1、数字电子称沈阳工程学院毕业论文摘要 电子秤是科学研究、工业生产和人民生活必需的计量器具，设计智能化、高精度的电子秤具有较高的现实意义。随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。常规的仪器表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子仪器在功能、精度及自动化水平方面发生巨大变化。 总的设计流程是：传感器 放大电路 量程转换电路 A/D转换电路 LCD显示。工作流程说明：当物体放在秤盘上时，压力施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，同时使用激励电压发生变化，输出一个变化的模拟信号。该信号经放大电路放大输出到模
2、数转换器。转换成便于处理的数字信号输出到CPU运算控制。CPU根据键盘命令以及程序将这种结果输出到显示器。直至显示这种结果。做为重要测量仪器，智能电子秤在各行各业开始显示其测量准确，测量速度快，易于实时测量和监控的巨大优势，并开始逐渐取代传统的机械杠杆测量秤成为测量领域的主流产品。关键词 计量器具，智能化，传感器，A/D转换电路，LCD显示AbstractElectronic scales is scientific research, industrial production and peoples life necessary measuring instruments, intelli
3、gent design, high precision of the electronic scales has high practical significance.The rapid development of science and technology with The Times, microelectronics and computer and other modern electronic technology achievements to traditional electronic measurement and instrument brings the huge
4、impact and the revolutionary effects. The conventional instrument table and control device was more advanced intelligent instrument replaced, make the traditional electronic instrument in function, precision and automation level changed.Total design process is: sensor- amplifier circuit- range conve
5、rsion circuit- A/D converter circuit- LCD display. Working process description: when the object in ChengPan, heap pressure sensor, the sensor deform, so that the impedance change, at the same time, use inspire voltage change, a change to the output of the analog signals. This signal amplifier output
6、 by amplifying circuit to digital converter. Conversion to facilitate the processing of digital signal output to the CPU control operation. According to the keyboard commands and CPU program will this output to the display. The results showed that the till.As the important measurement instrument, in
7、telligent electronic scales in all walks of life began to show the measured accurately, measuring speed, easy to real time measurement and monitoring the huge advantage, and gradually began to replace the traditional mechanical lever measurement scales become the mainstream of the field measurement
8、products.Key Words Measuring instruments, sensor, A/D conversion circuit，LCD display 1 引言1.1称重技术和衡器的发展 城中技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相恋。电子称是电子衡器重的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防见识、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。称重装置不仅是提供重量数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成不服，
9、推进了工业生产的自动化和管理的现代化，它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。称重装置的应用已遍及到国民经济各领域，取得了显著地经济效益。因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。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多年的不断改善，我国电子衡器最初的机电结核性发展到现在的全电子型和数字智能型。现今电子衡器制造技术及应用得到了新发展；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。通过分析近年来电子和气产品的发展情况及国
10、内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、多模化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能。 1.2 电子称的组成1.2.1 电子称的基本结构 电子称是利用物体的重力作用来确定物体的质量（重量）的测量仪器，也可用来确定于质量相关的其他量大小、参数、或特性。不管根据什么原理制成的电子称均由以下三部分组成：1.承重、传力复位系统 2 . 称重传感器3.测试显示和数据输出的载荷测量装置1.2.2 电子秤的工作原理当被称物体放置在称体的称台上时，其重量便通过称体传递到称重传感器，传感器随之产生力电效应，将物体的
11、重量转换成一杯称物体重量成一定函数关系（一般成正比关系）的电信号（电压或电流等）。此信号由放大电路进行放大、滤波后在由模/数（A/D） 器进行转换，数字信号再送到微处理器的CPU处理，CPU不断扫描和各种功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、有仪表的软件开控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器重读出送到显示器显示，或送打印机打印。一般地信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。1.3 设计思路 目前，台式电子称在商业贸易中的使用已相当普遍，似存在较大的局限性：体积大、成本高、需要工领交流电源供应、携带不便、
12、应用场所受到制约。现有的便携秤为杆秤或以弹簧、拉伸变形来实现计量的弹簧秆，居民用户使用的基本是本杆秤。弹簧盘杆制造工艺要求较高，弹簧的疲劳问题无法彻底解决，一旦超过弹簧弹性限度，弹簧秤就会产生很大误差，以至损坏、影响到称重的准确性和可靠性，只是一种暂时的代用品也被列入逐渐取消的行列。 微控制器技术、传感器技术的发展和计算机技术的广泛应用，电子产品的更新速度达到了日新月异的地步。本系统在设计过程中，除了能实现系统的基本功能外，系统的微控制器部分选择了兼容性比较好的STC89C52系列单片机。在系统更新换代的时候，只需要增加很少的硬件电路，甚至仅仅删改系统控制程序就能够实现。另外由于实际应用当中，
13、称可以有一定量的过载，但不能超出要求的范围。 综上所述，本课题的主要设计思路是：利用压力传感器采集因压力变化产生的电压力信号，经过电压的放大电路放大，然后再经过模数转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机。单片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的重量总额，然后显示出来。此外，还可通过键盘设定所称物品的价格。 这种高精度智能电子称体积小、量程准确、携带方便，采集质量称量功能于一体，能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。2 整体方案设计整个电子秤电路由传感器、放大电路、A/D转换电路、89c52单片机、量程控制电路、键盘和显示电路等7部分组成。其功能是被测信号经放大整形后送入单片机，由单片
14、机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出被测物体的重量。单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点。但其缺点是外围电路比较复杂,编程复杂。整体框图如图2.1。 图2.1 方框图结合上面所讲，鉴于本电子秤的设计并不太复杂，单片机完全能实现所需功能，所以在具体设计时，采用了这种设计方案。3 硬件电路的设计数字电子秤采用STC89C52单片机作为微处理器，接口电路由晶振、LCD12864显示电路、4*4按键电路、CD4052B电路、报警电路等组成。3.1 传感器电路设计传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出
15、信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。现代科技的快速发展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理，而传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知获取与检测信息的窗口；传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号。因此，传感器的地位与作用特别重要。电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传
16、感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换为R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。下图为一直流供电的平衡电阻电桥，Ein接直流电源E：图3.1 传感器结构原理图应
17、变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。 应变片式传感器有如下特点：（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。（3）结构轻小，对试件影响小， 对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。 由于设计要求需要一电阻应变片为传感器，所以我选择的是PLD204D型电子称传感器，量程02000kg，精度为 0.5%，满量程时误差 0.05Kg，完全满足本系统的精度要求。表3.1 测力传感器PLD204D参数表测力传感器PL
18、D204D参数额定载荷（Emax）02000kg输出阻抗3505输出灵敏度1.55%mV/V绝缘电阻5000M/100DC综合误差0.051%F.S度补偿范围-1050非线性0.051%F.S工作温度范围-3565滞后0.051%F.S安全过载120%F.S重复性0.030.05%F.S极限过载200%F.S蠕变（30分钟）0.05%F.S推荐激励电压5-10V DC零点输出2%F.S最大激励电压15V DC零点温度漂移0.05%F.S/10防封等级IP67温度灵敏度漂移0.05%F.S/10电缆尺寸2.53000mm输入阻抗385103.2 放大电路及A/D转换电路设计 本次放大设计采用HX
19、711芯片，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器、低噪声可编程放大器。3.2.1 HX711芯片介绍HX711是一款专为高精度称重传感器而设计的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2
20、0mV或40mV。通道B则为固定的64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部件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。3.2.2 HX711引脚功能表3.2 HX711引脚功能管脚号名称性能描述1VSUP电源稳压电路供电电源：2.6-5.5V2BASE模拟输出稳压电路控制输出（不用稳压电路时为无连接）3AVDD电源模拟电源：2.6-5.5V4VFB模拟输入稳压电路控制输入（不用稳压电路时应接地）5AGND接地模拟接地6VBG模拟输出参考电源输入7INA模拟输入通道A负输入端
21、8INA+模拟输入通道A正输入端9INB模拟输入通道B负输入端10INB+模拟输入通道B正输入端11PD-SC数字输入断电控制（高电平有效）和窜口时钟输入12DOUT数字输出窜口数据输出13X0数字输入晶振输入（不用晶振时为无连接）14X1数字输入外部时钟或晶振输入，0：使用片内振荡器15RATE数字输入输出数据速率控制，0：10Hz；1：80Hz16DVDD电源数字电源：2.6-5.5V3.2.3 信号放大电路 放大器的输入信号一般是由传感器输出的。传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。因此，一般对放大器有如下一些要求： 1、输入阻抗应远大于信号源内阻。否则，放大器的负
22、载效应会使所测电压造成偏差。 2、抗共模电压干扰能力强。 3、在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。从而保证放大器输出性能稳定。 4、能附加一些适应特定要求的电路。如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。3.2.4 A/D转换电路 在A/D转换器中，输入的模拟信号在时间上是连续的，而输出的数字信号是离散量。所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间对模拟信号采样，然后再把该取样值用二进制数表示出来。由于将采样值再用二进制表示出来需要一定的时间，因此，采样后的模拟量还必须要保持、量化和编码等过程。所以，A/D转换过程一般要四步
23、：采样、保持、量化和编码。3.3 STC89C52RC单片机 STC89C52RC单片机是宏晶公司推出的一款完全兼容MCS51的单片机，单片机片内集成了8K的FLASH程序存储器，512字节的RAM数据存储器，至少1K的E2PROM，2个数据指针，1个UART，8个中断源，4个中断优先级，3个定时器。单片机可通过32个I/O口与外部电路连接。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。片上flash允许程序存储器在线可编程，也适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统上可编程闪烁存储单元，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供
24、灵活、有效的解决方案。 STC89C52具有以下标准功能：8K字节闪烁存储器，256字节读写存储器，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许读写存储器、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，读写存储器内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。3.3.1 STC89C52RC引脚功能 VCC：电源。GND：地。 P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/
25、O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在闪烁编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。 P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4
26、个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送“1”。在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在闪烁编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的
27、引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。RST：复位输入。当晶振工作时，RST引脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接Vcc。在闪烁编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。STC89C52引脚图如下：图3.2 STC89C52引脚图3.4 自动量程控制电路为了保证系统的测量精度, 常常需要设计量程转换功能。在自动量程转换电路中, 这里设计采用的方案是用微处理器
28、控制程控增益放大器。这种方法速度快、精度高,电路简单,判别和设置量程不会占用微处理器大量时间。3.4.1 CD4052B介绍CD4052B模拟多路器是数字控制的模拟开关,具有低导通阻抗以及低截止漏电流,模拟信号可以高至20V的峰峰值,通过数字控制来完成,这个数字信号可以从4. 5V到20V (如果Vdd - Vss =3V,那么Vdd - Vee直到13V都可以被控制,如果高于13V这个值,Vdd - Vss至少要4. 5V)例:如果Vdd = 4.5V,Vss =0V,Vee = - 13. 5V,那么从- 13. 5V到4. 5V的模拟信号都可以被0到5V的数字信号控制,当电源在最大的电压
29、范围供电,控制信号是独立的逻辑状态,电路的损耗是非常低。如果禁止输入信号引脚输入信号是逻辑1的话,所有通道关闭。CD4052的真值表和引脚图如表3.3和图3.3所示。表3.3 CD4052B真值表输入信号A1A00000x,0y0011x,1y0102x,2y0113x,3y1XXNone图3.3 CD4052B引脚图3.4.2自动控制量程工作过程将测量电压范围分为四个档位,通过模拟开关选择其中的一个输入端,选用差动4通道双向模拟开关CD4052B来实现,电源部分用正负电源供电。被测的电压通过电阻分压网络,将被测的电压进行初步采样,电压量程、分压系数和对应的输入电阻值如表3.3所示表3.3 电
30、压量程、分压系数与对应的输入电阻值 量程分压系数输入电阻0.0000.999V1大于10M1.0009.999V0.15MCD4052B是独立的四通道多路器,拥有两个二进制输入控制口A与B,还有禁止输入控制口,二进制输入控制信号选择四对通道中的一对,连通模拟信号输入与输出。当电路开始工作的时候,单片机将A1与A0置1,此时,CD4052B中,X3与COMX接通, COMY与Y3接通。被测量电压通过由四个电阻组成的分压网络,其中,在R4上的压降为被测电压的0. 0025倍, R4上的电压通过X3、COMX、R5,加在运算放大器U3A上,又因为U3A与R6、D1组成一个正向电压跟随器, (其中D1
31、作用为单向导通、使测量表笔极性接反时没有信号通过) ,信号到达U4A后,经过由于U4A、UAR1、(Y3 - COMY) 、R8构成了放大倍数接近1的同相放大器,加在MAX1292的0通道上。经过MAX1292采样,单片机的处理,如果信号幅值过小(小于0. 25V) ,则应把量程减小。依次判断调整量程。反过来,量程小的档要测量超出该量程的电压,则单片机要识别出来,并切换到量程较大的档。采用不等级分压系数可以有效提高精度。工作过程:当电路开始工作的时候,单片机将A1与A0置1,此时, CD4052B中, X3与COMX接通, COMY与Y3接通。被测量电压通过又四个电阻组成的分压网络,其中,在R24上的压降为被测电压的0. 0025倍, R24上的电压通过X3、COMX、R5,加在运算放大器U3A上,又因为U3A与R26、D1组成一个正向电压跟随器, (其中D1作用为单向导通、使测量表笔
