电子称重系统设计

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在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是出现了秤。

随着社会科技发展，传统的纯机械结构（如杆秤、磅秤等）秤量装置逐步被淘汰，而电子秤以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点深受人们青睐。

电子秤精度高并降低成本，其发展趋势是小型化、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息和非控制信息并重的“智能化”功能，其应用性能趋向于综合性和组合性。

电子秤的称重功能是基于微电脑控制芯片处理器这一核心技术来实现的。

由于目前在设计电子秤系统时大量地采用集成芯片，因此电子秤系统已经摆脱了以往的电子模式，正趋向智能化多元化方向发展。

在此基础上可以实现系统功能的扩展，比如与上位机的通讯，在上位机上利用图形化界面的操作软件实现数据库管理等。

电子秤由于自身的精度高、功能强和使用方便，实际使用的电子秤有较高的性价比，在很多领域完全可以取代那些机械式的称重工具。

在具体开发电子秤的系统时应该根据用户的客观需要，再结合系统硬件和软件，从而可以开发出一套实际使用价值极大的电子秤系统。

目前，随着电子技术的飞速发展，微处理器应用技术的日趋成熟，必将推进基于微处理器为核心的电子秤系统功能的日趋完善，因此多元化智能电子秤具有广泛的应用前景和开发价值！
2整体方案设计
2.1设计任务
1．设计满足性能指标要求的电路，画出原理图。

2．设计PCB并制板。

3．安装调试成功。

4．完成论文写作。

2.2设计要求
本文主要完成一个简单实用数字电子秤的硬件电路部分和软件部分的设计。

在设计的过程学会使用单片机对电子秤的各种功能进行控制。

要求设计电子称重系统，选用电阻应变片作为力传感器，包括测量电路、信号放大电路、信号转换电路和显示电路。

其性能要求是：
1、测量范围在（0-1.99Kg，0-19.99Kg，0-199.99Kg，0-1999Kg）；
2、测量精度为0.5级；
3、非线性误差为1% ；
4、自动量程控制电路。

2.3方案选择
单片机以其功能强，体积小，功耗低，易开发等很多优势被广泛应用。

但单片机不是万能的，也存在不适合的场合，我们要充分利用单片机的内部资源和选择合适的单片机来完成我们的设计。

本数字电子秤的设计过程中需要用到A/D转换、键盘、液晶显示、复位电路和蜂鸣器报警驱动电路的知识，同时在软件的设计过程中需要用到键盘扫描、液晶显示驱动、模数转换程序，可以很好的将数电、模电、单片机知识进行综合应用。

在综合应用中进一步熟悉单片机设计的开发各个流程，最终达到"巩固基础、注重设计、培养技能、追求创新、走向实用"目的。

2.3.2方案一
通过称重电桥产出电压信号，经放大电路把信号放大后输入A/D转换芯片进行数据转换，再将得到的数字信号送至单片机进行处理输出显示。

此方案优点是可控制性好，电路简单，原理清晰，采用单片机对采集的数据稍加处理，能通过软件在一定程度上弥补与调试硬件所无法避免的数据抖动，使最终所得的数据更可靠。

其中自动换挡功能采用软件实现。

图1.1 方框图一
2.3.3方案二
整个电子秤电路由传感器、放大电路、A/D转换电路、89c52单片机、量程控制电路、键盘和显示电路等7部分组成。

其功能是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。

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。

但其缺点是外围电路比较复杂,编程复杂。

图1.2方框图二
结合上面所讲，鉴于本电子秤的设计并不太复杂，单片机完全能实现所需功能，所以在具体设计时，采用了第二种设计方案。

3 硬件电路的设计
数字电子秤采用STC89C52单片机作为微处理器，接口电路由晶振、LCD12864显示电路、4*4按键电路、CD4052B电路、报警电路等组成。

3.1传感器电路设计
传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

通常传感器由敏感元件和转换元件组成。

其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。

现代科技的快速发展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理，而传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知获取与检测信息的窗口；传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号。

因此，传感器的地位与作用特别重要。

电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。

电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。

导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。

电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。

因此，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。

其转换电路常用测量电桥。

直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。

下图为一直流供电的平衡电阻电桥，E
接直流电源E：
in
图1.3 传感器结构原理图
当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。

当忽略电源的内阻时，由分压原理有：
u o=u BD=u AB-u AD
= （1.4）当满足条件R1R3=R2R4时，即
（1.5）=0，即电桥平衡。

式（1.5）称平衡条件。

应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。

若差动工作，即R1=R-△R,R2=R+△R,R3=R-△R，R4=R+△R,按式（1.4），则
电桥输出为
(1.6)
应变片式传感器有如下特点：
（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。

（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。

（3）结构轻小，对试件影响小，对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。

（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。

由于设计要求需要一电阻应变片为传感器，所以我选择的是PLD204D型电子称传感器，量程0~2000kg，精度为 0.5%，满量程时误差0.05Kg，完全满足本系统的精度要求。

测力传感器PLD204D参数表图1.7
3.2 放大电路及A/D转换电路设计
本次放大设计采用HX711芯片，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器、低噪声可编程放大器。

3.2.1 HX711芯片介绍
HX711是一款专为高精度称重传感器而设计的24位A/D转换器芯片。

与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点、降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。

该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。

输入选择开关可任意选取通道A或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。

通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。

通道B则为固定的64增益，用于系统参数检测。

芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。

芯片内的时钟振荡器不需要任何外接部件。

上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。

3.2.2 HX711特点
1、两路可选择差分输入。

2、片内低噪声可编程放大器，可选增益为64 和128 。

3、片内稳压电路可直接向外部传感器和芯片内A/D 转换器提供电源。

4、片内时钟振荡器无需任何外接器件，必要时也可使用外接晶振或时钟。

5、上电自动复位电路。

6、简单的数字控制和串口通讯：所有控制由管脚输入，芯片内寄存器无需
编程。

7、可选择 10Hz或80Hz 的输出数据速率。

8、同步抑制 50Hz 和60Hz的电源干扰。

9、耗电量（含稳压电源电路）：典型工作电流：< 1.7mA, 断电电流：< 1µA
10、工作电压范围：2.6 ~ 5.5V 。

11、工作温度范围：-20 ~ +85℃。

模拟输入
通道A模拟差分输入可直接与桥式传感器的差分输出相接。

由于桥式传感器输出的信号较小，为了充分利用A/D转换器的输入动态范围，该通道的可编程增益较大，为128或64。

这些增益所对应的满量程差分输入电压分别±20mV 或±40mV。

通道B为固定的增益，所对应的满量程差分输入电压为±40mV。

通道B应用于包括电池在内的系统参数检测。

供电电源
数字电源（DVDD）应使用与MCU芯片相同的数字供电电源。

HX711芯片内额稳压电路可同时向A/D转换器和外部传感器提供模拟电源。

稳压电源的供电电压（VSUP）可与数字电源（DVDD）相同。

稳压电源的输出电压值（VAVDD）由外部分压电阻R1、R2和芯片的输出参考电压VBG决定（图1），VAVDD=VBG（R1+ R2）/ R2。

应选择该输出电压比稳压电源的输入电压（VSUP）低至少100mV。

如果不使用芯片内的稳压电路，管脚VSUP和管脚AVDD应相连，并接到电压为2.6~5.5V 的低噪声模拟电源。

管脚VBG上不需要外接电容，管脚VFB应接地，管脚BASE
为无连接。

时钟选择
如果将管脚XI接地，HX711将自动选择使用内部时钟振荡器，并自动关闭外部时钟输入和晶振的相关电路。

这种情况下，典型输出数据速率为10Hz或80Hz。

如果需要准确的输出数据速率，可将外部输入时钟通过一个20pF的隔直电容连接到XI管脚上，或将晶振连接到XI和XO管脚上。

这种情况下，芯片内的时钟振荡器电路会自动关闭，晶振时钟或外部输入时钟被采用。

此时，若晶振频率为11.0592MHz，输出数据速率为准确的10Hz或80Hz。

输出数据速率与晶振频率以上述关系按比例增加或减少。

使用外部输入时钟，外部时钟信号不一定需要为方波。

可将MCU芯片的晶振输出管脚上的时钟信号通过20pF的隔直电容连接到XI管脚上，作为外部时钟输入。

外部时钟输入信号的幅值可低至150 mV。

串口通讯
串口通讯线由管脚PD-SCK和DOUT组成，用来输出数据，选择输入通道和增益。

当数据输出管脚DOUT为高电平，表明A/D转换器还未准备好输出数据，此时串口时钟输入信号PD-SCK应为低电平。

当DOUT从高电平变低电平后，PD-SCK 应输入25至27个不等的时钟脉冲（图二）。

其中第一个时钟脉冲的上升沿将读出输出24位数据的最高位（MSB），直至第24个时钟脉冲用来选择下一个A/D 转换的输入通道和增益。

PD-SCK的输入时钟脉冲数不应少于25或多于27，否则会造成串口通讯错误。

当A/D转换器的输入通道或增益改变时，A/D转换器需要4个数据输出周期才能稳定。

DOUT在4个数据输出周期后才会从高电平变低电平，输出有效数据。

复位和断电
当芯片上电时，芯片内的上电自动复位电路会使芯片自动复位。

管脚PD-SCK 输入来控制HX711的断电。

当PD-SCK为低电平时，芯片处于正常工作状态。

如果PD-SCK从低电平变高电平并保持在高电平超过60 us，HX711即进入断电状态。

如果使用片内稳压电源电路，断电时，外部传感器和片内A/D转换器会被同时断电。

当PD-SCK重新回到低电平时，芯片会自动复位后进入正常工作状态。

芯片从复位或断电状态后，通道A和增益128会被自动选择为作为第一次A/D 转换的输入通道和增益。

随后的输入通道和增益选择由PD-SCK的脉冲数决定，
参见串口通讯一节。

芯片从复位或断电状态进入正常工作状态后，A/D转换器需要4个数据输出周期才能稳定。

DOUT在4个数据输出周期后才会从高电平变为低电平，输出有效数据。

3.2.5 信号放大电路
放大器的输入信号一般是由传感器输出的。

传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。

因此，一般对放大器有如下一些要求：
1、输入阻抗应远大于信号源内阻。

否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。

2、抗共模电压干扰能力强。

3、在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。

从而保证放大器输出性能稳定。

4、能附加一些适应特定要求的电路。

如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。

我们采用结合HX711芯片的放大电路，图1.8如下：
图1.8 放大电路
片内低噪声可编程放大器，可选增益128。

3.2.6 A/D转换电路
在A/D转换器中，输入的模拟信号在时间上是连续的，而输出的数字信号是离散量。

所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间对模拟信号采样，然后再把该取样值用二进制数表示出来。

由于将采样值再用二进制表示出来需要一定的时间，因此，采样后的模拟量还必须要保持、量化和编码等过程。

所以，A/D转换过程一般要四步：采样、保持、量化和编码。

（1）采样和保持
采样是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入的模拟量。

如图1.9所示。

图1.9 采样电路
该电路就是在一系列选定的时间瞬间对输入模拟信号进行采样的电路。

电路中S是理想的模拟开关，CH是保持电容，S开关有采样脉冲信号VS控制。

当VS 高电平时，开关闭合VI(t)对电容CH充电（采样）；当VS低电平时，电容器上采样的电压保持。

进而可画出采样后的波形，如图2.0所示。

图2.0 采样保持波形图
为了能使采样后的信号不失真地再现原采样前的输入信号，由此，对采样的信号频率就有一定的要求。

由采样定理得：，式中为输入模拟信号频谱中的最高频率成分。

在实际的A/D转换中，允许存在一定的误差下，采样脉冲频率常按下式选取：。

由于每次把采样得到的电压转换为数字量都需要一定的时间，所以采样以后必须再将采样电压保持一段时间。

因此，进行A/D转换时所用的输入电压实际是每次采样结束时的值。

（2）量化和编码
输入的模拟的电压经过采样保持后，得到的是阶梯波。

由于阶梯的幅度是任意的，将会有无限个数值，因此该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量。

另一方面，由于数字量的位数有限，智能表示有限个数值（n为数字量智能表示
2n个数值）。

因此，用数字量来表示连续变化的模拟时就有一个类似于四舍五入的近似问题。

必须将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为量化。

指定的离散电平称为量化电平。

用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为编码。

两个量化电平之间的差值称为量化间隔S，位数越多，量化等级越细，S就越小。

取样保持后未量化的U0值与量化电平Uq值通常是不相等的，其差值称为量化误差，即。

量化的方法一般有两种：舍尾取整法和四舍五入法。

a、舍尾取整法
舍尾取整量化特性如图2.1所示。

图2.1 舍尾取整量化特性
舍去不足一个量化单位的尾部，取其证书。

当S表示为量化单位时，即有：图10 舍尾取整量化特性。

取量化值。

如当S=1V时，＝3.8V时量化值＝3V；
量化单位的计算：，n是ADC的位数采样后的最大值电压。

b、四舍五入法：大与S/2量化单位的尾部归整，舍去小于S/2量化单位的尾部。

3.2.7 A/D转换器的主要性能指标
（1）分辨率
分辨率反映转换器所能分辨的被测量最小值，通常用输出二进制代码的位数来表示。

（2）精度
精度是指转换结果相对于实际值的偏差，精度有两种表示方法：
a、绝对精度：用二进制最低位(LSB)的倍数来表示。

b、相对精度：用绝对精度除以满量程值的百分数来表示。

应当指出，分辨率与精度是两个不同的概念。

同样分辨率的A/D转换器其精度可能不同。

（3）量程（满刻度范围）
量程是指输入模拟电压的变化范围。

（4）线性度误差
理想的转换器特性应该是线性的，即模拟量输入与数字量输出成线性关系。

线性度误差是指转换器实际的模拟数字转换关系与理想的直线关系不同而出现的误差，通常用多少LSB表示。

（5）转换时间
从发出启动转换开始直至获得稳定的二进代码所需的时间称为转换时间。

转换时间与转换器工作原理及其位数有关。

同种工作原理的转换器，通常位数越多，其转换时间越长。

结合系统的设计要求，并考虑到单片机的I/O接口资源紧张等因素，最终确定选用专为高精度称重传感器而设计的24位A/D转换器芯片HX711。

3.3 STC89C52RC单片机
STC89C52RC单片机是宏晶公司推出的一款完全兼容MCS51的单片机，单片机片内集成了8K的FLASH程序存储器，512字节的RAM数据存储器，至少1K的E2PROM，2个数据指针，1个UART，8个中断源，4个中断优先级，3个定时器。

单片机可通过32个I/O口与外部电路连接。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上flash允许程序存储器在线可编程，也适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统上可编程闪烁存储单元，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。

STC89C52具有以下标准功能：8K字节闪烁存储器，256字节读写存储器，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许读写存储器、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，读写存储器内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

3.3.1 STC89C52RC引脚功能
VCC：电源。

GND：地。

P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0
具有内部上拉电阻。

在闪烁编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送“1”。

在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在闪烁编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

RST：复位输入。

当晶振工作时，RST引脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。

为了执行内部程序指令，EA应该接Vcc。

在闪烁编程期间，EA也接收12伏VPP电压。

XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。

图2.2 STC89C52引脚图
3.3.2 复位电路
单片机上电时，当振荡器正在运行时，只要持续给出RST引脚两个机器周期的高电平，便可完成系统复位。

外部复位电路是为提供两个机器周期以上的高电平而设计的。

系统采用上电自动复位，上电瞬间电容器上的电压不能突变，RST上的电压是Vcc上的电压与电容器上的电压之差，因而RST上的电压与Vcc 上的电压相同。

随着充电的进行，电容器上的电压不断上升，RST上的电压与Vcc上的电压相同。

随着充电的进行，电容器上的电压不断上升，RST上的电压就随着下降，RST脚上只要保持10ms以上高电平，系统就会有效复位。

电容C1可取10~33μF，R取10kΩ，充电时间常数为10×10-6×10×103=100ms。

3.3.3 晶振电路
STC89C52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端，外接石英晶体或陶瓷振荡器以及补偿电容C2、C3构成并联谐振电路。

当外接石英晶体时，电容C2、C3选30pF±10pF；当外接陶瓷振荡器时，电容C2、C3选40pF±10pF。

STC89C52系统中晶振频率一般在1.2~12MHz选择。

外接电容C2、C3的大小会影响振荡器频率的高低、振荡频
率的稳定度、起振时间及温度稳定性。

在设计电路板时，晶振和电容应靠近单片机，以便减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠工作。

在本系统中，选择了12MHz 石英晶振，电容C1、C2为30pF。

其电路图如图2.3。

图2.3 STC89C52单片机复位、晶振电路
3.4自动量程控制电路
为了保证系统的测量精度, 常常需要设计量程转换功能。

在自动量程转换电路中, 这里设计采用的方案是用微处理器控制程控增益放大器。

这种方法速度快、精度高,电路简单,判别和设置量程不会占用微处理器大量时间。

3.4.1 CD4052B介绍
CD4052B模拟多路器是数字控制的模拟开关,具有低导通阻抗以及低截止漏电流,模拟信号可以高至20V的峰峰值,通过数字控制来完成,这个数字信号可以从4. 5V到20V (如果Vdd - Vss =3V,那么Vdd - Vee直到13V都可以被控制,如果高于13V这个值,Vdd - Vss至少要4. 5V)例:如果Vdd = 4.5V,Vss =0V,Vee = - 13. 5V,那么从- 13. 5V到4. 5V的模拟信号都可以被0到5V的数字信号控制,当电源在最大的电压范围供电,控制信号是独立的逻辑状态,电路的损耗。