电子秤解决方案 -

单片机电子秤设计报告1、上电运行下载完成后程序自动运行，或重上电后程序正常运行，如图23所示。图23上电运行图2、键盘操作说明4*4矩阵键盘定义如下78910(清0)45611(删除)12312(未定义)14(未定义)015(.)13(确定价格)其中：键0—9为数字键，用于单价设定。键15为小数点，也用于单价设定。键10为清零键，每次测量之前，请先按清0键，以使重量和价格回零。键11为删除键，逐位删除敲错的单价。键13为单价确定键，按下该键则设定的单价有效，开始计算总价。3、常用使用步骤：打开电源，屏幕显示电子秤初始化成功，此时重量和单价为0，金额为空；通过数字键和小数点键键入单价，完成后按下单价确定键。在支架上放上待称重物体，液晶屏显示重量（单位为kg），单价（单位为元）和总金额（单位为元）。称重量程为0—10kg，单价设定范围为0.01元—9999.99元，总金额显示范围为0元—9999.99元。超过量程声光报警。一、功能描述1、采用高精度电阻应变式压力传感器，测量量程0-10kg，测量精度可达5g。2、采用电子秤专用模拟/数字（A/D）转换器芯片hx711对传感器信号进行调理转换，HX711采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。3、采用STC89C52单片机作为主控芯片，实现称重、计算价格等主控功能。4、采用128*64汉字液晶屏显示称重重量、单价、总价等信息。5、采用4*4矩阵键盘进行人机交互，键盘容量大，操作便捷。6、具有超量程报警功能，可以通过蜂鸣器和LED灯报警。7、系统通过USB电源供电，单片机程序也可通过USB线串行下载。二、硬件设计1、硬件方案单片机电子秤硬件方案如图1所示：24位A/D芯片hx711电路单片机主控芯片电源系统液晶显示矩阵键盘称重传感器图1单片机电子秤硬件方案称重传感器感应被测重力，输出微弱的毫伏级电压信号。该电压信号经过电子秤专用模拟/数字（A/D）转换器芯片hx711对传感器信号进行调理转换。HX711采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片，内置增益控制，精度高，性能稳定。HX711芯片通过2线串行方式与单片机通信。单片机读取被测数据，进行计算转换，再液晶屏上显示出来。矩阵键盘主要用于计算金额。当被测物体重量得到后，用户可以通过矩阵键盘输入单价，电子秤自动计算总金额并在液晶屏显示。电源系统给单片机、HX711电路及传感器供电。2、称重传感器传感器是测量机构最重要的部件。称重传感器本身具有单调性，其主要参数指标是灵敏度、总误差和温度漂移。(1)灵敏度称重传感器的电灵敏度为满负荷输出电压与激励电压的比值，典型值是2mV/V。当使用2mV/V灵敏度和5V激励电压的传感器时，其满度输出电压为10mV。通常，为了使用称重传感器线性度最好的一段称重范围，应当仅使用满度范围的三分之二。因此满度输出电压应当大约为6mV。当电子秤应用于工业环境时，在6mV满度范围内测量微小的信号变化并非易事。(2)总误差总误差是指输出误差和额定误差的比值。典型电子秤的总误差指标大约是0.02%，这一技术指标相当重要，它限制了使用理想信号调节电路所能达到的精确度，决定了ADC分辨率的选择以及放大电路和滤波器的设计。(3)漂移称重传感器也产生与时间相关的漂移。目前常用的称重传感器有电阻应变式压力传感器、电容压力传感器、压电式压力传感器。选用时应按稳定行、精度登记、寿命和安装环境要求考虑，其主要特点如下：(1)电容式压力传感器稳定性较差，精度和灵敏度较高，寿命较短，对环境要求苛刻，不易长距离传输。(2)压电式压力传感器稳定性好，精度和灵敏度高，寿命长，但大量程的压力传感器尚待进一步研究。(3)电阻应变式压力传感器稳定性较好，精度和灵敏度较高，寿命较长，对测量环境要求不太严格。综上所述，选用电阻应变式压力传感器作为电子秤称重传感器是最为合适的。电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片（转换元件）受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，供后续电路测量和处理。电阻应变式传感器测量原理如图2所示。图2电阻应变式传感器测量原理当垂直正压力P作用于梁上时，梁产生形变，电阻应变片R1、R3受压弯拉伸，阻值增加；R2、R4受压缩，阻值减小。电桥失去平衡，产生不平衡电压，不平衡电压与作用在传感器上的载菏P成正比，从而将非电量转化成电量输出。R1、R2、R3和R4组成惠更斯电桥，将2对电阻应变片的阻值变化转变成输出电压，其工作原理如图3所示。图3测量电桥原理3、电子秤专用24位AD转换芯片HX711及其电路HX711采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。通道B则为固定的32增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。HX711内部方框图如图4所示。其外部管脚如图5所示。图4HX711内部方框图图5HX711外部管脚图图5为HX711芯片应用于计价秤的一个参考电路图。该方案使用内部时钟振荡器(XI=0)，10Hz的输出数据速率(RATE=0)。电源（2.7～5.5V）直接取用与MCU芯片相同的供电电源。通道A与传感器相连，通道B通过片外分压电阻与电池相连，用于检测电池电压。图6HX711计价秤应用参考电路图本课题设计的HX711电路如图7所示：图7HX711电路4、单片机STC89C52及其电路(1)STC89C52单片机概述STC89C52系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍，内部集成MAX810专用复位电路。(2)STC89C52单片机特点增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；工作电压：5.5V-3.5V（5V单片机）；工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz；用户应用程序空间4K//8K/16k/32K/64K字节；片上集成1280字节RAM；通用I/O口（32/36个），复位后为准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）；ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器。每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA；可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；有EEPROM功能；看门狗；内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）；时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器；用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟；常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz～17MHz；共4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；外部中断I/O口4路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，PowerDown模式可由外部中断唤醒；通用全双工异步串行口(UART)；工作温度范围：-40~+85℃(工业级)/0~75℃(商业级)；封装：PDIP-40,PLCC-44。(3)STC89C52单片机管脚及封装STC89C52单片机有多种封装形式，本设计中选用40DIP封装，其管脚定义如图8所示。图8STC89C52管脚图本课题设计的电子秤的单片机应用电路如图9所示：图9STC89C52单片机电路图中DOUT和PDSCK为单片机与HX711的AD转换电路交换数据的通信线。beep为蜂鸣器报警信号线，alert为报警灯信号线，RXD和TXD为串口通信线，也可以用于单片机程序的串行ISP下载。5、液晶屏电路图10LCD显示电路液晶屏电路如图10所示。LCD_CS、LCD_RES、LCD_RS、LCD_SDA、LCD_SCK为液晶模块与单片机接口的控制线。CS_ZK、SCK_ZK、SO_ZK和SI_ZK为字库和单片机接口的控制线。该液晶为晶讯联公司的128*64汉字屏JLX12864G-086-PC显示信息。该显示模块既可以当成普通的图像型液晶显示模块使用（即显示普通图像型的单色图片功能），又含有JLX-GB2312字库IC，可以从字库IC中读出内置的字库的点阵数据写入到LCD驱动IC中，以达到显示汉字的目的。其接口引脚功能介绍：表一液晶模块接口引脚功能6、矩阵键盘电路矩阵键盘电路如图11所示：图11矩阵键盘电路图中4*4矩阵键盘可以显示0-9数字、小数点和五个功能键。键盘行扫描信号为ROW1—ROW4，列扫描信号为COL1—COL4。行信号为输入信号，低电平有效；列信号为输出信号。当没有键按下时，即使行扫描输入低电平信号，列信号仍为高电平；当行扫描为低电平并且有键按下时，相应的列输出低电平。该低电平信号可以定位至按下键的位置。7、声光报警电路声光报警电路如图12所示。图12声光报警电路当测量重量超过量程时，beep和alert给出低电平信号，驱动蜂鸣器鸣响，报警灯亮。8．电源电路本设计采用USB接口供电，电源电压5V。同时，USB接口通过内含PL2303芯片的转换电路对单片机进行程序编写。其电路原理如图所示。图16供电及程序下载电路三、Protel硬件开发软件Protel是目前国内最流行的通用EDA软件，它是将电路原理图设计、PCB板图设计、电路仿真和PLD设计等多个实用工具软件组合后构成的EDA工作平台，是第一个将EDA软件设计成基于Windows的普及型产品。它集成了软件界面、仿真功能和PLD设计和信号完整性分析，在此基础上Protel99SE又增加了一些新的功能，用户使用更加方便灵活。Protel的功能十分强大，在电子电路设计领域占有极其重要的地位。它以其强大功能和实用性，逐渐获得广大硬件设计人员的青睐，是目前众多EDA设计软件中用户最多的产品之一。1．Protel软件组成Protel软件主要由电路原理图设计模块、印制电路板设计模块（PCB设计模块）、电路信号仿真模块和PLD逻辑器件设计模块等组成，各模块具有强大的功能，可以很好的实现电路设计与分析。(1)原理图设计模块（Schematic模块）电路原理图是表示电气产品或电路工作原理的重要技术文件，电路原理图主要由代表各种电子器件的图形符号、线路和结点组成。图4.1所示为一张电路原理图。该原理图是由Schematic模块设计完成的。Schematic模块具有如下功能：丰富而灵活的编辑功能、在线库编辑及完善的库管理功能、强大的设计自动化功能、支持层次化设计功能等。(2)印制电路板设计模块（PCB设计模块）印制电路板（PCB）制板图是由电路原理图到制作电路板的桥梁。设计了电路原理图后，需要根据原理图生设计成印制电路板的制板图，然后在根据制板图制作具体的电路板。印制电路板设计模块具有如下主要功能和特点：可完成复杂印制电路板（PCB）的设计；方便而又灵活的编辑功能；