《基于單片機(jī)的多功能智能電子秤設(shè)計(jì)》11000字【論文】

基于單片機(jī)的多功能智能電子秤設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u42631.前言 281731.1稱重技術(shù)的發(fā)展 274321.2電子秤的工作原理 33531.3電子秤的設(shè)計(jì)思路 3276531.4研究的意義 494691.5本章小結(jié) 439982.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與論證 4201132.1數(shù)據(jù)采集模塊 5301902.2數(shù)據(jù)處理模塊 7233332.3單片機(jī)控制模塊 8277302.4鍵盤(pán)模塊 9180062.5顯示模塊 10129462.6報(bào)警模塊 1019122.7本章小結(jié) 10252563.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 10108863.1單片機(jī)芯片STC89C51介紹 11161013.2HX711模塊電路設(shè)計(jì) 16235283.3顯示電路與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì) 1865853.4鍵盤(pán)電路與STC89C51單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì) 1877083.5報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 20226393.6本章小結(jié) 20240914.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 21174874.1KEIL軟件介紹 21325084.2Proteus軟件介紹 21200454.3主程序設(shè)計(jì) 22196494.4A/D轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計(jì) 2432904.5本章小結(jié) 24225555.系統(tǒng)的調(diào)試與仿真 25230135.1系統(tǒng)效果圖 25223545.2本章小結(jié) 2836786.測(cè)試結(jié)果 29297486.1設(shè)計(jì)效果 2929576.2成本核算 2966106.3后期的工作 302797結(jié)論 301.前言1.1稱重技術(shù)的發(fā)展從遠(yuǎn)古時(shí)代開(kāi)始，稱量技術(shù)就被越來(lái)越多的人所關(guān)注，它在眾多方面都有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展，由于它對(duì)人們的重要性，故而稱重技術(shù)自然就得到了人們的極度重視。由于涉及到工，商，農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，所以在一定程度上，稱量技術(shù)的發(fā)展程度也促使著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。一戰(zhàn)以后，在當(dāng)時(shí)的社會(huì)背景下，人們需要一種更加簡(jiǎn)單便利精確衡器在日常生活中使用，故而在這段時(shí)間內(nèi)稱量技術(shù)發(fā)展的十分迅速。二戰(zhàn)以后，電子衡器的出現(xiàn)則又是稱量技術(shù)歷史上的一次大進(jìn)步，但是它的發(fā)展歷程也是十分艱辛，同樣也是經(jīng)過(guò)了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，粗陋到精細(xì)，單一再到多樣化，簡(jiǎn)單機(jī)械到智能電子化。它的作用趨向于“智能化”的稱量與測(cè)量信息的結(jié)合；它的應(yīng)用具有綜合和組合的特點(diǎn)。上世紀(jì)50年代中期，電子技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展對(duì)制衡行業(yè)起到了積極進(jìn)步的作用。從上個(gè)世紀(jì)60年代初開(kāi)始，機(jī)電電子秤開(kāi)始出現(xiàn)，在往后40余年的改進(jìn)和不斷完善中，從之前的簡(jiǎn)易的機(jī)電電子秤發(fā)展到后來(lái)的智能電子秤。1.2電子秤的工作原理當(dāng)將要計(jì)量的物品置于稱重桌上后,其稱重就會(huì)通過(guò)稱重臺(tái)傳給稱量感應(yīng)器,從而使該感測(cè)器產(chǎn)生一種力-電作用，把得到的該物體的重力信號(hào)轉(zhuǎn)化成為一種與該物體的重量呈某種聯(lián)系的電信號(hào)，一般情況下是成比例的電壓或者是電流。再對(duì)該信號(hào)放大濾波后發(fā)送給單片機(jī)的中央處理器，中央處理器會(huì)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行掃描處理，并對(duì)鍵盤(pán)的輸入信號(hào)和其他模塊的信息進(jìn)行整合，再通過(guò)軟件編程對(duì)其進(jìn)行各種計(jì)算和處理。然后把得到的結(jié)果數(shù)據(jù)傳送到存儲(chǔ)器，在需要顯示的時(shí)候，中央處理器會(huì)把命令從存儲(chǔ)器里讀出來(lái)，然后再把它在顯示器上顯示出來(lái)。而信號(hào)的放大以及濾波，數(shù)模變換，信號(hào)的各種運(yùn)算操作都是由編程來(lái)處理，芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1.3電子秤的設(shè)計(jì)思路臺(tái)式電子秤在人們生活中應(yīng)用的十分普遍，但是其體積大不易攜帶，不便捷，目前的便攜式稱重器為彈簧式或彈簧式彈簧秤，而居民用的是桿式稱重。由于彈簧盤(pán)秤的制作技術(shù)有很高的技術(shù)含量，它并不能解放彈簧受載的限制，當(dāng)其超出彈簧的極限時(shí)，它就不能準(zhǔn)確測(cè)出物體的重量，并且會(huì)對(duì)彈簧秤造成嚴(yán)重的損傷，進(jìn)而影響稱量的精準(zhǔn)度，只能作為臨時(shí)替代品，逐步淘汰。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，除了具備基本的功能外，還能與其它計(jì)算機(jī)或裝置（包括PC、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。此外，在真實(shí)使用中，能夠讓物體的重量達(dá)到一定的過(guò)載值，但不能超出一個(gè)設(shè)定的范圍，如果超出了這個(gè)范圍，我們?cè)O(shè)計(jì)了超載報(bào)警的功能。本文的一般基本思路是,首先將待測(cè)物置于秤盤(pán)中,由壓力感應(yīng)器將被測(cè)量物體的壓力信息轉(zhuǎn)換成對(duì)該物體電信號(hào),然后再由數(shù)模轉(zhuǎn)換器對(duì)信息加以放大濾波,此時(shí)由于輸出的都是數(shù)據(jù)信息,是無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯纹⑿陀?jì)算機(jī),于是就必須進(jìn)行AD變換,首先將數(shù)據(jù)信息變換成數(shù)字信息,然后再傳送給已進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的單片微型計(jì)算機(jī),由單片機(jī)算法得到結(jié)果,并通過(guò)顯示電路表示出來(lái)。另外，可以在鍵盤(pán)上進(jìn)行剝皮。其主要性能包括：重量范圍0-5公斤，分度值0.001公斤；5V直流電源。1.4研究的意義隨著時(shí)間的推移，社會(huì)的不斷發(fā)展變化，人們對(duì)稱量技術(shù)的技術(shù)要求也越來(lái)越高，尤其是在微處理器和傳感器技術(shù)在技術(shù)水平上面有著很大的發(fā)展。鑒于目前電子稱、便捷稱重的現(xiàn)狀與缺陷，研制小型、操作簡(jiǎn)捷，體積小，價(jià)格便宜的電子秤是人們關(guān)心的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。1.5本章小結(jié)本章內(nèi)容大致介紹了選題背景，隨著社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)水平不斷得提高，單片機(jī)技術(shù)和測(cè)控技術(shù)水平也在不斷提高，我們能夠?qū)崿F(xiàn)通過(guò)單片機(jī)控制設(shè)計(jì)的新型電子秤，在日常生活中方便人們的使用，然后說(shuō)明了其工作原理以及設(shè)計(jì)思路。最后，指出本文的研究意義，是為了實(shí)現(xiàn)更加智能，顯示簡(jiǎn)捷，使用方便的電子秤。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與論證本系統(tǒng)的總體方案將有幾個(gè)重要的部分組成1、對(duì)物體信息進(jìn)行采集的數(shù)據(jù)采集模塊2、對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)處理模塊3、核心的單片機(jī)模塊4、鍵盤(pán)輸入模塊5、用于顯示輸出結(jié)果的顯示模塊6、提示使用者過(guò)載的報(bào)警模塊。總體的思路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。圖1設(shè)計(jì)思路框圖該系統(tǒng)采用重量計(jì)對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而獲得較弱的電信號(hào)（這是一種電壓信號(hào)），再把該信號(hào)進(jìn)行放大轉(zhuǎn)化成可被單片機(jī)接受的數(shù)字信號(hào)，主控制器再把數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，讓其通過(guò)計(jì)算處理轉(zhuǎn)化成被測(cè)對(duì)象的真實(shí)重量，最后的結(jié)果能通過(guò)顯示模塊輸出顯示在液晶屏上。該控制器還能通過(guò)控制I/O口掃描鍵盤(pán)，來(lái)進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)的控制。標(biāo)定稱重，并按要求完成資料顯示。2.1數(shù)據(jù)采集模塊在整個(gè)電子秤中，數(shù)據(jù)采集主要依靠傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以選擇一個(gè)合適的傳感器對(duì)能否成功實(shí)現(xiàn)功能起到很大的作用，而它的性能的高低會(huì)直接影響到它的工作。隨著單片機(jī)技術(shù)的越來(lái)越成熟，人們對(duì)使用電子秤進(jìn)行重量測(cè)量的需求越來(lái)越大；電子稱重技術(shù)已從單一的計(jì)量功能擴(kuò)展到了生產(chǎn)、流程等過(guò)程控制，尤其是對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。電子秤是我國(guó)六大計(jì)量單位中的一種，主要用于電子秤。電子秤是電子秤的關(guān)鍵元件，它的特性對(duì)整個(gè)電子秤的整體性能有很大的影響。所以，它的工作性能或者說(shuō)它的品質(zhì)是決定整個(gè)重量控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。精確度、穩(wěn)定性、可靠性是衡量重量計(jì)性能的主要標(biāo)準(zhǔn)，也是使用者最為關(guān)注的問(wèn)題。在實(shí)際使用中，在不同的應(yīng)用情景之下，對(duì)傳感器的性能需求往往是不同的。而在選擇合適的傳感器時(shí)，不能只是關(guān)注其精度，而是要綜合考慮其性能，可靠性和環(huán)境適應(yīng)性也應(yīng)當(dāng)在我們的考慮范圍之內(nèi)，要保證其總體誤差的要求，在環(huán)境溫度波動(dòng)大的情況下，應(yīng)選用適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟龋员ＷC傳感器在環(huán)境中的工作狀態(tài)。壓力傳感器的類別多樣，常見(jiàn)的有以下幾種：1、壓阻式壓力傳感器壓阻傳感器也叫擴(kuò)散硅壓阻傳感器，它是由被測(cè)介質(zhì)的壓力直接施加在傳感器薄膜上（不銹鋼或陶瓷）上，從而引起薄膜的微小位移，從而改變傳感器的電阻值。2、陶瓷壓力傳感器壓力直接施加到陶瓷薄膜的正面，使得薄膜發(fā)生了細(xì)微的變形，而在陶瓷薄膜的后面，形成了惠斯通電橋（閉橋），電橋由于壓敏電阻器的壓阻效應(yīng)而生成一個(gè)與激勵(lì)電壓成比例的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)與該壓力成比例。電阻應(yīng)變式壓力傳感器當(dāng)力、轉(zhuǎn)矩、速度、加速度、流速等物理量施加到彈性元件上時(shí)，應(yīng)變片的應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)生改變，從而改變電阻應(yīng)變片的電阻。該工藝通常采用專用膠粘劑，使應(yīng)變片與力學(xué)應(yīng)力基質(zhì)緊密結(jié)合，在基材受到的力作用下，電阻應(yīng)變片也會(huì)發(fā)生變形，改變應(yīng)變片的阻值，從而影響到電阻器上的電壓。這些應(yīng)變計(jì)在受到壓力時(shí)所引起的電阻值的變化很小，而這些應(yīng)變儀一般都會(huì)組成電橋，然后經(jīng)過(guò)放大器放大，最后會(huì)整合到一個(gè)處理電路，實(shí)際應(yīng)用中包括數(shù)模轉(zhuǎn)換和中央處理器處理輸出信號(hào)。它的工作原理是使用粘合劑把電阻應(yīng)變片和金屬?gòu)椥栽Y(jié)合到一起，并讓它能夠發(fā)生變形，由電阻應(yīng)變片將其轉(zhuǎn)化為阻值的改變，由此得到被測(cè)力的量值。與其他類型的稱重儀相比，電阻-應(yīng)變式稱重儀具有以下優(yōu)勢(shì)：1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，容積小，可制造各種測(cè)量范圍的稱重傳感器；2.線性、重現(xiàn)性好、時(shí)滯小，現(xiàn)有的綜合精度為0.05~0.015%；3.工作穩(wěn)定、持久穩(wěn)定；4.能夠?qū)崿F(xiàn)拉、壓兩用，并且具有良好的拉伸和壓縮輸出特性；5.可互換，易于與電子儀器相匹配；6.使用壽命長(zhǎng)，易于維護(hù)和維護(hù)；7.具有良好的頻率響應(yīng)能力和動(dòng)態(tài)性能。通常，傳感器的測(cè)量距離與分布在各個(gè)傳感器上的負(fù)載越接近，測(cè)量精度也就越高。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，除了測(cè)量對(duì)象之外，還會(huì)有其他的干擾因素來(lái)影響測(cè)量的精確度，所以在選擇傳感器時(shí)必須考慮到多種可能的結(jié)果，以確保其使用壽命。該傳感器采用全橋電阻應(yīng)變傳感器，最大測(cè)距5Kg。該測(cè)力計(jì)是由組合S形梁結(jié)構(gòu)和金屬箔型應(yīng)變計(jì)組成，并帶有過(guò)載保護(hù)功能?；菟沟请姌蚓哂辛己玫臏y(cè)量精度、良好的溫度特性和穩(wěn)定的工作性能，因此，它被廣泛應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜態(tài)測(cè)量和一次測(cè)量。圖2稱重傳感器原理圖2.2數(shù)據(jù)處理模塊A/D變換是這個(gè)模塊的核心，現(xiàn)在市面上應(yīng)用的AD轉(zhuǎn)換器的類型很多，所以要選擇最適用的種類，常見(jiàn)的類型有以下幾種：并行比較ADC是目前最快的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它的取樣率超過(guò)1GSPS，一般被稱作“閃爍式”ADC。其主要部件包括電阻分壓器、比較器、緩沖器和編碼器。在此結(jié)構(gòu)下，ADC的全部比特的變換是同步的，主要是由比較器的切換速度、編碼器的發(fā)送延時(shí)等因素決定的。逐次逼近型AD由一個(gè)比較器和DA轉(zhuǎn)換器通過(guò)逐次比較邏輯構(gòu)成，從MSB開(kāi)始，順序地對(duì)每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點(diǎn)是速度較高、功耗低，在低分辨率（<12位）時(shí)價(jià)格便宜，但高精度（>12位）時(shí)價(jià)格很高積分型A/D轉(zhuǎn)換器：積分型ADC也被稱作“雙斜”或“多斜”ADC，同樣是普遍應(yīng)用的變換器。其基本原理是，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間或頻率，然后由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值，以達(dá)到A/D變換的目的。由于采用相同的時(shí)鐘產(chǎn)生器和計(jì)數(shù)器對(duì)積分型ADC進(jìn)行兩次積分，所得的公式不依賴于時(shí)鐘頻率，而其變換的準(zhǔn)確度僅依賴于基準(zhǔn)電壓VR。這但缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時(shí)間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。但高精度的雙積分AD芯片，價(jià)格較貴，增加了單片機(jī)系統(tǒng)的成本。由于AD轉(zhuǎn)換在設(shè)計(jì)中的重要性，所以不僅要考慮它的精確度，還有關(guān)注到其他的工作性能是否同樣適合。綜合考慮，采用HX711作為數(shù)據(jù)處理模塊的核心，不僅能高質(zhì)量完成所需功能，而且價(jià)格低，性價(jià)比高。2.3單片機(jī)控制模塊單片機(jī)與普通微型計(jì)算機(jī)的區(qū)別分別是：1、結(jié)構(gòu)不同。MCU是一種小型、完美的小型微機(jī)，它利用ULSI技術(shù)，將CPU、RAM、ROM和ROM等數(shù)據(jù)處理能力結(jié)合在一起。而微電腦則是一種小型的小型集成電路。該設(shè)備由單片機(jī)組成，內(nèi)部存儲(chǔ)、輸入、輸出接口、輔助電路等組成。2、特性不同。單片機(jī)的體積相對(duì)較小，而內(nèi)置的微處理器則是一種簡(jiǎn)單的微處理器，它具有很好的功能，并且具有很好的模塊化應(yīng)用，并且具有很高的集成性和可靠性。而微型計(jì)算機(jī)體積小，靈活性強(qiáng)，價(jià)格低廉，使用方便。將微電腦整合到一塊晶片上就是一臺(tái)單片微機(jī)。單片機(jī)的種類多樣，可供各不同情況下，擇優(yōu)選擇。MSP430單片機(jī)優(yōu)勢(shì)：運(yùn)算能力強(qiáng)，使用RISC簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)，可提供多種編址方法。在計(jì)算速度上，采用8MHz的晶體驅(qū)動(dòng)，可達(dá)到125ns的指令周期。從功率上來(lái)說(shuō)，它是非常低的。缺點(diǎn)：占用了很多指令，由于是16位單片機(jī)，用一個(gè)詞來(lái)計(jì)算程序，有些指令占用了6個(gè)字節(jié)。盡管程序看起來(lái)簡(jiǎn)單，但是相對(duì)于picMCU來(lái)說(shuō)，它的空間消耗很大。2、51單片機(jī)優(yōu)勢(shì)：功能齊全，操作方便。同時(shí)，在RAM中，還專門(mén)設(shè)置了兩種不同的地址間隔，使用起來(lái)十分靈活。乘法運(yùn)算和除法運(yùn)算，方便編程。缺點(diǎn)：如AD、EEPROM等需要依靠擴(kuò)充的功能，增加了軟硬件的負(fù)荷。盡管輸入/輸出插腳的用法很簡(jiǎn)單，但是在高電平的情況下不會(huì)有任何的輸出。51的防護(hù)性能不佳，很容易把晶片燒毀。經(jīng)過(guò)綜合考慮決定采用8051系列單片機(jī)來(lái)作為主控制器完成設(shè)計(jì)要求，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能完整，兼容性強(qiáng)，功耗低，價(jià)格便宜。8051內(nèi)部主要包括CPU、存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和并行I/O接口、串行I/O接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制及復(fù)位等基本功能電路。8051單片機(jī)的基本特性如下:(1)具有8位的中央處理器(CPU);(2)芯片內(nèi)有時(shí)鐘發(fā)生電路;(3)具有4KROM;(4)具有128字節(jié)RAM(5)具有21個(gè)特殊功能的存儲(chǔ)器;(6)具有4個(gè)I/O端口、32根I/O線;(7)可尋址64K外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器;(8)可尋址64K字節(jié)外部程序存儲(chǔ)器;(9)具有兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器;(10)可有5個(gè)中斷源,配備2個(gè)優(yōu)先級(jí);(11)具有一個(gè)全雙功能串行接口;(12)具有位尋址能力,適于邏輯運(yùn)算2.4鍵盤(pán)模塊獨(dú)立鍵是由輸入/輸出接口直接組成的單一按鍵電路，其特征是每一個(gè)鍵分別占用一條I/O口線，適用于八鍵以下；而矩陣鍵盤(pán)是由行線與列線構(gòu)成的，按鍵位于行與列線相交的位置，當(dāng)按鍵數(shù)目較多時(shí)，矩陣鍵盤(pán)的I/O端口比獨(dú)立按鍵要少得多，最適合需求在八個(gè)鍵位以上時(shí)。矩陣鍵盤(pán)實(shí)際上是利用8個(gè)IO口來(lái)對(duì)16個(gè)按鍵的進(jìn)行控制讀取，這樣的操作可以減小IO口的使用，而且利用這樣的方式能夠使得IO口的利用率得到有效的提高，從而解放單片機(jī)的資源。其實(shí)它的本質(zhì)和獨(dú)立按鍵類似，都是進(jìn)行逐行掃描和逐列掃描，然后再判分析是第幾行的第幾列個(gè)按鍵，進(jìn)而進(jìn)行整體按鍵值得確定。2.5顯示模塊數(shù)據(jù)顯示既是電子秤的基礎(chǔ)功能，卻也是極重要的功能，它是人機(jī)交互中的一個(gè)非常的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)微處理機(jī)對(duì)測(cè)量電路進(jìn)行處理后，能夠直觀地顯示數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)顯示方面，可以采用LED數(shù)字管顯示和LCD兩種方式。數(shù)字管按照段數(shù)可分為七段數(shù)字管和八段數(shù)字管，其中八段數(shù)字管的LED單元比七段數(shù)字管多一根（多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)）；根據(jù)“8”的數(shù)量，可以分為1、2、4位等等。綜合考慮液晶顯示采用lcd1602液晶屏，它是一種環(huán)保器件，它的工作電壓只有5伏，不僅功耗低，驅(qū)動(dòng)電壓也并不大，并且周期長(zhǎng)，非常適合本課題。2.6報(bào)警模塊一般電子儀器儀表都具有報(bào)警的功能，其目的主要是為了提醒使用者，當(dāng)測(cè)定的數(shù)值超過(guò)量程之后也就是系統(tǒng)規(guī)定的上限，那么就會(huì)發(fā)出提示。在此系統(tǒng)中，設(shè)定報(bào)警器的作用是在超過(guò)電稱的測(cè)量距離時(shí)，通過(guò)聲音和光亮報(bào)警，提醒使用者防止損壞儀器。該超限報(bào)警電路是利用單片機(jī)輸入端口和輸出端口進(jìn)行控制，在被測(cè)重物重量超出設(shè)計(jì)者規(guī)定的稱重范圍時(shí)，利用編寫(xiě)的程序?qū)纹瑱C(jī)輸入輸出信號(hào)調(diào)至高，三極管接通，并在報(bào)警燈D1點(diǎn)亮的情況下觸發(fā)蜂鳴器發(fā)住聲音。2.7本章小結(jié)本章節(jié)論述了組成設(shè)計(jì)的幾個(gè)主要模塊，以及各模塊中應(yīng)用的器件的優(yōu)缺點(diǎn)，和選擇這些器件的主要原因，在能完成所有功能的前提之下，要考慮使用元件的性價(jià)比，即考慮全設(shè)計(jì)的成本。3.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)由各個(gè)模塊組合而成，分別是1）單片機(jī)控制模塊2）AD數(shù)據(jù)采集模塊3)數(shù)據(jù)處理模塊4）鍵盤(pán)模塊5）顯示模塊6）報(bào)警模塊設(shè)計(jì)框圖如圖3-1所示。圖3-1硬件電路設(shè)計(jì)框圖在這個(gè)系統(tǒng)中，主要的稱重器是一個(gè)負(fù)載傳感器（一級(jí)轉(zhuǎn)換單元），當(dāng)受到一個(gè)負(fù)載或一個(gè)張力的時(shí)候，它會(huì)給出一個(gè)電信號(hào)，此信號(hào)會(huì)隨受力的大小發(fā)生相應(yīng)的變化，一般來(lái)說(shuō)，力的大小與對(duì)應(yīng)的信號(hào)成線性關(guān)系。因?yàn)橹亓總鞲衅魍ǔＴ?-20毫伏的范圍內(nèi)，并且由于其輸出的是模擬信號(hào)，必須要把模擬信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)CPU。由微處理器通過(guò)測(cè)重傳感器和測(cè)速傳感器的轉(zhuǎn)速來(lái)確定被測(cè)物的重量。3.1單片機(jī)芯片STC89C51介紹3.1.1STC89C51介紹STC系列單片機(jī)是美國(guó)STC公司最新推出的一種新型51內(nèi)核的單片機(jī)。片內(nèi)含有Flash程序存儲(chǔ)器、SRAM、UART、SPI、A\D、PWM等模塊。該器件的基本功能與普通的51單片機(jī)完全兼容。主要功能、性能參數(shù)1.內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)51內(nèi)核，機(jī)器周期：增強(qiáng)型為6時(shí)鐘，普通型為12時(shí)鐘;2.工作頻率范圍：0~40MHZ3.STC89C5xRC對(duì)應(yīng)Flash空間：4KB\8KB\15KB;4.內(nèi)部存儲(chǔ)器（RAM）：512B;5.定時(shí)器\計(jì)數(shù)器：3個(gè)16位；6.通用異步通信口（UART）1個(gè)；7.中斷源：8個(gè)；8..通用I\O口：32\36個(gè)；10.工作電壓：3.8~5.5V；11.外形封裝：40腳PDIP、44腳PLCC和PQFP等3.1.2STC89C51主要功能及PDIP封裝STC89C51主要功能如表1所示，其PDIP封裝如圖1所示。表1：STC89C51主要功能3.1.3STC89C51引腳介紹單片機(jī)的40個(gè)引腳大致可分為4類:電源、時(shí)鐘、控制和I/O引腳。1.電源:(1)VCC-芯片電源，接+5V;(2)VSS-接地端;.2.時(shí)鐘:XTAL1、XTAL2-晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。3.控制線（控制線共有4根）:(1)ALE/PROG:地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖(2)PSEN:外ROM讀選通信號(hào)。(3)RST/VPD:復(fù)位/備用電源。①RST(Reset)功能:復(fù)位信號(hào)輸入端。②VPD功能:在Vcc掉電情況下，接備用電源。(4)EAVVpp:內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源。①EA功能:內(nèi)外ROM選擇端。②Vpp功能:片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。4.I/O線89C51共有4個(gè)8位并行I/O端口:P0、P1、P2、P3口，共32個(gè)引腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號(hào)輸入輸出和控制信號(hào)(屬控制總線)。stc89c51引腳圖3.1.4單片機(jī)最小系統(tǒng)：在STC89C51微處理器RST管腳輸入高電平，并維持2個(gè)機(jī)械循環(huán)后，在單片機(jī)內(nèi)完成重置，重置的方法有兩種，分別是電平和脈沖。由此，通過(guò)RST端子與電源VCC接通來(lái)完成電平重置。最小系統(tǒng)如圖2所示。圖2單片機(jī)最小系統(tǒng)電路（1）內(nèi)部方式時(shí)鐘電路在8051的晶片里，有一臺(tái)高增益逆變器，輸入為XTAL1，輸出為XTAL2。在芯片的外部，有一個(gè)晶振和一個(gè)微調(diào)電容，構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。這是一個(gè)時(shí)鐘電路，如圖3-3所示。-通常，C1、C2為約30pF，該晶體的振動(dòng)頻率在1.2-12兆赫之間。隨著晶體振蕩的增加，時(shí)鐘頻率也會(huì)隨著振蕩的增加而提高。MCU的工作效率越高。在一般的應(yīng)用中，8051采用6MHz或12MHz的振蕩頻率。圖2-3時(shí)鐘振蕩電路（2）外部方式時(shí)鐘電路在需要多個(gè)單片機(jī)組成的系統(tǒng)中，為了讓它們的時(shí)鐘信號(hào)同步，必須給它們一個(gè)特殊的脈沖。此時(shí)，通過(guò)XTAL2管腳注入外部脈沖信號(hào)，其連接如圖3-4所示。（3）時(shí)序時(shí)序由時(shí)間單位表示。8051的時(shí)序時(shí)間單元由小至大依次為：節(jié)拍、狀態(tài)、機(jī)器周期和命令周期。它們之間的關(guān)系如下：1）一個(gè)振蕩脈沖的周期為節(jié)拍；2）一個(gè)狀態(tài)就包含兩個(gè)節(jié)拍；3）一個(gè)機(jī)器周期的寬度為6個(gè)狀態(tài)；4）一條指令周期由若干個(gè)機(jī)器周期組成。（4）單片機(jī)的復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位是將CPU及其它各部分置于預(yù)定的起始位置，然后從此位置開(kāi)始工作，當(dāng)復(fù)位后，PC=0000H，單片機(jī)就可以從一臺(tái)單片機(jī)獲取指令。單片機(jī)的復(fù)位要求：RST/VPD或RST管腳必須在連續(xù)兩個(gè)機(jī)械循環(huán)（即24個(gè)振動(dòng)循環(huán)）中加入高電平。如果具有12MHz的時(shí)鐘頻率和1微秒的機(jī)械周期，那么僅需要2微秒或更長(zhǎng)的時(shí)間，并且在RST管腳產(chǎn)生高電平之后的第2個(gè)機(jī)械循環(huán)中進(jìn)行重置。復(fù)位后，內(nèi)部各專用寄存器狀態(tài)如下:PC：0000HTMOD： 00HACC：00HTCON：00HB：00HTH0：00HPSW：00HTL0：00HSP：07HTH1：00HDPTR：0000HTL1：00HP0~P3：FFHSCON：00HIP：***00000BSBUF：不定IE：0**00000BPCON：0***0000其中，*表示無(wú)關(guān)位。注意：1）復(fù)位后PC值為0000H，表明復(fù)位后程序從0000H開(kāi)始執(zhí)行。2）SP值為07H，表明堆棧底部在07H。一般需重新設(shè)置SP值。3)P0至P3端口的數(shù)值是FFH（FFH）。P0~P3端口作為輸入端口，首先要寫(xiě)到“1”。復(fù)位后，單片機(jī)將P0~P3端口的每個(gè)端子設(shè)成“1”，作為輸入端口。3.2HX711模塊電路設(shè)計(jì)3.2.1HX711模塊介紹HX711是一款專為高精度稱重傳感器而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。 HX711管腳說(shuō)明如圖3所示：HX711管腳描述如表1所示：HX711在電子秤應(yīng)用中的典型電路如圖4所示：圖4HX711在電子秤應(yīng)用中的典型應(yīng)用方案圖3.3顯示電路與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)LCD1602LCD是一種應(yīng)用非常廣泛的數(shù)字LCD顯示組件。該系統(tǒng)包括：字符型LCD(LCD)，控制驅(qū)動(dòng)主電路HD44780和HD44100，以及少量的電阻、電容、以及其它的結(jié)構(gòu)部件。圖7液晶顯示電路設(shè)計(jì)圖3.4鍵盤(pán)電路與STC89C51單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)單片機(jī)的鍵盤(pán)輸入方式有兩種：一種是獨(dú)立式鍵盤(pán)，一種是矩陣式鍵盤(pán)。獨(dú)立式在每個(gè)輸入輸出端口上都有一個(gè)鍵，另一端連接電源或者接地（通常是在地面上），這樣的連接過(guò)程相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，也更穩(wěn)定，適用于鍵位比較少時(shí)；而矩陣鍵接法相對(duì)來(lái)說(shuō)就會(huì)顯得復(fù)雜，但對(duì)它對(duì)I/O的要求較低，在鍵位需求比較大時(shí)，應(yīng)用的比較廣泛。采用單片機(jī)輸入/輸出端口讀出端口的電平來(lái)判定按鍵是否按下。將常開(kāi)按鍵的一端接地，另一端接一個(gè)I/O口，在程序啟動(dòng)時(shí)，將輸入/輸出端口設(shè)為高電平，在正常情況下，在不按鍵的情況下，輸入/輸出端口保護(hù)高電平。在有按鍵的情況下，這個(gè)輸入/輸出端口和接地的短路會(huì)導(dǎo)致輸入/輸出端口處于一個(gè)低的水平。在松開(kāi)鍵后，上拉電阻在單片機(jī)內(nèi)維持輸入/輸出端口。我們需要做的只是查找這個(gè)輸入/輸出端口的水平，看看我們有沒(méi)有按鍵操作。在采用單片機(jī)對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行處理的過(guò)程中，存在著消除抖動(dòng)這一關(guān)鍵問(wèn)題?！岸秳?dòng)”，指的是不能按下鍵盤(pán)時(shí)的不穩(wěn)定。這種抖動(dòng)一般為10至200毫秒，而在人類看來(lái)，這種不穩(wěn)定的抖動(dòng)持續(xù)的時(shí)間非常短暫，而MCU的振動(dòng)卻非常緩慢。所謂的硬件去抖動(dòng)，就是通過(guò)部分線路來(lái)增加抖動(dòng)，而軟件的去抖動(dòng)并不是為了去除抖動(dòng)，而是為了避免抖動(dòng)，等到鍵盤(pán)穩(wěn)定之后，才會(huì)進(jìn)行。所以，這里我們選擇了軟件來(lái)消除抖動(dòng)，其實(shí)現(xiàn)方式是找一個(gè)按鍵，當(dāng)發(fā)生一個(gè)低級(jí)時(shí)，延時(shí)10-200毫秒，以防止抖動(dòng)（通常20毫秒）。在圖3-7中顯示了硬件電路：圖3-73.5報(bào)警電路的設(shè)計(jì)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到物體重量超過(guò)其量程時(shí)，則會(huì)發(fā)出信號(hào)提示給使用者，具體是使報(bào)警電路啟用提示使用者。超限報(bào)警電路如圖3-9所示。3.6本章小結(jié)本章內(nèi)容主要講述了各模塊的硬件設(shè)計(jì)以及其功能實(shí)現(xiàn)的方法，單片機(jī)使用的是stc89c51單片機(jī)，它是整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能的核心，各模塊圍繞它設(shè)計(jì)電路原理圖。其次是AD轉(zhuǎn)換器HX711芯片，由其和壓力傳感器共同組成的模塊決定整個(gè)設(shè)計(jì)的精確度。其余各模塊配合使用，讓它能在日常生活中能更加方便。4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1KEIL軟件介紹KeilC51是由美國(guó)KeilSoftware公司開(kāi)發(fā)的一款兼容軟件，它在功能、結(jié)構(gòu)、可讀性、可維護(hù)性等方面都有很好的應(yīng)用前景。在使用了匯編語(yǔ)言以后，使用C語(yǔ)言進(jìn)行更多高級(jí)復(fù)雜的開(kāi)發(fā)。KeilC51軟件為使用者提供了豐富的庫(kù)資源以及功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)與調(diào)試工具。此外，KeilC51的編譯后代碼也非常有效，大多數(shù)代碼簡(jiǎn)單易懂。高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)在大規(guī)模的軟件開(kāi)發(fā)中更為明顯。下面詳細(xì)介紹了KeilC51開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中的每個(gè)組件的特點(diǎn)和用途。Keil_c的接口如下圖16Keil_c軟件界面4.2Pro\t"/article/80/108/2010/_blank"teus軟件介紹Proteus軟件是EDA軟件（廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司中國(guó)分公司），英國(guó)實(shí)驗(yàn)室電氣公司（EDA）。本系統(tǒng)不僅具有其它EDA軟件的仿真功能，還具有MCU及外圍設(shè)備的仿真能力。這是最好的模擬微處理器和外圍裝置。雖然在國(guó)內(nèi)的普及工作還處于起步階段，但它卻為廣大的MCU愛(ài)好者、教學(xué)工作者以及從事MCU開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的研究人員所鐘愛(ài)。Proteus是一款功能強(qiáng)大的EDA開(kāi)發(fā)工具，它從布圖、代碼調(diào)試到MCU與外圍電路的協(xié)同仿真，到PCB一鍵切換，從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。該軟件是世界上唯一一個(gè)集成了電路模擬軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件、虛擬模擬軟件的設(shè)計(jì)平臺(tái)，該平臺(tái)具有8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086、MSP430等軟件。在編譯方面，本軟件也支持多種編譯器，例如IAR、Keil、MPLAB等。4.3主程序設(shè)計(jì)編程是一項(xiàng)步驟繁雜的工作，為了在工作時(shí)井井有條，必須要整理出正確的步驟和方法。這一過(guò)程可以歸納為三個(gè)方面：首先要將復(fù)雜問(wèn)題整理出來(lái)，再對(duì)它進(jìn)行分析，確定好自己的思路。最后再確定程序的設(shè)計(jì)按照該算法繪制流程圖：繪制程序框圖，然后細(xì)化算法和解決問(wèn)題的過(guò)程，從而可以起到避免發(fā)生錯(cuò)誤的作用。(3)編制程序：按照方框圖所示的運(yùn)算法則和步驟，選取適當(dāng)?shù)闹噶?，使其組合成為一個(gè)有機(jī)的整體，即程序。結(jié)構(gòu)化編程是實(shí)現(xiàn)程序資料的最好方法。結(jié)構(gòu)化編程的目的是為了使程序的復(fù)雜度和程序的運(yùn)行次序保持一致，從而使程序易于閱讀，易于理解，邏輯誤差小，易于修改和調(diào)試。按照控制需求，設(shè)計(jì)了主程序、初始化程序、顯示程序、數(shù)據(jù)采集程序、時(shí)延程序。4.4A/D轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計(jì)當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換程序是指在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，把由重力傳感器接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再把經(jīng)處理的信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的CPU。A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)及數(shù)據(jù)讀取程序流程圖如圖：4.5本章小結(jié)本章內(nèi)容先是介紹了應(yīng)用的幾種主要的軟件，利用keil編寫(xiě)程序，再用protues軟件進(jìn)行仿真測(cè)試。程序的主要流程圖以及數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的子程序流程圖，最后附上了部分主要程序。5.系統(tǒng)的調(diào)試與仿真5.1系統(tǒng)效果圖本設(shè)計(jì)量程為0-5kg，分度值0.001kg，具有稱重，校準(zhǔn)，計(jì)算，報(bào)警等功能?？偟姆抡嫘Ч麍D如圖所示：仿真圖經(jīng)過(guò)試運(yùn)行與程序調(diào)試，可以實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的基本功能。通過(guò)增減重按鈕，可以模擬傳感器接收到不同重物的信號(hào)，并實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上。如圖，用增重按鈕模擬傳感器接收到2.000kg的物重，并在LCD屏上顯示出來(lái)。通過(guò)矩陣鍵盤(pán)0-9輸入，可以設(shè)置不同的單價(jià)，通已完成編程的單片機(jī)運(yùn)算，可以顯示物重，單價(jià)，總價(jià)。并設(shè)有去皮功能，可滿足人們?nèi)粘Ｉ钪械氖褂谩Ｈ鐖D，通過(guò)鍵盤(pán)輸入設(shè)置單價(jià)為5，此時(shí)物重為2.000kg，故總價(jià)為10.在按下去皮鍵后，物重會(huì)重置為0。此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)去皮功能，再重新稱重就是物體的凈重量。由于本設(shè)計(jì)的量程是0-5kg，當(dāng)物重大于5kg時(shí)，蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警提示使用者。如圖，此時(shí)可以看到報(bào)警電路導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出聲音，直到物重小于5kg時(shí)，報(bào)警電路復(fù)位，蜂鳴器會(huì)停止發(fā)出聲音。當(dāng)實(shí)際物重與測(cè)量值誤差較大時(shí)可以手動(dòng)設(shè)置校準(zhǔn)，通過(guò)校準(zhǔn)加/校準(zhǔn)減按鈕對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。如圖，當(dāng)物重為1kg，稱重時(shí)發(fā)現(xiàn)有誤差，則可以通過(guò)手動(dòng)校準(zhǔn)到1kg，然后取下重物再重新放上秤盤(pán)，