1、多功能电子计价秤设计制作报告作品名称： 多功能数字电子计价秤E题 系 别： 队员姓名： 多功能数字电子计价秤摘 要本文设计一种利用电阻应变式压力传感器和MCS-51单片机等器件制作的多功能数字电子计价秤。该秤可以对15Kg量程范围内的物体进行称量，能实现称重、数码显示、计价等功能。该电子秤利用电桥测量原理，将压力应变传感器阻值转换为电压值，仪器放大器将电压放大，通过确定输出电压和标准重量的关系，形成一台原始电子秤。将此输出电压经过模数转换，送入MCS-51单片机处理，控制LCD12864液晶显示称量结果。拓展部分制作了一个双输出5伏和12伏电源的电源，和利用始终芯片设计了一个高精度的实时时钟。
2、关键字：电子秤 应变式压力传感器 电源 单片机一、引言随着科技的发展，检测技术已经深入各种领域。本题目要求制作一多功能数字电子计价秤。要求满足如下功能：（1）能用键盘设置单价，称重后能同时显示重量、单价和总额；电子计价秤的最大称重为15.000公斤，重量误差不大于0.1；（2）具有数码显示，显示重量、单价、总额等信息。a.重量显示为5位数码，单位为公斤，最大重量显示值为99.999公斤；b.单价金额显示为5位数码，单位为元，最大单价金额显示值值为999.99元；c.总价金额显示为6位数码，单位为元，最大总价金额显示值值为9999.99元，总价金额误差不大于0.01元；（3）具有实时时钟显示并具
3、有掉电保护，可显示日历时钟（年、月、日、时、分、秒）；（4）扩展高精度A/D转换器，提高电子计价秤测量精度，测量误差不大于0.01；（5）能预存10种商品的单价；可以随意调出使用。系统框图如下图1所示：图1 多功能数字电子计价秤系统框图二、方案设计1.设计思路要实现电子计价秤需要选择合适的传感器，传感器精度越高，转换的模拟电压稳定性要求越高，再由放大器放大成满足A/D转换的电压，将转换后的数字量传至单片机控制显示。2.方案论证与选择（1）系统方案论证与选择通过以上分析，拟定以下两种方案：方案一：采用ATmega16单片机作为系统主控制器。Atmel公司的ATmega16单片机具有先进的RISC
4、(精简指令集计算机)结构、非易失性程序和数据存储器，16 kB可编程Flash存储器、512 B的EEPROM和1 kB片内SRAM，具有丰富的外设接口，其USART(通用同步和异步接收器和转发器)是一个高度灵活的串行通信设备，SPI(串行外设接口)允许ATmega16与外设或其他AVR器件进行高速的同步数据传输。内部集成高精度10位A/D转换器。系统原理框图如下图2所示：图2 方案一原理框图方案二：采用STC89C52RC单片机作为系统主控制器。STC89C52RC单片机是一种低功耗,高性能的CMOS8位微控制器，内置8KB可在线编程闪存。片内程序存储器允许重复在线编程，允许程序存储器在系统
5、内通过SPI串行口改写或用同用的非易失性存储器改写。通过把通用的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上，STC89C52RC便成为一个高效的微型计算机。系统原理框图如下图3所示：图3 方案二原理框图方案一主控制系统内部集成了A/D转换器，可以节省外部器件，简化外部电路，但是MEGA16单片机价格较贵，运用技术不够成熟。方案二STC89C52RC单片机的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低。它需要外接A/D转换电路，相对比较复杂，但是成本低。综合比较，考虑到成本和设计需要，因此采用方案二。（2）传感器的论证与选择方案一：采用双孔悬壁梁式（电阻应变式）称重传感器。孔悬臂梁式
6、称重传感器是电子计价秤中广泛使用的传感器。这种传感器的弹性体具有上下两个平行梁，它的最大特点就是具有抗偏载的力学特性。它的称量范围为300g至数千kg，计量准确度达1/10001/10000，结构较简单，可靠性较好。方案二：采用电磁力式传感器。它利用承重台上的负荷与电磁力相平衡的原理工作。当承重台上放有被测物时，杠杆的一端向上倾斜;光电件检测出倾斜度信号，经放大后流入线圈，产生电磁力，使杠杆恢复至平衡状态。对产生电磁平衡力的电流进行数字转换，即可确定被测物质量。电磁力式传感器准确度高，可达1/20001/60000，但称量范围仅在几十毫克至10千克之间。综合比较两种传感器的结构、力学特性和称重
7、范围等，采用方案一。（3）显示器的论证与选择方案一：采用七段数码管显示。数码管，显示大亮度高，驱动部份的软件简单，但是耗电和功耗比较大。题目要求最高显示6位数码，对数码管而言硬件电路较复杂，还要显示万年历，因此数码管不适合完成此功能。方案二：采用LCD12864液晶显示。12864是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器及12864全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示84个(1616点阵)汉字。具有很好的人机界面。方案三：采用LCD320*240液晶显示。该液晶屏具有更大的显示界面，可以实现多层次显示，更具人性化。综合比较，考虑到需显示的量比较多，因此同时采用方案二。1
8、2864显示时间和时钟同时显示单价，重量，总价等。3.系统硬件电路设计（1）电阻应变式传感器电路电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。由电阻应变片和测量线路两部分组成，其主要参数如附录1所示。电阻应变片产生的误差，主要来源于温度的影响，本设计主要在实验室内进行，温度的影响可不考虑。内部丝绕式应变片结构图如下图4所示：当贴有电阻应变片的弹性平衡梁受到载荷作用时，电阻应变片1和3受到拉伸作用，阻值增加；2和4受到压缩作用，阻值减小，电桥失去平衡，产生的不平衡电压 的大小与所受作用力成正比。电桥的输出电压反映了电阻应变片相应的受力状态。电桥电路如图5所示。电桥
9、电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4 中，电阻的相对变化率分别为R1/ R1、R2/ R2、R3/ R3、R4/ R4 ，当使用一个应变片时，；当二个应变片组成差动状态工作，则有；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1= R2= R3= R4=R，。当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高，比电桥的输出电阻大很多，因此可以把电桥输出端看成是开路。应变电桥电路如下图6所示：图6 电桥应变电路原理图若电桥不平衡时，即R1R3R2R4时，电桥输出：恰好选择各桥臂电阻，可消除电桥的恒定输出，使输出电压只与应变片
10、输出有关。令R1=R2,R3=R4,在应变片工作时，其电阻R1变化R,此时电桥的灵敏度为：ku=U/4电压输出为: UO=(U/4)(R1/R1)。（2）仪器放大器称重传感器输出信号比较微弱，故不能直接对其进行AD转换，需要在AD转换之前对该信号进行放大【1】，我们这里采用AD620单片仪器放大器【2】。AD620 为一个低成本, 高精度的单片仪器放大器，尽管AD620 由传统的三运算放大器发展而成, 但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计, 如电源范围宽(2. 3 18 V ) , 设计体积小, 功耗非常低(最大供电电流仅1. 3 mA ) , 因而适用于低电压、低功耗的应用
11、场合。如下图7所示为AD620与电桥的连接。图7 AD620与电桥的连接（3）A/D转换器 A/D转换的作用是进行模数转换，把接收到的模拟信号转换成数字信号输出。题目要求称重数值位数为5位，因此对A/D转换器的精度要求非常高，结合价格等因素来看，我们选用ADC0809芯片。A/D转换器的位数确定与整个测量控制系统所需测量控制的范围和精度有关，系统精度涉及的环节很多，包括传感器的变换精度，信号预处理电路精度A/D转换器以及输出电路等。A/D转换器的原理图如附录2所示。（4）实时时钟由于要求电子秤具有实时时钟显示且具有掉电保护，所以我们选用DS12C887芯片，DS12C887芯片采用CMOS技术
12、制成，具有内部晶振和时钟芯片备份锂电池，同时它与计算机常用的时钟芯片MC146818和DS12887管脚兼容，可直接替换。采用DS12C887芯片设计的始终电路无需任何外围电路和器件，并且有良好的微机接口。DS12C887芯片内有微功耗，外围接口简单，精度高，工作稳定可靠等优点，广泛使用于各种需要较高精度的实时时钟系统中。下图8为DS12C887与单片机的接口。图8 DS12C887与单片机的接口（5）按键/显示模块在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如附录3所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端
13、口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。 显示采用LCD12864并行方式。带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示
14、84行1616点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。它们与单片机的连接图如附录4所示。（6）电源模块电源模块我们做的是双输出5伏和12伏电源。电源电路原理图如附录5所示，三端稳压芯片LM317起稳压作用，3300uf电解电容、470uf和0.33uf瓷片电容起滤除纹波作用，输出5伏电压供给单片机，输出12伏电压给其他模块。4系统程序设计以STC89C52RC单片机为主控制器，完成传感器检测数据的处理、键盘操作处理和显示处理。
15、传感器输出模拟电压放大后经ADC0809单片机进行A/D转换器转换成数字量，通过UART串口通讯传至STC89C52RC单片机进行处理。系统硬件设计图如下图9所示：图9 系统硬件设计图 五、总结这几天通过对电子秤的设计过程，我们对学校的校训有了更深刻的理解，我们不但要善思更应该要致用所学的知识，要将书上的知识应用到实践之中。在这个设计过程中我们遇到了一些困难，但是解决这些困难无疑也对我们的专业知识和专业技能提高了不少，在我们调试成功的时候也是对我们自己的肯定。这次的电子设计大赛不仅增强了自己在专业方面的信心，更是一次兴趣的培养，为我们以后的学习明确了重点。另外，在这次实验中我们遇到了不少的问题
16、，针对不同的问题我们采取不同的解决方法，有利用网上的资源，有利用书本上的知识，也有问学长最终解决了设计中的问题。我觉得我们能够顺利的完成此次设计的关键是我们的团队合作，当然知识的储备也是不能忽略的。六、参考文献【1】郁有文,常健,程继红.传感器原理及工程应用（第二版）.西安. 西安电子科技大学出版社.2004【2】康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）.北京.高等教育出版社.2005【3】洪志刚.传感器原理及应用.北京.高等教育出版社.2007【4】张洪润,张亚凡单片机原理及应用北京清华大学出版社2005【5】赵亮，侯国锐. 单片机C语言编程与实例,北京人民邮电出版社2003附录附录1：电阻应变式传感器有关参数产品类型CB004 系列结构特点铝合金应用领域定量包装秤和配料秤等功能特点体积小，质量轻，精度高额定载荷0100Kg附录2：A/D转换器的内部结构图附录3：按键电路原理图附录4：LCD12864屏与单片机的连接图附录5：电源电路原理图
