创新设计总报告

摘要
现代社会的发展，对称重技术提出更高要求。

目前，台式电子秤在商业贸易中的使用已经相当的普遍，但存在较大的局限性。

体积大，成本高、携带不
方便、应用场所受到限制等。

多年来，人们一直期待测量准确、携带方便、将低廉的便携式电子秤投放市场。

本文设计了一种新型便携式高精度电子秤，论述了电子秤的工作原理，给出了电子称的硬件设计和软件设计以及电子秤的抗干扰设计与系统调试部分。

便携式电子秤主要由电源、称重传感器、单片机、键盘/开关、LCD显示器等部分构成。

主要技术指标为0〜9.999Kg;重量误差不大于±0.005Kg。

电子秤的技术指
标参考了同前国内市场上最权威的电子衡器技术指标，其合理性无疑加大了产品投放市场后的竞争能力。

仪器主要功能有自检、去皮、计价、单价设定等。

电子秤若不进行称量操作时，5分钟后将自动进入休眠模式，降低电源消耗。

新型便携式高精度电子称体积小、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：单片机AT89C52;称重传感器；A/D转换器
第1章绪论
1.1引言
质量是测量领域中的一个重要后来，又釆用简单的秤来测定质量。

据考证，世界上最古老的计量器出于中东和埃及，最古老的衡器和砝码出自于埃及。

秤是最普遍、敁普及的计量设备，电子秤取代参数，称重技术自古以来就被人们重视。

公元前，人们为了对货物交换量进行估计，最初釆用木材或陶土制作的容器对交换货物进行计算。

机械秤是科学发展的必然规律。

低成本、高智能化的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。

21世纪，电子产品变得越来越丰富，给人们带来非常非常多方便，其中电
子秤成了人们生活中必不可少的一部分。

市场上大大小小的电子秤能够完成许多工作，为人们节省了时间，提高了工作效率。

在超市里的一台电子秤，它能非常精确的称出商品的重量，还能去除皮重，更主要的是，它其中预存了超市里商品的单价，当称出商品的重量后，电子秤马上就能算出其价格，不管几种商品都能一一累加，然后列出清单，可以说非常智
能化，而且非常精确。

由此，顾客在购物的时候非常的放心，商家的效益也提高了，所以有了电子秤，顾客买的放心，商家也卖的开心了。

1.2选题背景与意义
称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段,广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。

电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学硏究、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。

因此，称重技术的硏究和衡器工业的发
展各国都非常重视。

电子秤属于电子衡器的一种，它的发展也遵循这一趋势。

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市和革命性的影响。

常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的新型便携式高精度仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远距离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。

做为重量测量仪器，新型便携式高精度电子秤在各行各业开始显现其计量准确、体积小、携带方便等优点，还具有开机自检、休眠节电的功能，并开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量称，成为测量领域的主流产品。

1.3电子秤研究现状
1.3. 1应用范围
新型便携式高精度电子秤是将检测与转换技术、计算机技术、信息处理、数字技术等技术综合一体的现代新型称重仪器。

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，它与我们日常生活紧密结合成为一种方便、快捷、称量精确的工具，广泛应用于商业、工厂生厂、集贸市场、超市、大型商场、及零售业等公共场所的信总显示和重量计算。

1.3. 2影响因素
随着科技的进步，对电子秤的要求也越来越高。

影响其精度的因素主要有：机械结构、传感器和数显仪表。

在机械结构方面，因材料结构强度和刚度的限制, 会使力的传递出现误差，而传感器输出特性存在非线性，加上信号放大、模数转
换等环节存在的非线性，使得整个系统的非线性误差变得不容忽视。

因此，在高精度的称重场合，迫切需要电子秤能在线自动校正系统的非线性。

1.3. 3发展趋势
衡器行业的主管部门提出了“上品种、上质量、上档次、上效益”的电子衡器发展方向，并要求到2010年基本达到国际先进水平。

通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器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总和非控制信总并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。

(1)小型化
体积小、高度低、重量轻，即小、薄、轻。

近几年新研制的电子平台秤结构充分体现了小薄轻的发展方向。

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，极大地减化了秤体结构，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结构的秤体，4个称重传感器分别安装在S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同定支承就是秤体的承力支点，既减化了承力传力机构，又节省了秤体高度，这是一种很有发展前途的秤体结构。

对于大型电子平台秤，可利用有限单元法进行等强度和刚度计算，釆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器结构，如大型静动态电子汽车衡等，已开始釆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、7) m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（5〜28) m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，不但提高了产品的通用性、互换性和可靠性，而且也大大地提高了生产效率和产品质量。

冋时还降低了成本，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肓孔和盲槽形成整体剪切梁型称重传感器。

这就使得秤体称重传感器合二为一，即铝合金板既是秤体台面又是一个大板式称重传感器。

以后齐结构的lot便携式
动态电子轮轴秤为例，其尺寸为720mmX550mmX32mm，重量约为23kg。

(4)智能化
电子衡器的称重显示控制器与电子计算机组合，利用电子计算机的智能来增加称重显示控制器的功能。

使电子衡器在原有功能的基础上，增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织等功能。

这就是如今市场上釆用微机化称重显示控制器的电子衡器与釆用智能化称重显示控制器的电子衡器的根本区别。

(5)综合性
电子称重技术的发展规律就是不断的加强基础研究并扩大应用，扩展新技术领域，向相邻学科和行业渗透，综合各种技术去解决称重计量、自动控制、信息处理等问题。

例如在流量计量专业，如果按照传统的理论和方法建造一卷标准大流量测系统，价格相当昂贵。

如果釆用称重法即质量流量法，只要将重量和时间测量准确，大流量的测量问题就迎刃而解了。

对某些商卬电子计价秤而言，只具备称重、计价、显示、打印功能还远远不够，现代商业系统还要求它能提供各种销售信总，把称重与管理自动化紧密结合，使称重、计价、进库、销售管理一体化，实现管理自动化。

这就要求电子计价秤能、电子计算机联网，把称重系统和计算机系统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或工艺流程中，不少称重计量系统还要求具有可组合性，即测量范围等可以任意设定；硬件能够依据一定的工作条件和环境作某些调整，
硬件功能向软件方向发展；软件能按一定的程序进行修改和扩展；输入输出数据与指令可以使用不同的语言和条形码，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。

我国的电子衡器要打入国际市场，参与国际竞争，就必须执行国际法制计量组织制定的国际建议并要有国际水平的技术勹装备、有国际水平的质量。

这就要求企业以技术为先导、以质量为中心、以管理为基础，努力提高制造技术与制造工艺水平，稳定产品质量，增强国际市场竞争能力。

面对与国际先进水平的差距和我国国民经济持续发展的大好形势，我们的态度应该是明确的，就是要从观念上、技术上和管理上迅速赶上，与时俱进、迎接挑战、开拓创新。

以提高制造技术的制造工艺水平为突破口，主要解决电子衡器中的工程化产品的定型设计，生产工艺，质量保证，可靠性考核等规模生产中的关键技术与工艺，提高批量生产能力，使我国的民族衡器工业走上健康持续发展的轨道。

二、系统方案设计
新型便携式髙精度电子秤的应用系统由硬件和软件组成。

硬件是指单片机、
存储器、釆集电路、输入输出设备等部分；软件是各个系统工作程序的总称。

软件设计是以硬件设计为前提的，而硬件设计之初就应该考虑相应软件的设计方法，只有硬件设计和软件设计紧密配合、协调一致，才能最大化的提髙系统的稳定性、精确性以及性价比。

2. 1性能及技术要求
(1)能用简易键盘设置单价，加重后能同时显示重量、金额和单价；
（2）重量显示：单位为公斤；最大称重为9.999公斤，重量误差不大0.005
公斤；
（3）单价金额及总价金额显示：单价金额和总价金额的单位为元，最大接数
值为9999.99元，总价金额误差不大于0.01元；
（4）具有去皮功能和总额累加计算功能；
2. 2系统总体设计方案 2. 2. 1设计基本思路
按照设计的基本要求，系统可分为单片机控制模块、信号釆集模块、输入输出模块四大模块。

其中信号采集模块由电阻应变片式传感器、信号的前级处理和髙精度A/D转换部分组成，包括运算放大器和A/D转换器；转换后的数字信号送
给控制器处理，由控制器完成对该数字量的处理；输入输出电路为键盘输入和液晶显示，可以方便的输入数据和直观的显示中文。

输入输出部分对软件的设计要求比较髙，系统的大部分功能都需要软件来控制。

软件部分应用单片机C 语言进行编程，实现了该设计的全部控制功能。

2.2.2系统总体方案设计与论证
在设计系统时，针对各个模块实现的功能来设计电子秤的方案如下：
前端信号处理时，选用放大、A/D转换等措施，尤其在显示方面釆用具有字符图文显示功能的LCD显示器。

这种方案不仅加强了人机交互的能力，而且满足设计要求，可以显示购物清单、所称量的物体总价等相关内容。

结构简图如下图所示：
图2. 1 LCD显示的方案
目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片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。

由于系统需要的输入输出较多，因此要加一个I/O扩展芯片（8255）。

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。

但其缺点是外接电路比较复杂,编程复杂。

2. 3系统工作原理
根据新型便携式高精度电子秤的性能及技术要求，选择AT89S51RD2单片机为核心，组成称量系统。

系统主要有AT89S51RD2单片机、A/D转换器、键盘扫描电路、显示电路、传感器、放大电路等组成。

本文研究的新型便携式高精度电子秤采用箔式应变片传感器。

箔式应变片传感器式电阻应变片的一种。

箔式应变片的敏感栅是采用光刻技术的一种很薄的金属箔栅。

根据不同的测量要求，可以制成不同形状的敏感栅，亦可在同一应变片上制成不同数目的敏感栅。

箔式应变片具有散热条件好、允许电流大、横向效应
小、疲劳寿命长、生产过程简单、适于批量生产等优点，已经取代丝式应变片而得到了广泛的应用。

它的电容量很小，仅几十至几百皮法。

系统方框图
电阻应变片的测量原理为：金属丝的电阻值除了与材料的性质有关之外，还与金属丝的长度，横截面积有关。

将金属丝粘贴在构件上，当构件受力变形时，金属丝的长度和横截面积也随着构件一起变化，进而发生电阻变化。

dR/R=Ks*ε其中，Ks为材料的灵敏系数，其物理意义时单位应变的电阻变化率，标志着该类丝材电阻应变片效应显著与否。

ε为测点处应变，为无量纲的量，但习惯上仍给以单位微应变，常用符号με表示。

由此可知，金属丝在产生应变效应时，应变ε与电阻变化率dR/R成线性关系，这就是利用金属应变片来测量构件应变的理论基础。

电阻式应变片可作为一种质量-电量的转换元件，是基于金属丝在受拉或受压会发生弹性形变这一物理特性实现的。

当电阻式应变片内部金属丝收到外力作用发生形变时，它的长度，横截面及电阻率均会发生变化。

本次设计中采用半桥式测量电路，在钢制的弹性体的正反两面分别贴上应变片，当弹性体受外力作用时发生弹性形变，粘在其上的电阻式应变片随之发生形变，因此改变了他们的电阻值。

由于电阻式应变片组成的桥式电路是平衡的，电阻式应变片阻值的变化会引起电桥的不平衡，从而输出电压信号，该信号与物体的质量成正比。

电子秤设计中，为了消除外界干扰，要经过信号调理电路进行信号的滤波并经放大电路处理后再经髙精度A/D转换器转换成数字信号再传至单片机控制系统。

单片机由设定程序，计算出被测物体的质量。

测量结果传送至LCD显示，从而实现高精度测量。

首先通过传感器釆集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。

输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。

放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字信号被送入到主控电路的单片机中，由单片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。

第三章硬件设计
根据设计要求以及系统所需要实现的功能，在设计系统时可分为以下几部分：单片机控制系统、信号釆集模块、输入输出设备、模数转换接口电路等部分组成。

3.1单片机的控制系统
3.1.1AT89S51芯片介绍
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

主要性能特点：
1、4k Bytes Flash片内程序存储器；
2、128 bytes的随机存取数据存储器（RAM）；
3、32个外部双向输入/输出（I/O）口；
4、5个中断优先级、2层中断嵌套中断；
5、6个中断源；
6、2个16位可编程定时器/计数器；
7、2个全双工串行通信口；
8、看门狗（WDT）电路；
9、片内振荡器和时钟电路；
10、与MCS-51兼容；
11、全静态工作：0Hz-33MHz；
12、三级程序存储器保密锁定；
13、可编程串行通道；
14、低功耗的闲置和掉电模式。

管脚说明
VCC：电源电压输入端。

GND：电源地。

、
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当
P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1
口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH
编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

、P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL 门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能：
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 /INT0（外部中断0）
P3.3 /INT1（外部中断1）
P3.4 T0（T0定时器的外部计数输入）
P3.5 T1（T1定时器的外部计数输入）
P3.6 /WR（外部数据存储器的写选通
P3.7 /RD（外部数据存储器的读选通
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。

读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。

只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。

89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。

除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。

RST：复位输入端，高电平有效。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

AT89C51RB2管脚图
ALE/PROG：地址锁存允许/编程脉冲信号端。

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：外部程序存储器的选通信号，低电平有效。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：外部程序存储器访问允许。

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH 编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。

XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端。

3.1.2控制电路的组成及功能
主控电路图
3.2. 1传感器的选择
本设计的压力传感器采用通用箔式应变片KFG。

特点：弯曲性优异，防水抗湿度性强，若不直接接触水时，不需要进行表面涂层处理。

所有型号都可以根据要求带有或不带有引线。

性能
工作温度范围:-196~+120℃(当与CC-33A粘结时)、-196~十150℃(PC-6)。

常温下自温度补偿:士1.0x10-6应变/℃的高性能、变形极限5%。

敏感栅长度: 5mm
应变片类型:双轴、
适用线膨胀系数: 16x10-6/℃
导线的种类:聚}乙稀树脂被覆线((15cm-30m)
胶水:氰基丙烯酸盐粘结剂CC-33A
电阻: 500Ω
本设计的温度传感器选用热敏电阻。

3. 2. 2滤波放大电路
滤波放大电路阁如下所示：
信号滤波放大电路图
接收到的输出电压信号通常很小，通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。

放大后的模拟电压信号再经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中。

本设计中选用的是-种低功耗高精度仪表放大器，仅需一个外接电阻即可得到1〜1000范围内的任意增益；±2.3V〜±18V的电源电压；低功耗，最
大电源电流1.3mA，S大输入失调电压125uV，最大温度漂移luV/°C，敁大输入偏移电流20nA;最小共模抑制比93dB (增益=10);输入电压噪声9nV (lKHz); 0. 28uV 噪声(0.1Hz〜10Hz);带宽 120KHz (增益=100);建立时间 15us (0. 01%)。

AD620的增益是用电阻Rg来决定的，即用引脚1和8之间的阻抗来决定的。

使用0.1%〜1%的电阻,AD620就能提供精确的增益。

对G (增益)=1, Rg引脚不连接（即Rg为无穷大)。

上图中电容C9、C10用来滤除釆样信号电压中的高频噪声，选fflO.luF的普通独石电容；电容C11、 C12用来滤除釆样信号电压中的低频噪声，选用22uF 的普通独石电容。

电阻R1、R2选用较小的阻值，因为釆样信号电压值只有毫伏级, 所以其阻值不宜太大，否则导致放大器由于输入电流太小而放大效果不明显微弱信号Vil和Vi2被分别放大后从AD620的第6脚输出。

A/D转换器的输入电压变化范围是-5V〜+5V，传感器的输出电压信号在0〜20mv左右，因此放大器的放大倍数在200〜300左右，可将RG1接成1K的滑动变阻器。

3. 3输入输出设备
3. 3. 1键盘输入
键盘输入是系统设计中一个重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。

键盘是由若干个按键开关组成，按键多少根据单片机应用系统的用途而定。

键盘的每一个按键都相当于一个机械开关触点，当按键按下时，触点闭合；当按键松开时，触点断开。

单片机接收按键触点的信号后作出相应的功能处理。

因而，相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号。

本次设计中采用8255进行I/O口的扩展。

8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。

具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。

其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。

8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。

8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。

同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。

由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。

1）与CPU连接部分。