中缺少了時(shí)鐘電路，那它就沒辦法運(yùn)行和使用。它控制著觸發(fā)器上升沿和下降沿的變化。在時(shí)鐘不斷地運(yùn)行中，單片機(jī)的各個(gè)功能才能得以實(shí)現(xiàn)。在時(shí)鐘周而復(fù)始的運(yùn)作中，單片機(jī)也將重復(fù)著所有操作。在整個(gè)循環(huán)中使單片機(jī)不斷地接收信號(hào)，整理數(shù)據(jù)，輸出信號(hào)。時(shí)鐘電路是單片機(jī)得以運(yùn)行的必備電路。在本次設(shè)計(jì)中所用到的時(shí)鐘電路又叫晶振振蕩電路。主要連接STC89C52單片機(jī)的XTAL1和XTAL2兩個(gè)接口，一個(gè)晶振與兩個(gè)電容共同組成。圖3-2時(shí)鐘電路上電復(fù)位電路如圖3-3所示。復(fù)位電路就是一個(gè)用來使電路恢復(fù)到起始狀態(tài)的電路。復(fù)位電路是確保整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)各個(gè)電路的穩(wěn)定可靠。復(fù)位電路分有上電復(fù)位與手動(dòng)按鈕復(fù)位兩種復(fù)位控制方式，設(shè)計(jì)使用的是上電復(fù)位方式進(jìn)行單片機(jī)復(fù)位操作。圖3-3上電復(fù)位電路3.2信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)采用HX711進(jìn)行信號(hào)采集，HX711芯片具有A/D轉(zhuǎn)換功能，且精度較高，十分適用于本次電子秤的設(shè)計(jì)。此外，HX711芯片最大的特點(diǎn)是其采集位數(shù)較多，可達(dá)24位，達(dá)到了傳統(tǒng)8位A/D采集的3倍之多。其成本低，穩(wěn)定性高，HX711芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-4所示。圖3-4HX711芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.3液晶顯示模塊設(shè)計(jì)3.3.1液晶顯示模塊的選擇液晶實(shí)際上是一種高分子材料。自1950年以來，其因?yàn)樘厥獾幕瘜W(xué)與物理性質(zhì)等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域。如今，所有類型的LCD屏幕都被稱為直接LCD。液晶顯示模塊具有功耗低、體積小、圖像豐富、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。LCD被廣泛應(yīng)用于低功率器件和袖珍儀器中。目前，在單片機(jī)的應(yīng)用與設(shè)計(jì)中，其最常用的是字符顯示器就是LCD模塊。然而，LCD的主要缺點(diǎn)是在非常窄的溫度范圍內(nèi)使用。由于一般液晶的常溫范圍為0～53℃，儲(chǔ)存溫度范圍為-19～59℃，因此在設(shè)計(jì)相應(yīng)的產(chǎn)品時(shí)必須仔細(xì)考慮合適的液晶。例如，LCD12864液晶模塊和LCD1602顯示模塊。該設(shè)計(jì)為兩個(gè)顯示模塊選擇合適的顯示模塊。3.3.2液晶引腳功能本設(shè)計(jì)中，在溫度顯示端需要進(jìn)行對(duì)溫度采集系統(tǒng)的環(huán)境溫度進(jìn)行顯示。為了增加人機(jī)交互的方面性與易用性，設(shè)計(jì)中，增加了一個(gè)液晶顯示模塊，使用的是1602。由于市面上用的顯示屏基本上原理都相同，顯示單元主要是采用LCD1602顯示屏。顯示屏的使用可以說是突如其來的熱門，因?yàn)樗梢燥@示出來好多種圖形文字等等它是一種點(diǎn)陣型液晶模塊。液晶1602的使用與操作是非常的方便可行的，他包含8條與數(shù)據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)線，同時(shí)還有用于控制的3條控制線，這樣總共需要11根I/O口線，這樣單片機(jī)在操作的時(shí)候，僅僅需要10個(gè)I/O口就可以對(duì)該液晶進(jìn)行操作與處理。液晶顯示模塊的電源方面有VCC引腳和GND引腳（這是液晶的第一和液晶的第二個(gè)引腳）是需要進(jìn)行外部鏈接的，但是為了方便設(shè)計(jì)與操作，背光的VCC引腳和接地的GND可以不連接。1602液晶模塊內(nèi)部字符發(fā)生存儲(chǔ)器已經(jīng)存儲(chǔ)160個(gè)不同點(diǎn)陣字符圖形，其中的字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文大小寫字母、常用符號(hào)。其中的每個(gè)字符都有唯一一個(gè)固定代碼，例如大寫英文字母“A”的代碼是01000001B，顯示模塊就會(huì)將對(duì)應(yīng)的地址再通過點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，便可以在顯示屏上得到字母“A”。傳感器的SCL/VZ管腳和PWM/SDA管腳并且和單片機(jī)的普通I/O口直接連接，即單片機(jī)上的P1.0和P1.1并通過這兩個(gè)I/O口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與傳感器相互之間的數(shù)據(jù)的傳輸。VDD為電源引腳接+5V，VSS為地端。1602液晶的正常工作時(shí)電流僅2.0mA，通過編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉屏幕能夠更有效的降低功耗。LCD1602顯示可分為兩行，每一行顯示16個(gè)字符。因?yàn)長(zhǎng)CD1602液晶顯示的內(nèi)部字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM）已存儲(chǔ)160個(gè)不同點(diǎn)陣字符圖形。故此，可通過程序指令實(shí)現(xiàn)多樣化地顯示。還可以利用剩余空間自行定義LCD1602用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無背光）亦或者是16腳（帶背光）的接口。其液晶電路圖如下圖3-5所示。圖3-5液晶電路原理圖因此，使用液晶LCD1602可以大大加快開發(fā)速度。LCD1602液晶顯示能夠和單片機(jī)STC89C52接口直接相連接，DB0~DB7 與單片機(jī)中P0.0~P0.7連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送與接收。LCD1602液晶模塊內(nèi)部可實(shí)用于字符發(fā)生的存儲(chǔ)器（CGROM)是已存儲(chǔ)并書寫好的160個(gè)不同形式點(diǎn)陣集合，能夠顯示字符圖形，如表3-1所示。這些字符中含有有：英文大小寫字母、阿拉伯?dāng)?shù)字、常用符號(hào)、和日文假名等符號(hào)，每一字符都有一個(gè)唯一固定代碼，其讀寫操作、屏幕顯示和光標(biāo)操作都將通過指令編程來實(shí)現(xiàn)。對(duì)DDRAM內(nèi)容及地址操作，HD44780指令集和其設(shè)置說明，一共有11條指令。表3-1LCD1602液晶顯示器引腳說明編號(hào)符號(hào)引腳說明編號(hào)符號(hào)引腳說明1VSS電源地9D2DateI/O2VDD電源正極10D3DateI/O3VL液晶顯示偏壓信號(hào)11D4DateI/O4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）12D5DateI/O5R/W讀/寫選擇端（H/L）13D6DateI/O6E使能信號(hào)14D7DateI/O7D0DataI/O15BLA背光源正極8D1DataI/O16BLK背光源負(fù)極3.4電源電路設(shè)計(jì)中的電源采用5V電壓進(jìn)行供電。其通過電源電路將220V交流電變成了12V直流電，再通過穩(wěn)壓電路最終獲得5V輸出電壓值。電源接口如圖3-6所示。圖3-6電源接口圖3.5按鍵控制部分電路在本設(shè)計(jì)中，因?yàn)樾枰诉M(jìn)行按鍵操作，即進(jìn)行重量的閥值輸入和控制，所以設(shè)計(jì)了按鍵電路。如圖3-7所示，當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，單片機(jī)的I/O被拉低，此時(shí)單片機(jī)識(shí)別到按鍵按下，即執(zhí)行相關(guān)的程序運(yùn)行。P34P34P35P36P37K3K4K2K1ND圖3-7按鍵電路設(shè)計(jì)3.6報(bào)警模塊RSTDACCNTVDDBUSYPWM1IOVSS5RSTDACCNTVDDBUSYPWM1IOVSS56781234圖3-8報(bào)警模塊設(shè)計(jì)報(bào)警模塊中，其電源電壓VDD范圍在2.4～4.5V；靜態(tài)電流Isb：≤2μA；工作電流Iop：2mA(noload)；音頻輸出方式為D/A輸出（DAC輸出）；工作溫度可行范圍在-20℃~＋80℃；封裝形式為DIP8/SOP8。其模塊設(shè)計(jì)如圖3-7所示。據(jù)以上所述所有引腳的連接情況，其每個(gè)引腳的詳盡功能如下表3-2所示。表3-2引腳功能表腳號(hào)名稱功能1RST脈沖計(jì)數(shù)復(fù)位2CNT脈沖觸發(fā)信號(hào)3BUSY工作狀態(tài)反饋4IONC5VSS電源負(fù)6PWM1NC7VDD電源正8PWM2/DACDAC信號(hào)輸出注:NC腳懸空不接。3.7A/D轉(zhuǎn)換模塊由此前對(duì)傳感器量程與精度地分析可知：A/D轉(zhuǎn)換器誤差應(yīng)保持在0.03%以下。12位A/D精度：15Kg/4096=3.6g14位A/D精度：15Kg/16384=0.92g需要充分考慮其他的部分所帶來的干擾，12位A/D轉(zhuǎn)換器無法滿足系統(tǒng)的精度要求。我們需要選擇一個(gè)14位甚至精度更高的A/D轉(zhuǎn)換器。雙積分型的A/D轉(zhuǎn)換器精度更高，可是相對(duì)速度較慢(如：ICL7135)，精確差分輸入，輸入的阻抗高（即大于），可自動(dòng)進(jìn)行調(diào)零，超過量程信號(hào)，全部輸出將與TTL的電平兼容。雙積分A/D轉(zhuǎn)換器有較強(qiáng)的抗干擾的能力。由于正負(fù)對(duì)稱的工頻干擾信號(hào)積分為0，對(duì)50Hz工頻干擾有較強(qiáng)抑制的能力，對(duì)較高工頻干擾有十分良好地濾波效果。只需其平均干擾電壓為0，輸出便不會(huì)受此影響。尤其在此系統(tǒng)中，變化緩慢地壓力信號(hào)就會(huì)容易受到工頻信號(hào)影響。所以采用雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，這可大大地降低對(duì)濾波電路要求。作為電子秤，該系統(tǒng)不需要很高地A/D轉(zhuǎn)換速率，14位A精度足以滿足要求。此外，雙積分A/D轉(zhuǎn)換器有相對(duì)較強(qiáng)地抗干擾能力、精確差分輸入以及低價(jià)格方面也較為低廉。在綜合分析后，最終選擇ICL7135轉(zhuǎn)換模塊。圖3-9ICL7135與8051單片機(jī)的接口電路ICL7135是常用的4位半雙工單片集成ADC芯片。分辨率為14位的二進(jìn)制，其轉(zhuǎn)換精度較高，轉(zhuǎn)換誤差基本保持在1LSB，在單極參考電壓下能夠進(jìn)行雙極輸入模擬電壓A/D轉(zhuǎn)換。模擬輸入電壓范圍在0～1.999999V，此技術(shù)能夠在室溫下保證零長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。模擬輸入的信號(hào)是差分信號(hào)，此輸入的信號(hào)阻抗很高。因?yàn)镮CL7135轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出是動(dòng)態(tài)的的結(jié)果，必須通過并行接口連接MCU接口。LS157具有4位與兩種選擇數(shù)據(jù)多路復(fù)用器。LS157中SEL輸入的是低電平，1A、2A和3A輸入信息是1Y、2Y和3Y，1B、2B和3B輸入信息是高電平1Y、2Y和3Y。因此，當(dāng)D135D5輸出處于高電平時(shí)，在8155處，1,000等數(shù)據(jù)，以及極性、過量和欠量程碼都將被輸入到PA155到PA3，且當(dāng)D5是低電平時(shí)，B135、B4、B2和B1輸出為低位BCD碼。此時(shí)，BCD碼數(shù)據(jù)線B8、B4、B2和B1被輸入至8155中的PA155。下面對(duì)ICL7135部分引腳作簡(jiǎn)要說明：IN+、IN-：模擬電壓差分輸入端。在單端輸入時(shí)，通常IN將與模擬地(AGND)連在一起。VREF：基準(zhǔn)電壓端，一般是1V。VREF穩(wěn)定性對(duì)A/D轉(zhuǎn)換精度有很大影響，應(yīng)當(dāng)采用高精度穩(wěn)壓源。INT、AZ、BUF：分別為積分電容器輸出端、自動(dòng)校零端及緩沖放大器輸出端。這三個(gè)端用來外接積分電阻、電容以及校零電容。CREF-、CREF+：基準(zhǔn)電容端。電容值可取值1μF。CLK：時(shí)鐘輸入端。R/：?jiǎn)?dòng)A/D轉(zhuǎn)換控制端。BUSY：輸出狀態(tài)信號(hào)端。ST：選通脈沖輸出端。作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，可以向主機(jī)申請(qǐng)中斷。OVER：過量程標(biāo)志輸出端。UNDER：欠量程標(biāo)志輸出端。POL：極性輸出端。B8、B4、B2、B1：BCD碼數(shù)據(jù)輸出線，此中的B8位為最高位，B1為最低位。D5、D4、D3、D2、D1：BCD碼數(shù)據(jù)位驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端，分別選萬、千、百、十、個(gè)位。本章小結(jié)在本章中主要介紹了系統(tǒng)硬件部分的組成，系統(tǒng)硬件部分主要包括：按鍵部分、LCD12864液晶顯示屏、A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)和最小系統(tǒng)。本章首先介紹了主要控制元件STC89C52單片機(jī)，并且介紹了各引腳功能及組成最小系統(tǒng)各部分的原理。然后，了解12864液晶的使用方法及其使用方法，敘述了按鍵電路，按鍵必須添加防抖動(dòng)設(shè)置，以減少誤差。第4章系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)4.1程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)概述系統(tǒng)在上電后首先要開始進(jìn)行系統(tǒng)的初始化。單片機(jī)反復(fù)掃通過A/D模塊掃描應(yīng)變式壓力傳感器有無檢測(cè)到壓力即稱重信息，如果檢測(cè)到信號(hào)量的變化，則進(jìn)行稱重檢測(cè)，檢測(cè)是否超過壓力范圍。如超過，則過壓警報(bào)，取下物體重新測(cè)量。如未超重，則讀出A/D數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成重量，同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)鍵盤設(shè)置的單價(jià)參數(shù)自動(dòng)計(jì)算總價(jià)，由LCD顯示器對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示，稱重結(jié)束，重新進(jìn)入循環(huán)。4.2子程序設(shè)計(jì)4.2.1按鍵掃描有無有無按鍵按下開始鍵盤按鍵掃描獲取鍵值并保存松手防抖檢測(cè)結(jié)束NYY圖4-1按鍵掃描子程序流程圖本系統(tǒng)當(dāng)按鍵在按鍵的過程中會(huì)有一個(gè)明顯的抖動(dòng)現(xiàn)象。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中消除抖動(dòng)是必須要做的事情，因?yàn)槎秳?dòng)會(huì)導(dǎo)致按鍵多按了幾次，給使用帶來障礙。消除按鍵抖動(dòng)最直接的方式就是通過延時(shí)來去除抖動(dòng)。在開始按鍵時(shí)，首先檢測(cè)是否有按鍵按下，進(jìn)行去抖動(dòng)處理，再進(jìn)行的掃描，確定行的的掃描后列的掃描，在行和列的掃描后，確定唯一按鍵。按鍵掃描子程序流程圖如圖4-1所示。4.2.2顯示器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)以LCD1602液晶對(duì)稱量結(jié)果進(jìn)行最終顯示。液晶顯示來確定按鍵的坐標(biāo)，進(jìn)一步顯示此按鍵的輸出數(shù)據(jù)字符。顯示器的設(shè)計(jì)程序流程圖如圖4-2所示。開始開始系統(tǒng)初始化確認(rèn)顯示坐標(biāo)坐標(biāo)設(shè)置完成寫字符到指定位置顯示字符信息結(jié)束YN圖4-2顯示器子程序流程圖4.3主程序流程圖的設(shè)計(jì)主程序?qū)⑼瓿蓴?shù)據(jù)的采集與顯示、對(duì)按鍵的按鍵坐標(biāo)的判斷、顯示器的顯示輸出等任務(wù)。設(shè)計(jì)整體的流程圖如圖4-3所示。開始開始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化重量檢測(cè)重量檢測(cè)過壓警報(bào)過壓警報(bào)是否超重是是否超重是否否輸入單價(jià)輸入單價(jià)重量轉(zhuǎn)換重量轉(zhuǎn)換LCD顯示LCD顯示結(jié)束結(jié)束圖4-3主程序流程圖本章小結(jié)本章節(jié)主要寫了各個(gè)部分的子程序以及相應(yīng)的主程序，在這些程序中除了運(yùn)用到單片機(jī)的I/O口與外部中斷1之外，還用到了定時(shí)器“看門狗”的功能，主要為了防止程序進(jìn)入死循環(huán)或程序跑飛。此次編程看似程序沒有多少，但是在編寫過程中卻遇到了許多的問題，例如外部中斷的運(yùn)用，“看門狗”的定時(shí)等等，通過查找資料進(jìn)行解決后發(fā)現(xiàn)知識(shí)儲(chǔ)備量又有所增加。第5章整機(jī)電路工作原理及調(diào)試電路的安裝與調(diào)試是電路中必不可少的部分，這其中包括元器件的選則與購買、測(cè)試、安裝與電路板的焊接、調(diào)試等。5.1整機(jī)電路工作原理在稱重物體放在壓力傳感器上的時(shí)候，物體將重力施加給傳感器，使傳感器發(fā)生形變，此形變將轉(zhuǎn)換成內(nèi)部的阻值變化。在這時(shí)電壓值發(fā)生變化，將最終的電壓模擬信號(hào)輸出，A/D轉(zhuǎn)換器接受到輸出的壓力模擬信號(hào)，在A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸出到單片機(jī)當(dāng)中，在由單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，最后將結(jié)果傳輸?shù)斤@示器上，有顯示器顯示最終結(jié)果。另在接受壓力時(shí)，檢測(cè)壓力值是否超標(biāo)，超過則需要過壓警報(bào)，由蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。其整機(jī)電路原理圖見附錄3。5.2電路調(diào)試5.2.1硬件調(diào)試主要完成如下4個(gè)部分調(diào)試的任務(wù)：首先是對(duì)單片機(jī)部分的調(diào)試、緊接著需要的是對(duì)液晶顯示部分的調(diào)試、再次是針對(duì)鍵盤部分的調(diào)試、以及對(duì)A/D稱重采集部分調(diào)試。最后將調(diào)試后的各模塊組合，再進(jìn)行整體測(cè)試，使得電子秤系統(tǒng)的功能得以實(shí)現(xiàn)。（1）HX711模塊的數(shù)據(jù)采集HX711對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采集，需要保證ADC的正常供電，且需要保證其穩(wěn)定。然后由多路A/D在采集的時(shí)候需要注意到通道的切換。在剛剛開始測(cè)試時(shí)，便是由于初始通道沒能設(shè)置好，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)無法被讀出，卻被我誤以為是硬件連接的問題，通過多次檢查，確定了硬件連接并無問題，各個(gè)硬件也無問題時(shí)，才逐一排查到此項(xiàng)問題。LCD1602顯示出現(xiàn)花屏的問題。在調(diào)試中，對(duì)顯示器的花屏現(xiàn)象。LCD1602顯示器可進(jìn)行數(shù)字顯示，第一次檢測(cè)時(shí)，出現(xiàn)花屏現(xiàn)象，以為出現(xiàn)花屏是因?yàn)楹笠粋€(gè)數(shù)字的出現(xiàn)自動(dòng)替換了上一個(gè)出現(xiàn)的數(shù)字結(jié)果。通過二次檢測(cè)卻發(fā)現(xiàn)原因并不在此處，當(dāng)顯示的字庫中的內(nèi)容后沒有進(jìn)行清屏處理時(shí)，顯示器繪圖內(nèi)容就會(huì)出現(xiàn)重疊導(dǎo)致花屏的現(xiàn)象。通過查找液晶手冊(cè)發(fā)現(xiàn)，字庫顯示和繪圖顯示的方式不一樣，后面對(duì)程序上進(jìn)行修改在操作字庫顯示時(shí)就對(duì)繪圖顯示進(jìn)行先清除，反過來一樣，重新下載程序后就沒出現(xiàn)花屏的現(xiàn)象。(3)矩陣鍵盤的按鍵讀取方法有了，在程序上需要將讀取的每一個(gè)鍵值對(duì)應(yīng)到每一個(gè)按鍵上并賦予特定的功能，如果直接進(jìn)行人工計(jì)算鍵值的話顯得工作量會(huì)比較大，并且可能