电子设计竞赛-多功能电子秤设计报告及源代码

多功能数字电子计价秤（C题）

摘要：基于对物体重量测量的多功能数字电子秤系统由主控制器部分、称重传感器部分、信号放大和模数（A/D）转换部分、显示部分及电源五部分

组成，设计以单片机C8051F120为主控核心器件，A/D模块采集电阻应

变式传感器将物体的重量转化的电信号，进行处理输送给单片机，同时

单片机控制LCD液晶显示器实时显示物体的重量、单价、金额以及当前

的时间等信息。测试结果表明：系统整体运行稳定，人机界面友好。

关键词：C8051F120 称重传感器A/D采样LCD显示

1引言

分析赛题，我们认为本多功能数字电子计价秤装置系统需要实现如下任务：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：大称重为15.000公斤，重量误差不大于±0.1％；

2）具有实时时钟显示并具有掉电保护，可显示日历时钟（年、月、日、时、分、秒）；

3）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％；

能预存10种商品的单价，可以随意调出使用。

基于以上分析，系统采用模块设计的方案实现系统的各项功能，主要由主控制器部分、数据采集及放大部分、A/D转换部分和显示部分，具体的实现方案如系统主框图1所示：

图1 系统主框图

2系统方案设计与论证

2.1主控制器的选择

在主控制器的选择上有以下两种方案：采用FPGA（现场可编程逻辑门阵列）作为系统的控制核心和基于单片机技术的控制方案。

上述两种控制方式除在处理方式和处理能力(速度)上的差异外，实现效果及复杂程度等方面也有显著的区别。FPGA将器件功能在一块芯片上，其外围电路较少，集成度高。而单片机技术成熟，开发过程中可以利用的资源和工具丰富、价格便宜、成本低。鉴于本设计中，需要采集传感器称重物体的电信号，并实时显示重量，单片机的资源已经能满足设计的需求，而FPGA的高速处理的优势在这里却得不到充分体现，因此本设计的控制方案模块选用基于单片机控制方案。我们选择技术成熟，性价比高的C8051F120单片机作为主控制器，因本系统需要对交流信号进行A/D采样，而C8051F120单片机内部集成多路通道ADC，完全满足设计需要，并且减去了外围电路的设计，降低单片机的负载，同时其内部系统时钟频率为22MHz，执行一个单周期指令所需时间为仅40ns，完全满足系统软件编写需求。

2.2信号放大设备的选择

本系统采用单片机C8051F120作为主控芯片，通过查询其数据手册和实际检测，我们得到单片机在A/D 采样时的采样范围在0-3.3V ，而传感器输出的电压值都非常小，在毫伏级甚至微伏级左右，不能满足单片机的采样条件，需要外部放大电路来获得足够的增益。综合考虑采用仪表放大器AD620对电压、电流

信号进行衰减处理，由理论公式计算电压放大倍数：()01221X R v v v R ⎧⎫⎪⎪

=+-⎨⎬⎪⎪⎩⎭

,通

过选择不同的阻值就可以得到不同的放大或衰减倍数。

2.3显示设备的选择

本模块的主要功能是能实时显示描述系统状态的各种信息以及记录各阶段

运行的状态。LCD 不仅显示信息量大，画面效果好，节省I/O 口，且能够显示物体重量、单价、总额等相关文字说明，所以系统的显示部分选择彩色液晶屏TFT128显示。

3系统设计与实现

经过仔细分析与论证，选用系统各模块的最终方案如下：

（1）主控制器模块：采用单片机C8051F120控制，符合工作条件。 （2）信号放大模块：采用AD620放大电路。

（5）终端显示模块：采用TFT128彩色液晶屏显示。 （6）键盘输入模块：采用4×4矩阵键盘。

3.1单元电路设计 3.1.1 信号放大电路

仪表放大电路时有三个放大器组成的，其中的电阻R 和Rx 需要在放大器的电阻适用范围（1K~10K ）即由固定的电阻R ，我们可以同Rx 来调整放大的增益

值，其关系为：()01221X R v v v R ⎧⎫⎪⎪

=+-⎨⎬⎪⎪⎩

⎭，放大电路原理图如下图2所示：

图2 AD620放大电路

3.1.2 系统电源电路

本系统需要+5V 为单片机供电，+5V 和-5V 双电源为运放供电，但系统对电源的电流没有太大的要求，因此我们采用普通的小功率变压器经过整流，滤波，稳压后，得到±5V 和±12V 电压。系统的电源电路图如图3所示。

图3 系统电源电路

3.2系统软件设计 3.2.1系统分析

电阻应变式称重传感器桥式测量电路如图4所示：

图4 桥式测量电路

R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻，组成了桥式测量电路，Rm 为温度补偿电阻，e 为激励电压，V 为输出电压。

若不考虑Rm ，在应变片电阻变化以前，电桥的输出电压为：

V=e R R R R R R ⎪⎭

⎫ ⎝⎛+-+434211

由于桥臂的起始电阻全等，即R1 = R2 = R3 = R4 = R ，所以V=0 。

当应变片的电阻R1、R2、R3、R4变成R+△R1、R+△R2、R+△R3、R+△R4时，电桥的输出电压变为：

V=e R R R R R R R R R R R R ⎪⎭

⎫

⎝⎛∆++∆+∆+-∆++∆+∆+434211

通过化简，上式则变为：V=

4e ⎪⎭⎫

⎝⎛∆-∆+∆-∆R R R R R R R

R 4321 也就是说，电桥输出电压的变化与各臂电阻变化率的代数和成正比。 如果四个桥臂应变片的灵敏系数相同，且R

R

∆ = K ε，则上式又可写成：

V=(4

eK ε1 - ε2 + ε3 - ε4 ）式中K 为应变片灵敏系数，ε为应变量。

上式表明，电桥的输出电压和四个轿臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比。在电阻应变式称重传感器中，4个应变片分别贴在弹性梁的4个敏感部位，传感器受力作用后发生变形。在力的作用下，R1、R3被拉伸，阻值增大，△R1、△R3正值，R2、R4被压缩，阻值减小，△R2、△R4为负值。再加之应变片阻值变化的绝对值相同，即

△R1 = △R3 = + △R 或ε1 = ε3 = +ε △R2 = △R4= - △R 或ε2 = ε4 = - ε

因此，V=4

eK

×4ε = e K ε。若考虑 Rm ，则电桥的输出电压变成：

V=e Rm R R R R R R R R ⎪⎭

⎫

⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛∆--∆+222= e R R Rm R R ∆+2 = Rm R R 2+ K εe 令S U =

e

V

，则S U =Rm R R 2+ K ε

S U 称为传感器系数或传感器输出灵敏度。 3.2.2软件设计部分

主程序主要完成对一些变量和控件的初始化，其流程如图5所示：单片机判断按键的触发，进行处理和实时显示当前的数据信息。