基于单片机的数字电子秤设计

基于单片机的数字电子秤设计

摘 要

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随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，在本设计中将智能化、自动化、人性化用在了电子秤重的控制系统中。本系统主要由单片机来控制，测量物体重量部分由称重传感器及A/D转换器组成，加上显示单元，此电子秤俱备了功能多、性能价格比高、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。

本系统以AT89S52单片机为主控芯片，外围附以称重电路、显示电路、报警电路、键盘电路等构成智能称重系统电路板，从而实现自动称重系统的各种控制功能。可以说,此设计所完成的电子秤很大程度上满足了应用需求。

关键词：SP20C-G501；AT89S52；称重传感器；A/D转换器；LCD显示器

I

The electronic scale design based on microcontroller

Abstract

With the application of micro-electronics technology, tradition ponderation instrument used in market has been not satisfaction with hunman requirements already. In order to make up for the traditional apparatus shortcoming, we improve the apparatus's control system with intelligence and automation. This system is mainly controlled by microcontroller, the section of height measurement accomplish by supersonic sensor, the section of weight measurement accomplish by weight sensor and A/D transformer, this apparatus have many characteristic such as having more function, consume less energy, small and move easily, low price, measure precisely, the speed is quick, automatic work without people and so on.

The system is mainly controlled by the microcontroller AT89S52, the periphery is consist of the circuit of clock and calendar, the circuit of measure height and weight, the circuit of display and print, all of these comprise the circuit board of the intelligent apparatus of height and weight. It can achieve all function of the apparatus.

Keywords：SP20C-G501；AT89S52；ponderation –sensor；A / D converter；LCDDisplay

II

目 录

摘要 .................................................................................................................................................. I Abstract ......................................................................................................................................... II 1 绪论 ........................................................................................................................................... 1 1.1 称重技术的发展 ...................................................................................................................... 1 1.2 电子秤的工作原理 .................................................................................................................. 1 1.3 设计思路 .................................................................................................................................. 2 2 系统方案论证与选型 ............................................................................................................... 3 2.1 控制器部分 .............................................................................................................................. 3 2.2 数据采集部分 .......................................................................................................................... 4 2.2.1 传感器的选择 ....................................................................................................................... 4 2.2.2 放大电路选择 ....................................................................................................................... 5 2.2.3 A/D转换器的选择 ................................................................................................................ 8 2.2.4 键盘处理部分方案论证 ....................................................................................................... 9 2.3 显示电路部分的选择 ............................................................................................................ 10 2.4 超量程报警部分选择 ............................................................................................................ 10 3 硬件电路设计 ......................................................................................................................... 10 3.1 单片机芯片AT89S52介绍 ................................................................................................... 11 3.1.1 AT89S52引脚图 .................................................................................................................. 11 3.1.2 单片机管脚说明 ................................................................................................................. 12 3.2 电源电路设计 ........................................................................................................................ 14 3.3 数据采集部分电路设计 ........................................................................................................ 14 3.3.1 传感器和其外围以及放大电路设计 ................................................................................. 14 3.3.2 A/D转换芯片与AT89S52单片接口电路设计 ................................................................. 16 3.3.3 测量算法 ............................................................................................................................. 17 3.4 显示电路与AT89S52单片机接口电路设计 ....................................................................... 18 3.5 键盘电路与AT89S52单片机接口电路设计 ....................................................................... 19 3.6 报警电路的设计 .................................................................................................................... 21 4 系统软件设计 ......................................................................................................................... 23

III

4.1主程序设计 ............................................................................................................................. 23 4.2 子程序设计 ............................................................................................................................ 24 4.2.1 A/D转换启动及数据读取程序设计 .................................................................................. 24 4.2.2 数制转换子程序设计 ......................................................................................................... 25 4.2.3 显示子程序设计 ................................................................................................................. 26 4.2.4 键盘扫描子程序的设计 ..................................................................................................... 27 4.2.5 报警子程序的设计 ............................................................................................................. 28 结论 ............................................................................................................................................... 30 致谢 ............................................................................................................................................... 31 参考文献 ....................................................................................................................................... 32 附录 ............................................................................................................................................... 33

IV

3 硬件电路设计

根据设计要求与设计思路，此电路由一块AT89S52、按键输入电路、时钟电路、复位电路、LCD显示段码驱动电路、LCD显示位码驱动电路、12位LCD显示器电路、蜂鸣器电路，硬件电路设计框图如图3-1所示。

16个按键输入电路 单 片 机 LCD显示器段码驱动电路 复位电路 10位LCD显示器电路 时钟电路 LCD显示器位蜂鸣器电码驱动电路

图3-1 硬件电路设计框图

在本系统中用于称量的主要器件是称重传感器（一次变换元件），称重传感器在受到压力或拉力时会产生电信号，受到不同压力或拉力是产生的电信号也随着变化，而且力与电信号的关系一般为线性关系。

由于称重传感器一般的输出范围为0～20mV，对A/D转换或单片机的工作参数来说不能使A/D转换和单片机正常工作，所以需要对输出的信号进行放大。由于传感器输出的为模拟信号，所以需要对其进行A/D转换为数字信号以便单片机接收。单片机根据称重传感器输出的电信号和速度传感器输出的速度信号计算出物体的重量。

在本系统中，硬件电路的构成主要有以下几部分： AT89C52的最小系统构成、电源电路、数据采集、人-机交换电路等。

3.1 单片机芯片AT89S52介绍

3.1.1 AT89S52引脚图

单片机采用MCS-51系列单片机。由ATMEL公司生产的AT89S52是一种低功耗、高性能

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CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。

AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，其引脚图如3-2所示。

图3-2 AT89S52引脚图

3.1.2 单片机管脚说明

VCC：供电电压。 GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址

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接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如表3-1所示：

P3口引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 表3-1 P3.0口引脚功能表

第二功能 RXD（串行口输入） TXD（串行口输出） INT0（外部中断0输入） INT1（外部中断1输入） T0（定时器0外部脉冲输入） T1（定时器1外部脉冲输入） WR（外部数据存储器写脉冲输出） RD（外部数据存储器读脉冲输出） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高

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电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。

3.2 电源电路设计

根据设计需要，本系统中需要设计两种不同级别的电源，即传感器需要+12V的电源，而系统其他芯片使用的是＋5V电源。考虑本次设计的实际要求，使系统稳定工作，提高产品的性价比，电源电路的 设计决定采用如下方案：220V的交流电经过变压器后输出15V的电压，经整流滤波电路后， 通过LM7812和LM7905进行DC/DC变换得到＋12V和+5V、-5V供器和系统的其他芯片使用。在变压器的原边加入熔断保护装置和MFC网络，使得系统获得的电源更稳定，效果更好，且电路短路时，熔断装置会迅速切断电源，保护其他电路元件不被损坏，供电电路如图附录2所示。

3.3 数据采集部分电路设计

数据采集部分电路包括传感器输出信号放大电路、A/D转换器与单片机接口电路。

3.3.1 传感器和其外围以及放大电路设计

传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确使用传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。因此传感器外围电路的抗干扰能力是数据采集部分电路设计的关键环节[10]。

传感器检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出，由于惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，又因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵消，所以在本设计中选用最终方案我们选择的是上海开沐自动化有限公司生产的NS-TH1系列称重传感器，额定载荷20Kg，该称重传感器均采用全桥式等臂电桥。

由于传感器输出的电压信号很小，是mV级的电压信号，因此为了提高系统的抗干扰能力，在传感器外围电路的设计过程中，增加了由普通运放设计的差动放大器增益调节电阻Rg选用10K 电阻，是为了满足系统抗干扰的要求而设计。

这是一个电阻应变片式称重传感器，将电阻应变片贴在金属的弹性体（即力敏感器）上，并连接成一差动全桥电路。电阻应变片实心轴沿轴向线应变为：

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?l实心轴沿圆周向线应变为：

??ll （3-1）

?r?金属材料的电阻相对变化公式为：

?rr （3-2）

?RdR????1?2????E???K?RR (3-3)

把3-1、3-1代入3-3可以得到其输出电压为：

U0?kU?1???F2AE (3-4)

其中F为压力（即重物重量）A为受力面积E为弹性材料的弹性模量。如果在电阻的两侧都加入应变片，则其输出为

U0?kU??kU6lFEb0h2 (3-5)

SP20C-G501的输出电压为1-5V相应压力为1-50KPa。供电电流变动会直接影响传感器的输出电压，因此希望电流变动要小。此外，增大或减小驱动电流可调整输出电压，但电流过小，输出电压降低同时抗噪声能力减弱；电流过大，会使传感器发热等，将对传感器特性影响加大。因此在电路中使用1mA的驱动电流。即使用的电流为1mA左右。电路中，采用通用运算放大器LM324，由稳态二极管VS提供2.5V的输出电压经电阻R2和R3分压得到基准电压，作为运放A1输入电压，并供给1mA的电流。传感器的驱动电流流过基准电阻R4，其上的压降等于输入电压。

R13和R14为失调电压的温度补偿电阻，阻值选择500k?-1.5M?。输入采用高输入阻抗的差动输入方式，再有差动放大器电路进行放大，输出1-5V的电压。RP2用于调整电路输入的灵敏度，RP1用于失调电压的调整，调整时，压力为0KPa时输出电压为1V，调整RP1，当压力为达到20Kg的力时，输出电压为5V即可。

而有式(3-5)得三运放放大电路的输出信号与输入信号的关系式为：

R4?2R2???U1?U2?U0???1??R3?R1??通过上式可以看出，放大系数为

(3-6)

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CLR P3.6;开第三位显示;第四位位显示 MOV A,D_BIT ;取第四位数

MOVC A,@A+DPTR ;查第四位数的7段代码 SETB P3.3

MOV P1,A ;送出第四位的7段代码 LCALL delay8ms ;显示8ms CLR P3.3;开第四位显示 RET 测量界面子程序

Celiangjieguo: LCALL CLEAR_GLCD ; 清除LCD显示屏幕 MOV ADDR1,#00H MOV N1,#08H

MOV DPTR,#DHTABLE1 CALL DHZ MOV ADDR1,#10H MOV N1,#08H

MOV DPTR,#DHTABLE2 CALL DHZ MOV ADDR1,#08H MOV N1,#08H

MOV DPTR,#DHTABLE3 CALL DHZ MOV ADDR1,#18H MOV N1,#08H

MOV DPTR,#DHTABLE4 CALL DHZ END

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