多功能智能數(shù)字電子計(jì)價(jià)秤制作報(bào)告

本系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89S52為控制核心，實(shí)現(xiàn)電子秤的基本控制功能。系統(tǒng)的硬件部分包括最小系統(tǒng)板，數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互界面大部分。最小系統(tǒng)部分主要是擴(kuò)展了外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)采集部分山稱重傳感器、信號(hào)的前級(jí)放大A/D轉(zhuǎn)換部分組成。人機(jī)界面部分為鍵盤(pán)輸入，128x64 點(diǎn)陣式液品顯示，可以直觀的顯示中文，使用方便。

軟件部分應(yīng)用單片機(jī)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的全部控制功能，包括基本的稱重功能，和發(fā)揮部分能預(yù)存10種商品的單價(jià)，可以隨意調(diào)出使用的功能�？梢燥@示期和時(shí)間，由于系統(tǒng)資源豐富，還可以方便的擴(kuò)展其應(yīng)用。

目錄

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)多功能電子計(jì)價(jià)秤。

（1）能用鍵盤(pán)設(shè)置單價(jià)，稱重后能同時(shí)顯示重量、單價(jià)和總額；

（2）電子計(jì)價(jià)秤：最大稱重為15.000公斤，重量誤差不大于±0.1％；

（3）具有數(shù)碼顯示，顯示重量、單價(jià)、總額等信息。

a.重量顯示為5位數(shù)碼，單位為公斤，最大重量顯示值為99.999公斤；

b.單價(jià)金額顯示為5位數(shù)碼，單位為元，最大單價(jià)金額顯示值值為999.99元；

c.總價(jià)金額顯示為6位數(shù)碼，單位為元，最大總價(jià)金額顯示值值為9999.99元，總價(jià)金額誤差不大于0.01元；

（1）具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示并具有掉電保護(hù)，可顯示日歷時(shí)鐘（年、月、日、時(shí)、分、秒）；

（2）擴(kuò)展高精度A/D轉(zhuǎn)換器，提高電子計(jì)價(jià)秤測(cè)量精度，測(cè)量誤差不大于±0.01％；

（3）能預(yù)存10種商品的單價(jià)；可以隨意調(diào)出使用。

（4）其他

通過(guò)以上分析，擬定以下兩種方案：

方案一：采用ATmega16單片機(jī)作為系統(tǒng)主控制器。Atmel公司的ATmega16單片機(jī)具有先進(jìn)的RISC(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))結(jié)構(gòu)、非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，16 kB可編程Flash存儲(chǔ)器、512 B的EEPROM和1 kB片內(nèi)SRAM，具有豐富的外設(shè)接口，其USART(通用同步和異步接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器)是一個(gè)高度靈活的串行通信設(shè)備，SPI(串行外設(shè)接口)允許ATmega16與外設(shè)或其他AVR器件進(jìn)行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。內(nèi)部集成高精度10位A/D轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

方案二：采用AT89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)主控制器。AT89S52單片機(jī)是一種低功耗高性能的CMOS8位微控制器，內(nèi)置8KB可在線編程閃存。片內(nèi)程序存儲(chǔ)器允許重復(fù)在線編程，允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)內(nèi)通過(guò)SPI串行口改寫(xiě)或用同用的非易失性存儲(chǔ)器改寫(xiě)。通過(guò)把通用的8位CPU與可在線下載的Flash集成在一個(gè)芯片上，AT89S52便成為一個(gè)高效的微型計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

方案一主控制系統(tǒng)內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，可以節(jié)省外部器件，簡(jiǎn)化外部電路，但是MEGA16單片機(jī)價(jià)格較貴，運(yùn)用技術(shù)不夠成熟。方案二AT89S52單片機(jī)的應(yīng)用范圍廣，可用于解決復(fù)雜的控制問(wèn)題，且成本較低。它需要外接A/D轉(zhuǎn)換電路，相對(duì)比較復(fù)雜，但是成本低。綜合比較，考慮到成本和設(shè)計(jì)需要，10位A/D能夠滿足題目需求，因此采用方案二。

本系統(tǒng)基于51系列單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橄到y(tǒng)需要大量的控制液晶顯示和鍵盤(pán)。不宜采用大規(guī)�？删幊踢壿嬈骷�來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外系統(tǒng)沒(méi)有其他高標(biāo)準(zhǔn)的要求最終選擇了AT89S52通用的比較普通的單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。內(nèi)部帶有8kb的程序存儲(chǔ)器，在外面拓展了32kb數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以滿足系統(tǒng)要求。

方案一：采用雙孔懸壁梁式（電阻應(yīng)變式）稱重傳感器�？讘冶哿菏椒Q重傳感器是電子計(jì)價(jià)秤中廣泛使用的傳感器。這種傳感器的彈性體具有上下兩個(gè)平行梁，它的最大特點(diǎn)就是具有抗偏載的力學(xué)特性。它的稱量范圍為300g至數(shù)千kg，  計(jì)量準(zhǔn)確度達(dá)1/1000～1/10000，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，可靠性較好。

方案二：采用電磁力式傳感器。它利用承重臺(tái)上的負(fù)荷與電磁力相平衡的原理工作。當(dāng)承重臺(tái)上放有被測(cè)物時(shí)，杠桿的一端向上傾斜;光電件檢測(cè)出傾斜度信號(hào)，經(jīng)放大后流入線圈，產(chǎn)生電磁力，使杠桿恢復(fù)至平衡狀態(tài)。對(duì)產(chǎn)生電磁平衡力的電流進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，即可確定被測(cè)物質(zhì)量。電磁力式傳感器準(zhǔn)確度高，可達(dá)1/2000～1/60000，但稱量范圍僅在幾十毫克至10千克之間。

綜合比較兩種傳感器的結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性和稱重范圍等，采用方案一。

壓力傳感器輸出的的電壓信號(hào)為毫伏級(jí)，所以對(duì)運(yùn)算放大器要求很高，我們有以下幾種方案：

方案一：采用普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大器。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。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(cè)量精度。所以此方案不宜采用。

方案二：由高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成差動(dòng)放大器。差動(dòng)放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，可以利用普通運(yùn)放做成一個(gè)差動(dòng)放大器，如圖2.2.3.1

電阻R1、R2電容C1、C2、C3、C4用于濾除前級(jí)的噪聲，C1、C2為普通小電容，可以濾除高頻干擾，C3、C4為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。

優(yōu)點(diǎn)：輸入級(jí)加入射隨放大器，增大了輸入阻抗，中間級(jí)為差動(dòng)放大電路，滑動(dòng)變阻器R6可以調(diào)節(jié)輸出零點(diǎn)，最后一級(jí)可以可以用于微調(diào)放大倍數(shù)，使輸出滿足滿量程要求。輸出級(jí)為反向放大器，所以輸出電阻不是很大，比較符合要求。

缺點(diǎn)：電路要求R3、R4相等，誤差將會(huì)影響輸出精度，難度較大。實(shí)際測(cè)量，每一級(jí)運(yùn)放都會(huì)引入較大噪聲。對(duì)精度影響較大。

結(jié)合本題對(duì)精度的要求，我們采用方案二。

方案一：采用七段數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管，顯示大亮度高，驅(qū)動(dòng)部份的軟件簡(jiǎn)單，但是耗電和功耗比較大。題目要求最高顯示6位數(shù)碼，對(duì)數(shù)碼管而言硬件電路較復(fù)雜，還要顯示萬(wàn)年歷，因此數(shù)碼管不適合完成此功能。

方案二：采用LCD12864液晶顯示。12864是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器,它主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及128×64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成�？赏瓿蓤D形顯示，也可以顯示8×4個(gè)(16×16點(diǎn)陣)漢字。具有很好的人機(jī)界面。

方案三：采用LCD320*240液晶顯示。該液晶屏具有更大的顯示界面，可以實(shí)現(xiàn)多層次顯示，更具人性化。

綜合比較，考慮到需顯示的量比較多，因此同時(shí)采用方案二和方案三。12864主要顯示時(shí)間和時(shí)鐘，320*240大屏顯示重量?jī)r(jià)格、菜單等。

由上面對(duì)傳感器量程和精度的分析可知：A/D轉(zhuǎn)換器誤差應(yīng)在15g以下，對(duì)于80kg的量程，只有14位的A/D轉(zhuǎn)換器能夠完成。

14位A/D精度：80kg/16384=4.89kg；

選用HX711，24 位 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片，顯然可以完成任務(wù)。

STC89C51是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有4K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C51在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

主要功能列舉 ：

1、擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash

2、晶片內(nèi)部具時(shí)鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 12MHz）

3、內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ROM）為 4KB

4、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）為 256字節(jié)

5、32 個(gè)可編程I/O 口線

6、8 個(gè)中斷向量源

• 兩個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器
• 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器
  

9、全雙工UART串行通道

10、低功耗空閑和掉電模式

11、掉電后中斷可喚醒

12、看門(mén)狗定時(shí)器

13、雙數(shù)據(jù)指針

14、掉電標(biāo)識(shí)符

外形如圖8所示：

本系統(tǒng)采用平行梁稱重傳感器。實(shí)驗(yàn)電子秤、郵政電子秤、廚房電子秤等一般選用雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式稱重傳感器。它的特點(diǎn)是: 精度高、易加工、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、抗偏載能力強(qiáng)、固有頻率高。外形如圖5所示。

稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線組等組成，內(nèi)部電路采用惠更斯電橋。當(dāng)彈性體（彈性元件、敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，是粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，他的阻值將發(fā)生變化（增大或減小）經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電壓或電流），再經(jīng)放大電路將電信號(hào)傳遞給處理器。

電阻應(yīng)變式傳感器是將被測(cè)量的力，通過(guò)它產(chǎn)生的金屬?gòu)椥宰冃无D(zhuǎn)換成電阻變化的元件。由電阻應(yīng)變片和測(cè)量線路兩部分組成，其主要參數(shù)如附錄1所示。電阻應(yīng)變片產(chǎn)生的誤差，主要來(lái)源于溫度的影響，本設(shè)計(jì)主要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，溫度的影響可不考慮。

當(dāng)貼有電阻應(yīng)變片的彈性平衡梁受到載荷Ｆ作用時(shí)，電阻應(yīng)變片Ｒ1和Ｒ3受到拉伸作用，阻值增加；Ｒ2和Ｒ4受到壓縮作用，阻值減小，電橋失去平衡，產(chǎn)生的不平衡電壓Ｕ的大小與所受作用力Ｆ成正比。電橋的輸出電壓反映了電阻應(yīng)變片相應(yīng)的受力狀態(tài)。電橋電路如圖6所示。

電橋電路是最常用的非電量電測(cè)電路中的一種，當(dāng)電橋平衡時(shí)，橋路對(duì)臂電阻乘積相等，電橋輸出為零，在橋臂四個(gè)電阻R1、R2、R3、R4 中，電阻的相對(duì)變化率分別為△R1/ R1、△R2/ R2、△R3/ R3、△R4/R4,當(dāng)使用一個(gè)應(yīng)變片時(shí)，有；當(dāng)使用兩個(gè)應(yīng)變片時(shí)有；用四個(gè)應(yīng)變片組成2個(gè)差動(dòng)對(duì)工作。有，且R1=R2=R3=R4=R。當(dāng)電橋后面接放大器時(shí)，放大器的輸入阻抗都很高，比電橋的輸出電阻大很多，因此可以把電橋輸出端看成是開(kāi)路。若電橋不平衡，即R1R3≠R2R4時(shí)，電橋輸出：

平行梁式稱重傳感器使用時(shí)要按懸臂梁方式安裝，具體安裝方式可以參見(jiàn)圖7。傳感器的變形量是很微小的，在安裝、使用過(guò)程中要特別注意，不要超載。如果在外力撤除后不能恢復(fù)原形狀，發(fā)生塑性變形，則傳感器就損壞了。傳感器有四根線連接外電路，紅線為電源正極輸入，黑線為電源負(fù)極輸入，白線為信號(hào)輸出 1，藍(lán)（或綠）線為信號(hào)輸出 2。為保正精度，一般不要隨意調(diào)整線長(zhǎng)。

A/D轉(zhuǎn)換的目的是進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把接收的到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。題目要求稱重?cái)?shù)值位數(shù)為5位，因此對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的精度要求很高。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)確定與整個(gè)測(cè)量控制系統(tǒng)所需測(cè)量控制的范圍和精度有關(guān)，系統(tǒng)精度涉及的環(huán)節(jié)很多，包括傳感器的變換精度、信號(hào)預(yù)處理電路精度A/D轉(zhuǎn)換器以及輸出電路等。本系統(tǒng)采用HX711集成放大器及數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊。電路圖如附錄1，實(shí)物圖如附錄2所示。

HX711 采用了海芯科技集成電路專利技術(shù)，是一款專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的 24 位 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片。與同類(lèi)型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類(lèi)型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。

• 兩路可選擇差分輸入

• 片內(nèi)低噪聲可編程放大器，可選增益為32,64和128

• 片內(nèi)穩(wěn)壓電路可直接向外部傳感器和芯片內(nèi)A/D 轉(zhuǎn)換器提供電源

• 片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器無(wú)需任何外接器件，必要時(shí)也可使用外接晶振或時(shí)鐘

• 上電自動(dòng)復(fù)位電路

• 簡(jiǎn)單的數(shù)字控制和串口通訊：所有控制由管腳輸入，芯片內(nèi)寄存器無(wú)需編程

• 可選擇10Hz或80Hz的輸出數(shù)據(jù)速率

• 同步抑制50Hz和60Hz的電源干擾

• 耗電量（含穩(wěn)壓電源電路）：

典型工作電流：< 1.6mA, 斷電電流：< 1µA

•  工作電壓范圍：2.6 ~ 5.5V

•  工作溫度范圍：-40 ~ +85℃

•  16 管腳的 SOP-16 封裝

在鍵盤(pán)中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少I(mǎi)/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤(pán)中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接。這樣，一個(gè)端口（如P1口）就可以構(gòu)成4*4=16個(gè)按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤(pán)多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20鍵的鍵盤(pán)，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）。由此可見(jiàn)，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來(lái)做鍵盤(pán)是合理的。電路圖如附錄3。

液晶顯示模塊是128×64點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個(gè)中文漢字（16*16點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（8*16點(diǎn)陣）及64*256點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM）。可與CPU直接接口，提供兩種界面來(lái)連接微處理機(jī)：8-位并行及串行兩種連接方式。具有多種功能：光標(biāo)顯示、畫(huà)面移位、睡眠模式等。

點(diǎn)陣式液晶顯示模塊（LCD）廣泛應(yīng)用于單片機(jī)控制系統(tǒng)，比數(shù)碼管、段式液晶能模塊顯示更多、更直觀的信息。12864LCD屬于點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊，不但能顯示字符，還能顯示漢字和圖形，顯示面積大，數(shù)字和漢字顯示容易實(shí)現(xiàn)，程序要求不是很高，更加容易操作。點(diǎn)陣液晶顯示模塊集成度很高，一般都內(nèi)置控制芯片、行驅(qū)動(dòng)芯片和列驅(qū)動(dòng)芯片。

• HX711模塊程序；
• 單片機(jī)矩陣鍵盤(pán)輸入模塊程序；
• LCD12864顯示屏輸出重量、單價(jià)、金額。
  

本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)采用的是C語(yǔ)言。C語(yǔ)言是一種高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它提供了十分完備的規(guī)范化流程設(shè)計(jì)控制結(jié)構(gòu)。因此，采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)程序時(shí)，要盡可能的采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，這樣可使整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，易于調(diào)試和維護(hù)。