基于单片机的智能数字电子秤设计

本科毕业论文（设计）

论文（设计）题目： 基于单片机的智能数字电子秤设计

学 院： 明德学院 专 业： 电子信息工程 班 级： 机 自05151 学 号： 0515174118 学生姓名： 刘小海 指导教师： 王 许

2009年6月

贵州大学本科毕业论文（设计）

诚信责任书

本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、

数据、观点等，均已明确注明出处。

特此声明。

论文（设计）作者签名：

日 期： 2009年6月

目录

摘要 .................................................................. III

Abstract ................................................................ IV 第一章 绪 论 .................................................. 1

1.1 称重技术和衡器的发展 ............................................. 1 1.2 电子秤的发展现状和发展趋势 ....................................... 2 1.3 项目研究意义 ..................................................... 4 第二章 电子秤的硬件构成 ................................................. 6

2.1 电子秤的构成 .................................................... 6 2.2 称重传感器 ...................................................... 6

2.2.1 称重传感器选用时需考虑的问题 .............................. 7 2.2.2 称重传感器的基本结构 ...................................... 9 2.3 应变式传感器 .................................................... 11

2.3.1 弹性元件 ................................................. 11 2.3.2 应变胶 ................................................... 12 2.3.3 应变片 ................................................... 13 2.3.4 应变式称重传感器的各种补偿 ............................... 14 2.4 单片机系统 ...................................................... 16 2.5 电路设计 ........................................................ 18

2.5.1 称重传感器的供桥电源 ..................................... 18 2.5.2 电子秤的调零电路 ......................................... 20 2.5.3 电子秤的数据采集、处理部分 ............................... 20 2.5.4 键盘/开关输入电路 ........................................ 25 2.5.5 LCD显示器 ................................................ 26 2.5.6 打印部分 ................................................. 28 2.5.7 掉电保护和检测电路、报警电路 ............................. 29

第三章 仪器软件设计 .................................................... 31

I

3.1 仪器主程序 ....................................................... 31 3.2 中断服务程序 ..................................................... 32 第四章 仪器的误差及误差分配 ........................................... 33

4.1 仪器的误差来源 ................................................... 33

4.1.1 称重传感器的误差 ........................................... 33 4.1.2 电子设备的误差 ............................................ 33 4.1.3 机械承重系统的误差 ......................................... 34 4.2 仪器误差分配 .................................................... 35 4.3 仪器误差的计算方法 .............................................. 35 结论 .................................................................... 37 参考文献 ................................................................ 38 致谢 .................................................................... 39 附录 .................................................................... 40

II

基于单片机的智能数字电子秤设计

摘要

现代社会的发展，对称重技术提出了更高的要求。目前，台式电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍，但存在较大的局限性：体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。现有的便携秤为杆秤或弹簧压缩、拉伸变形来实现计量的弹簧秤，居民用户使用的是国家已经明令淘汰的杆秤。多年来，人们一直期待测量准确、携带方便、价格低廉的智能电子秤投放市场。

本文设计了一种智能电子秤，论述了仪器的工作原理，介绍了仪器的误差来源于误差分配，给出了仪器电路设计与软件流程。

智能电子秤主要由电源、称重传感器、A/D转换器、单片机、键盘/开关、LCD显示器等部分组成。主要技术指标为：称量范围0～15kg；分度值为0.005kg；精度等级Ⅲ级。仪器主要功能有自检、去皮、计价、单价设定、过载报警等。仪器若不进行称量操作，5分钟后自动进入休眠模式，降低电源消耗。

智能电子秤体积小、计量准确、携带方便、操作简单、称量速度快，并集质量称量功能与价格计算功能于一体，能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求，具有广阔的应用前景。

关键词：智能电子秤， 称重传感器， A/D转换器， 8051单片机， 误差分析, 软件

设计

III

A design of the intelligence electronic scales of

micro-controller

Abstract

The development of the modern society has put forward higher request on weighing technology. Currently, the desk-top electronic scales have been great application in commercial trade, but they have many shortcomings such as large volume, high cost, not inconvenience to carry and AC supply power, so they are restricted to use. The usual portable scales are lever scales which are mostly used by residents and spring balance which measure through compression or drawing of spring. They are being rejected for their big measuring errors. People have been expecting cheap Intelligence electronic scales which can measure accurately and be carried conveniently for many years.

This text designs a kind of intelligence electronic scales. It discusses the instrumental working principle, and introduces its error sources and how to distribute the error. Give instrument electric circuit design and software process.

Intelligence electronic scales consist of power, and weighs to spread the machine, A/D conversion, keyboard/switch, list slice, LCD etc. Its technical indictors include : Measuring range from 0 to15 kg; Cent degree is 0.005 kg; Ⅲprecision. The instrument possesses many intelligence functions, such as shelling, overload alarm, unit price enactment, accumulation computation, self-calibrating and so on. For lowering power supply to consume, it can get into “sleep” automatically if the instrument is not measuring for 5 minutes.

The intelligence electronic scales can measure mass rapidly and accurately and communicate value. Furthermore, it is small, simply structured, easy to operate and convenient to carry. The instrument is able to meet the needs of commercial trade and residents, so its application has a bright future.

Keyword: Intelligence electronic scales， Weigh to spread a feeling machine，A/D

conversion， micro-controller 8051， Error margin analysis， Software design

IV

V

贵州大学本科毕业论文（设计） 第 1 页

第一章 绪 论

质量是测量领域中的一个重要参数,称重技术自古以来就被人们所重视?1?。公元前，人们为了对货物交换量进行估计，起初采用木材或陶土制作的容器对交换物进行计量，以后，又采用简单的秤来测定质量，据考证，世界上最古老的计量器具出土于中东和埃及，最古老的衡器和砝码出自于埃及。秤是最普遍、最普及的计量设备，电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。低成本、高智能化的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。

本章简述称重技术和衡器的发展过程，论述提出新型便携式电子秤的意义，介绍项目研究背景、关键技术等。

1.1 称重技术和衡器的发展

衡器是通过作用于被测量物体的重力来确定该物体质量的计量器具。在整个衡器的发展过程中，先后主要出现了六种类型的衡器：架盘天平、不等臂平台秤、吊车秤、倾斜象限杆秤、弹簧秤和自动秤。其中，不等臂平台秤（“十进秤”）是当今动态轨道衡的鼻祖，至今它仍是最通用的一种秤。

第一次世界大战后，由于贸易和工业发展的需要，急需能进行快速称重的衡器。机械式衡器在此期间得到很大的发展。当时以倾斜杠杆案秤占绝大多数，读数装置除扇形度盘外，还有滚筒形度盘，从而扩大了读数范围并可附加价格标尺。以后又出现了用于工业的带双摆锤测量机构的圆形度盘指针式秤和成本低廉、带投影标尺的倾斜式杠杆秤。

第二次世界大战后出现了电子衡器，它主要由称重显示控制器，称重传感器和电器控制等部分组成，其发展过程与其它事物一样，经历了由简单到复杂、由粗糙到精密、由机械到机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。二十世纪50年代中期，为了把衡器引入生产工艺过程中去，使称重过程自动化，电子技术渗入了衡器制造业。60年代初期，出现了称量工作是机械式的，与称量有关的显示、记录、远传式控制等功能是电子方式的衡器，即机电结合式电子衡器。近30年以来，工艺流程中的现场称量、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出电信号的电子衡器。这是因为电子衡器不仅能给出质量或重量值的信号，而且也能作为总系统中的一个单元

贵州大学本科毕业论文（设计） 第 2 页

承担着控制和检验功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。电子衡器具有反应速度快，测量范围广、应用面广、结构简单、使用操作方便、信号远传、便于计算机控制等特点，计量精度高，而且实现了多功能、多用途。

1.2电子秤的发展现状和发展趋势

一、发展现状

电子衡器已被广泛应用于各个行业，近年来愈来愈多地参与到数据处理和过程控制之中，使现代称重技术和数据系统成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可缺少的组成部分。

电子衡器种类繁多，且涉及到贸易结算和广大消费者的利益，所以为世界各国政府普遍关注和重视，并被确定为我国强制管理的法制计量器具。电子衡器是自动化称重控制和贸易计量的重要手段，对加强企业管理、严格生产、贸易结算，交通运输、港口计量和科学研究都起到了重要作用。

50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过40多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。我国电子衡器的技术装备和检测试验手段基本达到国际90年代中期的水平。电子衡器制造技术及应用得到了新发展。电子称重技术从静态称重向动态称重技术发展；计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。但就总体而言，我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。 二、发展趋势

电子秤是载于秤的台座，盘，钩上的物品的重量由传感器蠕变反应平衡，而由仪器数字显示的电子衡器。电子秤集机、电、仪于一体，具有多功能、高精度、快速和动态计量、稳定可靠等特征，代表了衡器产品发展的方向。电子秤属于日用衡器，为劳动密集型产品。

电子秤产品总的发展趋势是小型化，模块化，集成化，智能化；其技术性能趋向是速率高，准确度高，稳定性高，可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制

贵州大学本科毕业论文（设计） 第 3 页

信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合型?2?。

（1） 小型化

近几年新研制的电子平台秤结构充分体现了体积小、高度低、重量轻（即小、薄、轻）的发展方向。对于低容量的电子平台秤和电子轮轴秤，可采用将薄型或超薄型的圆形称重传感器，直接嵌入钢板或铝板底面与称重传感器外径相同的盲孔内，形成低外形的秤体结构，称重传感器的数量和位置由秤的额定载荷和力学要求计算决定。钢板或铝板就是秤体的台面，称重传感器既是传感元件，又是承力支点，极大地简化了秤体结构，减少了活动连接环节，不但降低了成本，而且提高了稳定性和可靠性。对中等或较大容量的电子平台秤、电子地上衡，已经出现了采用方形或者长方形闭合截面的薄壁型钢，并联排队列焊接成一个整体的竹排式的秤体，4个称重传感器分别安装在最外边两根薄壁型钢两端的切口内，安装在称重传感器承力点上的固定支承就是秤体的承力支点，既简化了承力传力机构，又节瘁了秤体高度，这是一种很有发展前途的秤体结构。对于大型电子平台秤，可利用有限元法进行等强度和刚度计算，采用抗弯刚度大的型材和轻型波纹夹心钢板等。

（2） 模块化

对于大型或超大型的承载结构，如大型静动态电子汽车衡等，已开始采用几种长度的标准结构的模块，经过分体组合，而产生新的品种和规格。以5、6、7m长的同宽度3种标准模块为例，由单块、二块、三块到四块分体组合，可以组合成长度为5～28m的22种规格的分体式秤体结构。当然在实际应用中，根据各行业用户的需要，选择其中10余种常用的标准规格即可。这种模块化的分体式秤体结构，不仅提高了产品的通用性、互换性和可用性，而且也大大的提高了生产效率和产品质量。同时还降低了成本，增强了企业的市场竞争能力。

（3）集成化

对于某些品种和结构的电子衡器，例如小型电子平台秤、专用秤、便携式静动态电子轮轴秤、静动态电子轨道衡等，都可以实现秤体与称重传感器，钢轨与称重传感器，轨道衡秤体与铁路线路一体化。

如秤体与称重传感器一体化的便携式静动态电子轮轴秤，多用硬铝合金厚板制成，其结构原理是经过固溶热处理强化的铝合金板，或通过在4个角上钻孔和铣槽分别形成4个悬臂梁型称重传感器；或在铝合金板的底面铣出多个对称的盲孔和盲槽形成整体剪

贵州大学本科毕业论文（设计） 第 14 页

基片，其厚度多在0.03～0.05mm之间。

箔式应变片和电阻丝应变片相比较，具有如下特点：

1）金属箔栅很薄。当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔材与粘接层的接触面积要比丝材大，使它能很好地和弹性体共同工作。其次，箔材的端部较宽，横向效应相应地较小，因而提高了应变测量精度。

2）箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大的电流，可以输出较强的电信号，从而提高测量灵敏度。

3）箔材的尺寸准确、均匀且能制成任意的形状。特别是为制造应变花和小标准应变片提供了可能，从而扩大了应变片的使用范围。

4）便于成批生产。

箔式应变片的缺点是生产工序比较复杂，引出线的焊点采用锡焊不适用于高温环境下测量，另外价格较丝式为贵。

3. 金属薄膜应变片

金属薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，最后再加上保护层，易实现工业化批量生产。它的优点是应变灵敏系数大，允许电流密度大，可在-197～317℃温度下工作。主要问题是，尚难控制其电阻与温度和时间的变化关系。

本项目选用金属箔式应变片，其粘贴位置如图2.2所示。

本项目要求称量范围为0～15kg，重量误差不大于 ±0.005kg ，考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定称重( 15kg)。在称量仪表允许的条件下，一般传感器选择量程为实际最大受载的2～2.5倍，所以我们选择的传感器量程为30kg ，精度为 0.01%，满量程时误差 0.003kg 。可以满足本系统的精度要求。通过综合分析，本项目最终确定采用金属箔应变式称重传感器，并且其弹性元件为S形双连孔结构，其原理如图2.3所示。 2.3.4 应变式称重传感器的各种补偿

电阻应变式称重传感器在将各应变片引线连接成桥路之后，虽然在输入端加上供桥电压，输出端就可得到反应重量大小的输出信号，但是由于传感器受到种种因素的影响，而会产生一系列误差。因此在实际使用之前，必须对传感器进行一系列补偿和调整工作。其中包括温度补偿、灵敏系数调整、非线性误差补偿等。经补偿和调整后的传感器性能

贵州大学本科毕业论文（设计） 第 15 页

指标都会大大提高，并能使有关参数满足标准化要求，便于使用和更换?7?。

R1+ΔR1R2-ΔR2U0R3-ΔR3R4+ΔR4U

2 .3 应变式称重传感器的原理图

1. 非线性补偿

从理论计算或实际测定表明，传感器的输出电压U0与所加载荷W并不绝对成线性关系。引起传感器非线性输出的主要原因有：电桥的非线性误差；弹性元件在受载后其横截面积会有微小变化，引起应力和应变量的改变，造成应变与载荷之间非线性；弹性元件本身的非线性和应变片本身的线性等。但是只要设计合理，传感器的输出可以达到很好的线性关系，因此在一般情况下该项补偿可不必做。

2. 温度补偿

为了提高电桥灵敏度或进行温度补偿，往往采用四臂差动电桥，如图2.3所示。设初始时R1?R2?R3?R4?RU?U,?R1?RR??R2??R3??R4??R ,则输出电压为

0 （2-1）

又

式（2-2）中

S?R?S?R （2-2）

——应变片的灵敏度系数；（一般在1.7～3.6之间，本文取S=2）；

?——应变片的纵向应变；

贵州大学本科毕业论文（设计） 第 16 页

R——应变片的电阻（多选用120Ω）；

?WAE ?式（2-3）中

（2-3）

?mgW——被称量物品的重量；（W——弹性体面积； ——弹性体的弹性模量；

）

AE由式（2-1）、（2-2）、（2-3）得

U0?USWAEUWAE （2-4） （S=2）

UAE

?2弹性体、电源确定后，为常数，令

UAE=K，则U0?2KW，传感器的输出电压

与被称量物品的重量成定比关系。

2.4 单片机系统

单片机与一般的微型机相比，具有以下特点?8?： 1）集成度高、体积小

在一块芯片上集成了构成一台微型计算机所需的CPU、ROM、RAM、I/O接口以及定时器/计数器等部件，能满足很多应用领域对硬件的功能要求，因而由单片机组成的应用系统结构简单，体积特别小。

2）面向控制、功能强

单片机面向控制，它的实时控制功能特别强，CPU可以直接对I/O接口进行各种操作，能针对性的完成从简单到复杂的各类控制任务。

3）抗干扰能力强

单片机内CPU访问存储器、I/O接口的信息传输线（总线）大多数在芯片内部，因而不易受外界的干扰，另外由于单片机体积小，适应温度范围宽，在应用环境比较差的情况下，容易采取对系统进行电磁屏蔽等措施，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，所以单片机应用系统的可靠性比一般的微机系统高得多。

4）使用方便

由于单片机内部功能强，系统扩展方便，因此应用系统的硬件设计非常简单，再加上国内外提供了多种多样的单片机开发工具，它们具有很强的软件调试功能和辅助设计

贵州大学本科毕业论文（设计） 第 17 页

的手段，这样使单片机的应用极为方便，大大的缩短了系统研制的周期，还可方便的实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。

5）性能价格比高

由于单片机功能强、价格便宜，其应用系统的印板小，接插件少，安装调试简单等一系列原因，使单片机应用系统的性能价格比高于一般的微机系统。

6）容易产品化

单片机上述特性，缩短了单片机应用系统自样机至正式产品的过渡过程，使科研成果迅速转化为生产力。

8位单片机由于其功能强、品种多，被广泛应用于各个领域。随着价格的不断下降，估计今后几年内8位单片机仍活跃在单片机的舞台上。

使用单片机可靠、经济，现已广泛应用于国民经济的各个领域，对各个行业的技术改造和产品的更新换代起到重要的推动作用。

单片机广泛用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，提高它们的测量速度和测量精度，加强控制功能，简化仪器仪表的硬件结构，便于使用、维修和改进。用单片机改造原有的测量、控制仪表，能促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化和柔性化发展，如温度、压力、流量、浓度显示和控制仪表等。通过采用单片机软件编程技术，使长期以来测量仪表中存在的误差修正、线性化处理等难题迎刃而解。目前国内外均把单片机在仪表中的应用看作是仪器仪表产品更新换代的标志。单片机在仪器仪表中的应用非常广泛，例如，数字温度控制仪、智能流量计、红外线气体分析仪、氧气分析仪、激光测距仪、各种医疗器械、数字万能表、智能电度表、各种电子秤、皮带秤以及转速表等。不仅如此，在许多传感器中，也装有单片机，形成所谓智能传感器，用来对各种被测参数进行现场处理。

MCS-51系列单片机的应用技术比较成熟，应用领域也很宽。该系列中的8051在我国被当作单片机的代表，8031是无ROM的8051，而8751则是用EPROM代替ROM的8051。

8051内部主要包括CPU、存储器结构和并行I/O接口、串行I/O接口、定时器/计数器、中断控制及复位等基本功能电路。

8051单片机的基本特性如下： （1） 具有8位的中央处理器（CPU）； （2） 芯片内有时钟发生电路；

贵州大学本科毕业论文（设计） 第 18 页

（3） 具有4K ROM； （4） 具有128字节RAM

（5） 具有21个特殊功能的存储器； （6） 具有4个I/O端口、32根I/O线； （7） 可寻址64K外部数据存储器； （8） 可寻址64K字节外部程序存储器； （9） 具有两个16位定时/计数器； （10）可有5个中断源，配备2个优先级； （11）具有一个全双功能串行接口； （12）具有位寻址能力，适于逻辑运算。 8051的引脚排列如图2.4所示。

2.5 电路设计

硬件电路是决定仪器性能的重要因素。便携式智能仪器的硬件设计以轻巧、简单、低功耗、低成本为原则，尽量采用集成化芯片，减小电路规模。本节对便携式电子秤的电路设计进行介绍，并对几种主要单元电路分别进行详细论述。 2.5.1 称重传感器的供桥电源

传感器供桥电源的供电方式一般有直流供电和交流供电两种?7?。对于要求反应速度高的，如电子秤及轧制力测量仪等多选用直流供桥。

采用直流供桥的特点是：可以获得高稳定度的直流电源；当电桥的输出信号是直流时，则可以使用通用的直流测量和记录仪器对传感器的输出进行测量；对传感器至测量仪表的连接导线要求较低；电桥平衡电路比较简单等。其缺点是在信号的输送过程中容易引入工频干扰，而且所用放大器比较复杂。

直流电桥的优点是高稳定度的直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器及测量电路分布参数影响小，在测量中常用直流电桥。

传感器的供桥电源，必须具有较高的电压和频率稳定度，以及足够大的输出电流。可见电桥的输出电压除和电阻变化成正比外，同样还和供桥电压成正比。

供桥电压的稳定度应该根据传感器的精度而定，其基本误差的绝对值不超过传感器基本误差绝对值的1/5。

贵州大学本科毕业论文（设计） 第 19 页

vCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5p0.6p0.7EA/VDDALE/PROGP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5p1.6P1.7RST/VPDRxD P3.0TxD P3.1INT0 P3.2 INT1 P3.3T0 P3.4T1 P3.5WR P3.6RD P3.7XTAL2XTAL1Vss8051PSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0

图2.4 8051引脚排列

称重传感器的供桥电压值的选择?5?，一般是根据传感器产品说明书中推荐的电压值或不超过指定的某一电压范围作为传感器桥路的输入电压。对于电子秤来说，尽管不会因供桥电压超过推荐电压值而损坏传感器，但有可能使它的输出性能变坏。直接影响供桥电压提高的因素有：电阻应变片的形式、应变片的面积、应变片的电阻值、弹性元件材料、传感器散热能力以及环境温度等。一般是把传感器接通供桥电源之后一段时间内（如几分钟），达到热平衡这一指标作为依据；也有规定应变片的温度不超过某一规定值。从应变片的功耗和功率密度角度出发，通过计算求得的供桥电压值为：

U?2R?P'?F （2-5）

式中 R——应变片的电阻值（单位为欧姆，取R=120Ω）；

贵州大学本科毕业论文（设计） 第 20 页

P'——应变片箔栅上的功率密度（瓦/平方毫米）； F——应变片箔栅面积（平方毫米）。

上式中R、P'和F可根据传感器所用的应变片形式、电子秤的精度要求、弹性元件材料和散热条件好坏等因素在有关资料中查得。错误！未指定书签。 2.5.2 电子秤的调零电路

电子秤的调零电路?5?，是指用以抵消传感器的零点输出和秤体本身的自重而引起的传感器输出信号的一种调节电路。它通常是由高稳定的电阻、多圈线绕电位器和直流稳压源组成的电桥电路（如图2.5所示），称之为调零电桥，将其串接在输出和测量仪表之间。通过调节调零电桥内的可变电位器Rb，改变桥路不平衡输出电压U02，使之和传感器空载输出电压U01（包括电子秤本身皮重信号电压）大小相等、极性相反，这样就可以使电子秤在空载时总的输出电压U0为零。

简单的去皮重电路，是采用并联电阻法，即在称重传感器桥路的输入端跨接一电位器Rb，并通过其滑臂和电阻Ra与传感器桥路输出端的一端相连，如图2.6所示。这相当于在传感器桥路的两个相邻桥臂上并联两个不同阻值的电阻，适当调节电位器Rb滑臂位置，可使传感器空载输出为零。电阻Ra主要是为防止电位器Rb滑臂到两端点时将传感器桥臂的电阻应变片短路，同时亦用于控制调节量的大小，Ra愈小，电压调节量愈大。缺点是该电路接入后使电桥相邻两臂的等效电阻值下降，这将直接引起传感器系数的下降。这在一台电子秤使用多个传感器的情况下不宜采用，尤其是当去皮重调节量较大，称重精度又要求较高的场合用得较少。但这种调零电路的组成比较简单，不再需要独立的调零用直流电源。

2.5.3 电子秤的数据采集、处理部分 一、 放大器

由于传感器输出信号微弱，需经过放大处理，提高抗干扰能力，所以系统需采用放大器，本项目采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器INA101。

INA101是用于弱信号放大和通用数据采集系统的高精度单片仪用放大器?9?。该器件失调电压低，温度漂移小，输入阻抗高，最大值为

Ω，具有输入阻抗电路；非线性

误差最大仅为0.002%，最小可达0.001%；共模抑制比最高可达110dB（在50Hz时为106dB）；芯片设计引脚灵活。可广泛用于应变式称重传感器的信号放大、热电偶温度传

贵州大学本科毕业论文（设计） 第 21 页

感器的信号放大、微弱信号检测系统的信号放大、医用传感器发动机远距离传感器的信号放大等电路中。其基本接法如图2.7所示，增益G?1?40K?RG，通过改变 的大小

来改变放大器的增益。由于本项目选用的A/D转换芯片为ICL7135（ICL7135将在后面作介绍），它的模拟输入电压为0～±1.9999V，所以放大器的输出电压值应在0～±1.999V 之间。 二、 A/D转换器

由上面对传感器量程和精度的分析可知： A/D 转换器误差应在 0.03%以下 。 12 位 A/D 精度： 15Kg/4096=3.6g 14 位 A/D 精度： 15Kg/16384=0.92g

RbRa2U011U0=0U023

图2.5 调零电桥及其接法

1——称重传感器；2——调零电桥；3——测量仪表

考虑到其他部分所带来的干扰，12 位 A/D 无法满足系统精度要求。 所以我们需要选择 14位或者精度更高的A/D。

双积分型 A/D转换器精度高，但速度较慢(如：ICL7135)，具有精确的差分输入，

贵州大学本科毕业论文（设计） 第 22 页

输入阻抗高（大于

），可自动调零，超量程信号，全部输出与TTL电平兼容。

BACU0DRaRb

图2.6 并联电阻法

V0.1μRP 100KIN3451367INA1011410111221RGU0负载IN+0.1μV

图2.7 INA101的基本接法

贵州大学本科毕业论文（设计） 第 23 页

双积分型 A/D转换器具有很强的抗干扰能力?10?。对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50HZ的工频干扰抑制能力较强，对高于工频干扰（例如噪声电压）也有良好的滤波作用。只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。故而采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。

作为电子秤，系统对 A/D的转换速度要求并不高，精度上14位的AD足以满足要求。另外双积分型A/D转换器较强的抗干扰能力，和精确的差分输入，低廉的价格。综合的分析其优点和缺点，我们最终选择了ICL7135。

WRRDALEINT1P0.7P0.6TIWRRDALEPC0PC2PA7PA6PA5PA4+5V3B2B1BSEL3A2A1ASTD4D3D2 D1INTOUT0.47μAZ0.1μ100K100K8051P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0P2.0P2.7+5V1K10μ1KAD5AD4AD3AD2AD1AD0IO/MCE8155AD7AD6POLOVERBUFOUTUNDERD5B8B4B2ICL7135PA3PA2PA13Y2Y1Y100KINHI74LS157PA0TOUT-5V1V+5VINLO0.1μVXB1CLKINV-VREFV+AGNDCREF-1μCREF+5.1KR/HDGND+5VRESET 图2.8 ICL7135与8051单片机的接口电路

ICL7135是一种常用的4位半双积分型单片集成ADC芯片。其分辨率相当于14位二进制数；转换精度高，转换误差为1LSB；并且能在单极性参考电压下，对双极性的输入模拟电压进行A/D转换；模拟输入电压范围为0～±1.9999V。芯片采用了自动校

贵州大学本科毕业论文（设计） 第 24 页

零技术，可保证零点在常温下的长期稳定性；模拟输入可以是差动信号，输入阻抗极高。ICL7135转换结果输出是动态的，因此必须通过并行接口才能与单片机连接，接口电路如图2.8所示。

图中74LS157为4位2选1的数据多路开关，74LS157的SEL输入为低电平时，1A、2A、3A输入信息在1Y、2Y、3Y输出；SEL为高电平时，1B、2B、3B输入信息在1Y、2Y、3Y输出。因此，当7135的高位选通信号D5输出为高电平时，万位数据B1和极性、过量程、欠量程标志输入到8155的PA0～PA3，当D5为低电平时，7135的B8、B4、B2、B1输出低位的BCD码，此时BCD码数据线B8、B4、B2、B1输入到8155的PA3～PA0。

下面对ICL7135的部分引脚作简要说明：

IN+、IN-：模拟电压差分输入端。单端输入时，通常IN-与模拟地(AGND)连在一起。 VREF：基准电压端，其值为

12VIN，一般为1V。VREF的稳定性对A/D转换精度有很

大的影响，应当采用高精度稳压源。

INT、AZ、BUF：分别为积分电容器的输出端、自动校零端和缓冲放大器输出端。这三个端子用来外接积分电阻、电容以及校零电容。

CREF-、CREF+：基准电容端。电容值可取1μF。 CLK：时钟输入端。

R/H：启动A/D转换控制端。 BUSY：输出状态信号端。

ST：选通脉冲输出端。也可作为中断请求信号，向主机申请中断。

OVER：过量程标志输出端。 UNDER：欠量程标志输出端。 POL：极性输出端。

B8、B4、B2、B1：BCD码数据输出线，其中B8位最高位，B1为最低位。

D5、D4、D3、D2、D1：BCD码数据的位驱动信号输出端，分别选通万、千、百、十、个位。

8155的PA口工作于选通输入方式，ICL7135的数据输出选通脉冲线ST接到8155的PA口数据选通讯号线ASTB（PC2），8155PA口中断请求线AINTR（PC0）反向后接到

贵州大学本科毕业论文（设计） 第 25 页

8051的INT1。当ICL7135完成一次A/D转换以后，产生5个数据选通脉冲，分别将各位的BCD码结果和标志D1～D4打入8155的PA口，PA口接收到一个数据以后，中断标志线ANITR（PC0）升高，通过反向器使单片机8051外部中断1输入端INT1变为低电平，向CPU请求中断，CPU响应中断后，读取8155PA口的数据。 2.5.4 键盘/开关输入电路

键盘输入是实现电子秤人机交互的部分。Intel8279 是一种比较成熟的可编程键盘 、显示芯片，它能完成键盘输入和显示控制两项任务?10?。键盘部分提供的扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘连接，能对键盘不断扫描，自动消抖，自动识别出按下的键并给出编码，能对双键或n键同时按下实行保护。显示部分为发光二极管、荧光管及其他显示器提供了按肃穆方式工作的显示接口，它为显示器提供多路复用信号，可显示多达16位的字符或数字。8279芯片可以直接和单片机连接，使用它可简化系统的软件设计，提高CPU的工作效率，其与单片机8051的接口电路如图2.9所示。

8279的读写信号RD、WR，片选信号CS，复位信号RESET，同步时钟信号CLK以及数据总线D0～D7,能与CPU相应的管脚直接相连，C/D（A0）端用于区别数据总线上所传递的信息是数据或者是命令字。IRQ为中断请求端，通常在键盘有数据输入或传感器（通断）状态改变时产生中断请求信号。SL0～SL3是扫描信号输入线，RL0～RL7是回馈信号线。

键盘的行线接8279的RL0～RL3，SL0～SL2经74LS138译码，输出键盘的4条列线。在连接32键以内的简单键盘时，CNTL、SHIFT输入端可接地。

根据仪器要求的功能，设计了由16个按键（4×4矩阵键盘）组成的键盘输入电路。16个按键分别是数字键0～9、小数点键和5个功能键（去皮、清除/复位、累加、保持、Enter/校正）。16个按键按4行4列排列成4× 4矩阵键盘。

电子秤键盘操作的软件管理功能如下：

（1）称重过程。将被称物品放在秤台台面上，稳定后，被称物品重量称好，按“保持”键储存；取下被称物品，显示屏显示物品净重量数值并自动保持（一旦进入重量保持状态后，只有按“去皮”键才能退回到正常称重状态）。

称重前，若显示的值不为0.000，则按“去皮”键清除为0.000；若被称物品需用

贵州大学本科毕业论文（设计） 第 26 页

盛器装载，先将盛器放在秤台上，按“去皮”键，屏幕显示为0.000，然后装入被称物品进行称量。

在显示单价状态下，应先按“Enter”键，再按“去皮”键，才可以进入正常称重状态，不在显示单价状态下，直接按“去皮”键即可。

当重量显示超过最大称量值15kg时，发出报警。

（2）单价输入及清除。称重结束取下物品（已在重量保持状态下），再直接按数字键输入单价。单价清除按“清除”键。

（3）显示金额。当单价置入后，按“Enter”键，则显示本次称量的金额；若显示“E”表示超出计价范围。按“去皮”键，又可进行称量。

（4）金额累计。如果需要将几种金额累加就得使用“累加”键。在每次称完物品显示金额状态下，按“累加”键，就把该次金额累加到总额中去。若显示“E”，表示累计总额值超出计价范围。

（5）校正。按“校正”键，仪器进行非线性校正。

WRP2.7RDALEWRCSRDA0RL3RL2RL1RL0+5V74LS3738051P0.7P0.P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0INT1+5V74LS138CLKSL0DB7DB6SL1DB5SL2DB4DB3DB28279DB1RESETDB0IRQ1K10μ+5V1K

图2.9 单片机8051与8279的接口电路

2.5.5 LCD显示器

点阵式液晶显示模块能显示的字符多，并且还能显示汉字。由于本项目要求汉字显示，所以我们选择点阵式液晶显示。

EPSON公司生产的EA—D系列点阵式液晶显示模块是应用较多的一种点阵式液晶显示模块，它由TN型液晶显示器、CMOS驱动器和CMOS控制器组成，模块内集成

贵州大学本科毕业论文（设计） 第 27 页

有字符发生器和数据存储器，采用单一+5V电源供电。

为了与CMOS的液晶显示模块EA-D20040AR兼容，应在8051单片机的P0口与EA-D20040AR的数据线D0～D7之间加上一个总线驱动器74LS245。双向驱动器74LS245是常用的双向三态数据缓冲器。驱动方向由G、DIR两个控制端控制，G控制驱动器有效或高阻态，在G有效时，DIR控制驱动器的驱动方向，DIR=0时，驱动方向从B至A；DIR=1时，驱动方向为由A至B。8051单片机的读写线有2根，而EA-D20040AR只有一根读写线，因此两者之间有一个如图所示的转换电路。另外，EA-D20040AR的片选端是高电平有效，故从译码器输出的片选信号需经过一个反向器之后才能接到它的片选端上。EA-D20040AR与8051单片机的接口电路如图2.10所示。

74LS00RDWR74LS0474LS245PSEN＆RDGDIRGNDR/WA0~A7B0~B7P0.0~P0.7A0D0~D7EA-D20040ARRS805174LS373ALEG74LS04E显示模块

图2.10 液晶显示模块EA-D20040AR与单片机8051的接口

EA-D20040AR有14条引脚： VSS：地线输入端。

VDD：+5V电源输入端。

V0：液晶显示面板亮度调节，通过10～20KΩ的电阻接到+5V和地之间起调节亮度的作用。接法如图2.11所示。

RS：寄存器选择信号输入线，低电平选通指令寄存器，高电平选通数据寄存器。 R/W：读/写信号输入线，低电平为写入，高电平为读出。 E：片选信号输入线，高电平有效。

贵州大学本科毕业论文（设计） 第 28 页

D0～D7:数据总线，可以选择4位总线或8位总线操作，选择4位总线操作时使用D4～D7。

VDDEA-D20040AR+5VV0VSS10～20KGND

图2.11 亮度调节电路

2.5.6 打印部分

本项目选用可打印汉字的TPμP-40A。TPμP-40A可打印出8×240点阵的图形（汉字或图案）代码字符和点阵图形可在一行中混合打印。TPμP-40A是一种智能式打印机。它的内部输入电路中有锁存器，输出电路中有三态门控制，因此TPμP-40A既可以通过并行接口芯片与单片机连接，也可以直接与单片机连接。其与8051单片机的接口如图2.12所示。

WRP2.6TPμP-40ARD≥1≥1STB8051P0.7P0.P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0GNDBUSYDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0GND

图2.12 TPμP-40A与8051单片机的接口

图中8051的P2.7与WR相或之后作为TPμP-40A的选通信号STB，低电平选通。 TPμP-40A接口信号介绍：

DB0～DB7：单向数据线。由计算机输入打印机。

STB：数据选通信号。在此信号的上升沿时，数据线上的8位数据被打印机读入机

内锁存。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/as7g.html