毕业设计（论文）-智能称重系统设计

智能称重系统设计
（陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息工程电子1204班，陕西汉中723000）
指导教师：
[摘要]介绍基于单片机STC89C52控制的一款智能电子秤，其中物体质量信息由重力传感器进行采集。

传感器将采集到的信息传送至单片机中，经过单片机处理，准确的在四位数码管显示屏上进行显示。

它具有置零，去皮功能。

物体的质量数值会和电子秤本身的称量范围数值进行比较，若超出了测量范围的最大值，系统就会执行报警程序。

本系统设计结构简单、精确度高、功能齐全、使用方便。

[关键词]单片机；重力传感器；智能电子秤
Design of the Intelligence Electronic Scales of
Microcontroller
（Grade12,Class4,Major of Electronic Information Engineering,School of Physics and Electronic Information Engineering,Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，Shaanxi）
Tutor:
[Abstract]Introduction based on single chip STC89C52 control of an intelligent electronic scales, wherein the object quality of the information collected by the gravity sensor. Sensor information collected will be sent to the microcontroller through the microcontroller processing, accurate display on four digital display. It has zero, tare function. Quality and value will be the object of electronic scales weighing range values themselves are compared, if the maximum value exceeds the measurement range, the alarm system will execute the program. The simple design structure, high precision, fully functional, easy to use.
[Key words]Single chip ; Gravity sensor ; Intelligent electronic scales
目录
1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 (1)
1.2.1发展现状 (1)
1.2.2发展趋势 (2)
1.3项目研究意义 (3)
1.4功能描述 (3)
2设计原理 (5)
2.1系统的原理框图 (5)
2.2系统模块简介 (5)
3硬件设计 (7)
3.1硬件方案 (7)
3.2称重传感器 (7)
3.3电子秤专用24位AD转换芯片HX711及其电路 (8)
3.4单片机STC89C52及其电路 (10)
3.5液晶屏电路 (11)
3.6矩阵键盘电路 (14)
3.7声光报警电路 (14)
3.8电源电路 (15)
4软件设计 (16)
5仪器的误差及误差分配 (17)
5.1仪器的误差来源 (17)
5.1.1称量重力传感器的误差 (17)
5.1.2电子设备的误差 (17)
5.1.3机械承重系统的误差 (18)
5.2仪器误差分配 (18)
5.3仪器误差的计算方法 (18)
6总结 (20)
致谢 (21)
参考文献 (22)
附录A (23)
附录B (28)
附录C (32)
附录D (33)
1绪论
质量是测量领域中的一个非常重要的参数,称重技术自古以来就被人们所重视。

公元前，人们为了估计货物交换量，起初采用木材和陶土制作的容器对交换物进行计量，之后，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与埃及，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，智能电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。

低成本、智能化的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。

秤是一种在实际工作和生活中经常用到的测量设备。

由于称量方面的快速发展，在以往的发展历程中纯机械结构的杆秤，台秤，磅秤，称量装置一步一步的进行演变，电子称重装置电子秤、电子天平称等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点受到人们的青睐。

和传统秤相比较，电子秤利用新型传感器、高精度AD转换器件、单片机设计实现，具有精度高、功能强等特点。

本课题设计的智能电子台秤具有基本称重、键盘输入、显示、超重报警功能。

该电子秤的测量范围为0.005Kg-10Kg，测量精度达到5g，有高精度，低成本，易携带的特点。

电子秤采用液晶显示汉字和测量记过，比传统秤具有更高的准确性和直观性。

另外，该电子秤电路简单，使用寿命长，应用范围广，可以应用于商场、超市、家庭等场所，成为人们日常生活中不可少的必需品。

本章介绍了总体设计的研究研究背景，关键技术，简单描述了称重技术和衡器的发展历程，并且提出新型，简便，精确的电子秤台秤的意义。

1.1称重技术和衡器的发展
衡量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设备。

在整个衡量器的发展历程中，先后出现了六种类型的衡器：不等臂平台秤，架盘天平，倾斜象限杆秤，吊车秤，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，到目前为止第一次世界大战后，在贸易和工业发展的需要，非常需要能进行快速称重的衡量器。

机械式衡量器在此期间具有非常大的发展。

倾斜杠杆案秤在当时占绝大多数，读数装置除扇形度盘外，还具有滚筒形度盘，从而极大的扩大了读数范围并可附加价格标尺。

之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，成本低廉，带投影标尺的倾斜式杠杆秤。

之后第二次世界大战后又出现了电子衡器，其主要由称重显示控制器，称重传感器，电器控制器件等部分组成，其发展过程和其它事物一样，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，为了把衡量器引入生产工艺过程中去，使称重过程的自动化，电子技术渗入了衡量器制造业。

60年代初期，机械式的称量工作出现了，和称量有关的显示，记录，远传式控制等功能是电子方式的衡量器，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，都不能离开能输出电信号的电子衡量器。

这是因为电子衡量器不仅能给出质量和重量值的信号，而且也可以作为总系统中的一个单元承担着控制和检验功能，从而推进工业生产与贸易交往的自动化和合理化。

电子衡器具有反应速度特别快，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，计量精度较高，从而实现了多功能，多用途。

1.2电子秤的发展现状和发展趋势
1.2.1发展现状
电子衡量器在日常生活中涉及特别广泛，最近些年来越来越多地参与到数据处理和过程控制里面，使现代称重技术与数据系统在工艺技术，预包装技术，储运技术，收货业
务，商业销售领域中，成为不可缺失的组成部分。

电子衡量器种类繁多，并且涉及到贸易结算，还有广大消费者的利益，所以被世界各国政府相当关注和重视，并且被确定为我国强制管理的法制计量设备。

电子衡量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非常重要的作用。

50年代中期电子技术的涉入，推动了衡量器制造业的快速发展。

60年代初期，由于出现机电结合式电子衡量器，经过40多年的不断改进和完善，我国电子衡量器从最开始的机电结合型发展到现在的全能电子型和数字智能型。

我国电子衡量器的技术设备与检测试验手段基本达到国际90年代中期的水平。

电子衡器制造技术与应用得到了突飞猛进的发展。

电子称重技术由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，测量方面的特点从单参数测量演变成多参数测量，要强调的是是对快速称重与动态称重的研究和应用。

总而言之，我们国家电子衡量器产品的质量与数量和工业较为的发达国家相比还有比较大的差距，其中最主要差距在于技术和工艺技术不够先进，工艺装备和测试设备表老化，开发能力具有一定的缺陷，产品的种类规格不多，功能不够齐全，稳定性和可靠性较差等。

1.2.2发展趋势
电子台秤是载于秤的盘，台座，钩上的物品的重量由于传感器发生形变反应平衡，从而由仪器显示屏显示的电子衡量器。

是一种集于机、电、仪于一体的小型电子设备，具有多功能，精确度高，快速和动态计量，稳定性可靠等众多特征，它代表了衡量器产品发展的方向。

电子台秤属于日常应用的衡量器，是劳动密集型产品。

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，可靠性好；它的功能的发展方向是称重计量的控制信息与非控制信息并重的智能化功能体系；它的应用性能方向在与于综合性与组合型[2]。

(1)小型化
近些年来新开发出来的电子台秤结构巧妙的体现了体积小，精度高，重量轻的发展趋势。

相对于较低容量的电子轮轴秤和电子台秤，可应用超薄型与将薄型的形状为园的称重传感器，置入钢板和铝板底面和称重传感器外径相同的盲孔里面，最后变成低外形的秤体结构，秤的额定载荷与力学要求计算来决定用多少个传感器与传感器位置。

钢板和铝板就设为秤体的台面，称重传感器是传感器件，也是承力支点，极大地缩简秤体结构，降低了设计系统连接环节，在一定程度上降低了成本，并且大大提升了稳定性和可靠性。

对于中等和较大容量的电子秤、电子地上衡量器，可以采用方形和长方形闭合截面的薄壁型钢，一个整体的竹排式的秤体由并联排队列得形式焊接而成，在外围有两根薄壁型钢两端的切口里面有4个传感器分别安装，装备在称重传感器承力点上的固定支承就是所谓的承力支点，也就是简化了承力传力机构，又节瘁了秤体大小，高度，这是一种很有发展前途的秤体结构。

对于大型电子台秤，有限元法进行等强度与刚度计算可以被利用，也可以采用抗弯刚度大的型材与轻型波纹夹心钢板等。

(2)模块化
对于大型和超大型的承载结构体，例如大型静动态电子汽车衡等，已经开始采用几种长度的标准结构的模块，它是经过分体组合，而产生新的品种，新的规格。

以5m，6m，7m 长的同宽度3种标准模块举例，由单块，二块，三块，四块分体组合。

可以组合成5m～28m的长度的22种规格的分体式秤体结构。

当然，在实际应用中，根据各行各业用户的需求，在其中22种规格中的10余种常用的标准规格就是常用的。

这种模块化的分体式秤体结构，不但提高了产品的通用性，互换性，可用性，生产效率和产品质量也得到了大大的提高。

除此之外还降低了成本，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量器，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，都可以实现钢轨与称重传感器，秤体与称重传感器，轨道衡量秤体与铁路线路合二为一。

例如秤体与称重传感器一体化的便携式静动态电子轮轴秤，多数是用硬铝合金厚板制成，它的结构原理是经过固溶热处理强化的铝合金板，或者是通过在4个角上钻孔与铣槽分别形成4个悬臂梁型称重传感器。

或是多个对称的盲孔与盲槽在铝合金板的底面铣出形成整体剪切梁型称重传感器。

这就使得秤体和称重传感器形成为一个整体，也就是说铝合金板既是秤体台面也是一个大板式称重传感器。

之后的结构，10吨便携式动态电子轮轴秤为例，其尺寸为720mm×550mm×32mm，重量大约为23kg。

(4)智能化
电子衡量器的重量显示控制器和电子计算机组合，它是利用电子计算机的智能控制来增加称重显示控制器的功能。

使电子衡量器在原来具有的功能的基础上，增加推理，自适应，判断，自诊断，自组织等功能，当今市场上采用微机化称重显示控制器的电子衡器与智能化称重显示控制器的电子衡器的根本区别就在于此。

(5)综合性
电子称重技术的发展规律就在于不断的加强基础研究并且扩大其应用，扩展发展新技术领域，向行业渗透和相邻学科，综合各向技术去解决自动控制，称重计量，信息处理等诸多问题。

例如在流量计量方面，按照传统的理论方法建造一种标准大流量测量系统，价格非常昂贵。

如果采用称重法，就是质量流量法，只需要将重量与时间测量准确，大流量的测量问题就可以很快解决了。

对于某些商用电子计价秤来说，只要具备承重，计价，显示，打印功能，还远远不够，现代商业系统各种销售信息也需要它能够提供出来，称重与管理自动化被紧密集合，称重系统和计算机系统巧妙地组成一个完整的综合控制系统。

(6)组合性
在工业称重计量过程中，工艺流程中，许多称重计量系统还被要求具有可组合性，就是其中测量范围可以任意设定。

硬件部分能够在一定的工作条件与环境作中做出某些调整，硬件向软件方向发展。

软件能按照一定的程序进行修改与扩展。

输入数据，输出数据和指令可以使用不同的条形码和语言，并且能和外部的控制与数据处理设备进行通信。

1.3项目研究意义
随着社会的发展，称重技术被提出了更高的要求，特别是微型处理技术与传感技术的巨大进步，极大地加速了这个进程。

基于当前智能电子秤和便携电子秤的现状和缺陷，应用者高度重视发展小型化，普及范围广的便携式电子秤，设计出一种携带方便，重量轻，计量精确，具有直观读数，价格低廉的便携式智能电子秤（袖珍电子秤）已迫在眉睫。

本设计是研究一种以单片机控制为核心的高精度智能电子台秤设计方案。

这种精确度高的智能电子秤，计量准确，体积小，携带方便，集质量称量功能于一体，极大地满满足商业贸易和居民家庭的使用需求，设计的标准要求和OIML建议基本达成一致，也可以这样说，它与国际水平接轨。

1.4功能描述
1、采用高精度电阻应变式压力传感器，测量量程0.005kg-10kg，测量精度可达5g。

2、采用电子秤专用24位A/D转换器芯片HX711，它可以对传感器信号进行调理转换，HX711应用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子秤而设计的模数转换的转换器芯片。

3、采用STC89C52单片机作为主控核心芯片，实现称重主控功能。

4、采用128*64汉字液晶屏显示称重重量，超重报警等信息。

5、采用4*4矩阵键盘进行人机的转换，键盘容量较大，便于操作。

6、它具有超重报警功能，并且可以通过蜂鸣器和LED灯进行报警提示。

7、系统通过USB电源提供整个设计的供电事项，单片机STC89C52程序也可以通过USB线串行下载。

2设计原理
2.1系统的原理框图
可以将电子秤总体部分划分为三大部分，数据采集模块，控制器模块，人机交互界面模块。

在数据采集模块方面是由压力传感器，信号的前级处理，A/D转换部分组成。

转换后的数字信号立即传送给单片机控制器处理，单片机控制器对该数字量进行进一步的处理，然后驱动显示电路模块完成人机间的信息互换。

除了这些之外还添加了一个过载报警提示的特殊功能。

系统的原理框图如图2.1所示：
图2.1 系统的原理框图
2.2系统模块简介
(1)单片机的选型
STC89C52单片机是STC89C系列中的增强型，高档机产品，它片内存储器容量是AT89S51的一倍，也就是片内8KB的程序存储器和256B的RAM。

此外，它还具备了一个非常强的功能，具有独特用处的16位定时／计数器等多种功能。

在工程应用中STC89C52有一个明显的好处：不用烧写器，只需要借助PC机的并口输出，相当简单的下载电路，就可以将程序通过串行方式烧写入单片机中。

而且下载电路可设计在系统中，以便于随时修改单片机中的软件部分，在不对硬件做任何改动情况下。

比较目前主流型号，我最终的决定是选择STC89C52通用的普通单片机来实现该系统设计。

其STC89C52是一种具有兼容MCS51微控制器的特效功能，工作电压3.5V—5.5V，全静态时钟0Hz—33MHz，三级程序加密，32个可编程I/O串口，6/8个中断源，2/3个16位定时/计数器，全双工串行通讯口，在较低的功耗下支持Idle和Power-down模式。

Power down模式支持中断唤醒,看门狗定时器，双数据指针，上电复位标志。

除此之外还在外扩展了32K数据存储器，来满足系统要求。

(2)A/D转换器介绍
A/D转换器是一种能把输入模拟电压，模拟电流转换成与它成正比的数字量，也就是说其可以将模拟的量进行特定的一些处理转换为特定的数字信号。

A/D转换器品种较多，从原理上可分为四种：双积分式A/D转换器，逐次逼近式A/D转换器、并行A/D转换器、计数器式A/D转换器及△－∑型A/D转换器。

在电子秤的设计中用的比较多的是双积分式A/D转换器和△－∑型A/D转换器。

双积分ADC的基本原理是对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。

电子秤中常用的双积分式A/D转换电路，它由积分器、比较器、模拟电子开关，积分电阻、积分电容、自动回零电阻、电容组成。

其中VG是模拟的，VFR是基准电压（相对于VG为负值），VX是检测电压。

其次双面积分型数模转换器具有非常强的抗干扰能力。

对正负对称的可以使工频干扰信号化简为零，因此对50HZ的工频干扰抑制能力相对较好，在工频干扰方面也具有很好的滤波作用。

如果干扰电压的平均值为零，在输出方面就不会有影响。

特别是对本系统，逐渐变化的压力信号，很快会受到工频信号的干扰。

所以应用双积分型数模转换器可以很大
程度上降低对滤波电路的要求。

对于电子秤，系统对数模的转换速率要求并不是很高，在精确度上14位的AD就可以满足要求，除此之外双积分型数模转换器具有较好的抗干扰能力，精确的差分输入，廉价的价格，最终选择了精度为10Kg/±20000=±0.5g的ICL7135。

(3)键盘输入
键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。

键盘是由多个按键开关组成，键的多少根据单片机应用系统的用途而定。

键盘由许多键组成，其中一个键好比是一个机械开关触点，如果有键按下时，触点闭合，当键弹时，触点立即断开。

当单片机接收到按键的触点信号时作相应的功能反应。

所以，输入信号就是键盘接口信号对于单片机系统来说。

ZLG7289是周立功单片机公司设计的串行输入输出可编程键盘显示芯片，有强大的键盘显示功能，支持64键控制，可以比较方便地扩展系统。

另外ZLG7289内部有译码电路，大大简化了程序。

最终选择ZLG7289作为键盘扫描显示芯片。

(4)输出显示
采用可以设置显示单价，金额，中文，购物日期等的LCD，它具有低功耗、可视面大、画面友好及抗干扰能力强等功能，其显示技术已得到广泛应用。

LCD显示器的工作原理：液晶显示器的主要材料是液态晶体。

它在特定的温度范围内，既具有液体的流动性，又具有晶体的某些光学特性，其透明度和颜色随电场、磁场、光照度等外界条件变化而变化。

因此，用液晶做成显示器件，就可以把上诉外界条件的变化反映出来从而形成现实的效果。

虽然ZLG7289具有控制数码管显示的功能，但考虑到本题目要求中文显示，数码管无法满足，只能考虑用带有中文字库的液晶显示器。

由于可以分页显示，无需太大屏幕，最终选择点阵式128×64型LCD—OCM4x8c。

3硬件设计
3.1硬件方案
单片机电子秤硬件方案如图3.1所示：
图3.1 单片机电子秤硬件方案
称重传感器感应被测重力，传感器输出微弱的毫伏级电压信号。

该电压信号经过电子秤专用模拟/数字（A/D）转换器芯片HX711对传感器信号进行调理转换。

HX711采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片[10]，内置增益控制，精度高，性能稳定。

HX711芯片通过2线串行方式与单片机通信。

单片机读取被测数据，进行计算转换，在液晶屏上显示出来。

矩阵键盘主要用于计算金额。

当被测物体重量得到后，用户可以通过矩阵键盘输入单价，电子秤自动计算总金额并在液晶屏显示。

电源系统给单片机、HX711电路及传感器供电。

3.2称重传感器
传感器是测量机构最重要的部件，重力传感器自身具有单调性，其重要参数指标有灵敏度，总误差与温度漂移[5]。

(1)灵敏度
称重传感器的电子灵敏度是满负荷输出电压和激励电压的比值，典型值是2mV/V。

如果使用2mV/V灵敏度与5V激励电压的传感器时，它的满偏输出电压为10mV。

通常，为了利用称重传感器线性度较好的一段称量范围，就会使用满偏范围的三分之二，因此，满偏输出的电压值应当约为6mV。

如果电子台秤在工业环境应用时，在6mV满偏范围内测量微小的信号变化不是一件容易得事。

(2)总误差
总体误差是指输出误差与额定误差的相比的比值。

典型的智能电子秤的总误差标准大约是0.02%，这个指标很重要，它在一定程度上制约了使用理想信号调节电路所能到达的精度，这个决定了ADC分辨率的选择，还有放大电路与滤波器的设计。

(3)漂移
称重传感器也产生与时间相关的漂移。

现今常用的称重传感器有电容压力传感器，电阻应变式压力传感器，压电式压力传感器。

选择利用时应严格按稳定性，精确度登记，寿命长短与安装环境等要求去进行考虑，其主要特点如下：
(1)电容式压力传感器，稳定性差，精确度与灵敏度较高，寿命比较短，对环境要求
严格，不容易长距离传输。

(2)压电式压力传感器稳定性好，精度和灵敏度高，寿命长，但大量程的压力传感器尚待进一步研究。

(3)电阻应变式压力传感器稳定性好，精确度和灵敏度好，寿命较长，对测量环境要求不太严格。

所以，选用电阻应变式压力传感器来用做电子秤称重传感器是相当合适的[6]。

电阻应变式压力传感器基本是由弹性体，电阻应变片，电缆线等组成，其里面的一些线路应用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷发生变形时，电阻应变片受到拉伸，压缩应变片变形之后，它的电阻值会发生相应的变化，之后才能使电桥失去平衡，产生些许的差动信号，提供后面的电路测量与处理[3]。

电阻应变式传感器测量原理如图3.2所示：
图3.2 电阻应变式传感器工作原理
当垂直正向压力P作用于梁上时，桥梁会产生一定的形变，电阻应变片R1、R3受压弯进行伸长，阻值变大；R2、R4受压缩，阻值变少。

电桥失去了平衡，产生不平衡电压，不平衡电压与作用在传感器上的载菏P成正比，从而将非电量转化成电量输出。

R1、R2、R3和R4组成惠更斯电桥，将2对电阻应变片的阻值变化转变成输出电压[7]。

其测量原理如图3.3所示：
图3.3 测量电桥原理
3.3电子秤专用24位AD转换芯片HX711及其电路
HX711应用了海芯科技集成电路专利技术，这是一种专门为高精度的电子秤设计的24位数模转换器芯片[10]。

和相似型的其它芯片比较，这款芯片集成了包括稳压电源，片内时钟振荡器，以及其它同类型芯片所没有的电路，具有高集成度，速度快的响应，抗干扰性特别强等特点。

减少了电子秤的整体机成本，整体机的性能与可靠性得以提高。

这款芯片和后端MCU芯片的接口和编程都相对简单，每个控制信号都是利用管脚驱动，不需要对芯片里面的寄存器进行编程。

输入时选择的开关可以任意选择通道A，通道B，与其里面的低噪声可编程放大器进行连接相连。

通道A的可编程增益为128或者是64，对应的满偏度差分输入信号幅值有±20mV和±40mV。

通道B则是固定的32增益，在系统参数检测应用。

芯片里面提供的稳压电源可以利用自身的特征直接向外部传感器和芯片内的数模转换器提供电源，系统板上不需要另外的模拟电源。

芯片中的时钟振荡。