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基于单片机的家用电子称的设计摘要本系统采用单片机AT89S52为控制核心，实现电子秤的基本控制功能。系统的硬件部分包括单片机控制部分，数据采集部分，和人机界面部分，数据采集部分由称重传感器，信号的前级处理和A/D转换部分组成。人机界面部分为键盘输入，四位LED数码显示器，可以直观的显示重量的具体数字，使用方便。本文主要研究了家用电子称所涉及的硬件方面的问题及对单片机，测量电路，A/D转换器的选择和工作性能分析和对系统出现的误差和电路设计中出现的问题进行分析和讨论。关键词：单片机，数据采集，人机界面目录第一章家用电子称的概述1.1问题的提出和研究背景1.2电子称的发展现状及趋势第二章设计方案的选择和确定2.1传感器的选择2.2放大器及放大电路的选择2.3A/D转换器的选择2.4单片机的选择第三章系统硬件设计3.1系统硬件的总体设计3.2系统硬件的总体框图3.3系统硬件模块图及各模块功能小结第一章家用电子称的概述1.1问题的提出和研究背景科技的发展推动着社会的进步，日新月异的科技产品让人类的生活变的越来越舒适越来越便捷，测控系统在当今社会起着非常重要的作用，，随着生活水平的提高，商品的种类和样式越来越来多，我们出门买东西无论是在超市还是在市场都经常会用到电子称，电子称在我们的日常生活中已经成为必不可少的工具，家用电子秤具有称重精确度高，简单实用，成本低，制作简单，测量准确，分辨率高，不易损坏和价格便宜等优点受到人们的喜爱，是家庭购物使用的首选，为了能更深入了解电子称的结构和工作原理，我把研究基于单片机的家用电子称做为我的课程设计的题目，该电子称的主要功能有通过LED数码管可以显示重量的具体数值，通过按键可以实现电子称的开关，1.2电子称的发展现状和趋势一、电子称的发展现状50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过40多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。我国电子衡器的技术装备和检测试验手段基本达到国际90年代中期的水平。电子衡器制造技术及应用得到了新发展。电子称重技术从静态称重向动态称重发展：计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。但就总体而言，我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。二、发展趋势通过分析今年来电子衡器业的发展和市场需求，电子称已趋向于小型化、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。第二章设计方案的选择和确定2.1传感器的选择在我们日常生活中对力的测量体现在称重仪器上，主要有电子称，汽车衡等，因此，称重系统中使用的测力传感器通常是指称重传感器，称重传感器有拉伸式和压缩式两种，最常用的是应变式称重传感器和压阻式称重传感器，称重传感器是电子称重系统的心脏，它的性能在很大程度上决定了电子称重系统的准确度和稳定性，在设计电子称重系统时，称重传感器的选择极其重要，本课程设计选择的是压阻式称重传感器，压阻式称重传感器属于电阻应变式传感器，电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，广泛应用于电子秤以及各种新型结构的测量装置，它是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件，悬臂梁式称重传感器式利用电阻应变原理构成的一种高精度载荷传感器，它由四片电阻应变计贴于剪切悬臂梁式弹性体的中性面上，组成一全桥平衡电路，当传感器受到外力作用时，弹性体产生变形，电阻应变计阻值发生变化，使条路失去平衡，在外界共条电源作用下，电桥输出以不平衡直流电压信号，该信号的大小于传感器所受外力大小成正比，据此，可测定外载荷的大小，CZL-YB-3系列称重传感器有体积小，结构先进，价格低廉等特点，广泛用于家用手提电子称，小型电子台称和厨房称等，是理想的用于制作家用电子称的称重传感器。2.2放大器的选择和确定在许多需要用A/D转换和数字采集的测量系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。LM358双运算放大器内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合，其内部结构如图1所示：图1LM358的特点:.内部频率补偿.低输入偏流.低输入失调电压和失调电流.共模输入电压范围宽，包括接地.差模输入电压范围宽，等于电源电压范围.直流电压增益高(约100dB).单位增益频带宽(约1MHz).电源电压范围宽：单电源(3—30V)；.双电源(±1.5一±15V).低功耗电流，适合于电池供电2.3A/D转换器的选择双积分型A/D转换器精度高，但速度较慢(如：ICL7135),具有精确的差分输入，输入阻抗高，可自动调零，超量程信号，全部输出于TTL电平兼容。双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50HZ的工频干扰抑制能力较强，对高于工频干扰（例如噪声电压）已有良好的滤波作用。只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。故而采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。作为电子秤，系统对AD的转换速度要求并不高，另外双积分型A/D转换器较强的抗干扰能力，和精确的差分输入，低廉的价格。综合的分析其优点和缺点，我最终选择了ICL7135。ICL7135是四位半的双积分A/D转换器，采用28脚DIP封装，可直接与单片机进行连接，其引脚和功能如图2所示：{1}脚（Ｖ－）－５Ｖ电源端；{2}脚（ＶＲＥＦ）基准电压输入端；{3}脚（ＡＧＮＤ）模拟地；{4}脚（ＩＮＴ）积分器输入端；{5}脚（ＡＺ）积分器和比较器反相输入端；{6}脚（ＢＵＦ）缓冲器输出端；{7}脚（ＣＲＥＦ＋）基准电容正端；{8}脚（ＣＲＥＦ－）基准电容负端；{9}脚（ＩＮ－）被测信号负输入端；{10}脚（ＩＮ＋）被测信号正输入端；{11}脚（Ｖ＋）＋５Ｖ电源端；{12}、{17}～{20}脚（Ｄ１～Ｄ５）位扫描输出端；{13}～{16}脚（Ｂ１～Ｂ４）ＢＣＤ码输出端；{21}脚（ＢＵＳＹ）忙状态输出端；{22}脚（ＣＬＫ）时钟信号输入端；{23}脚（ＰＯＬ）负极性信号输出端；{24}脚（ＤＧＮＤ）数字地端；{25}脚（Ｒ／Ｈ）运行／读数控制端；{26}脚（ＳＴＲ）数据选通输出端；{27}脚（ＯＲ）超量程状态输出端；{28}脚（ＵＲ）欠量程状态输出端。主要性能特点：１）输入阻抗达１０９Ω以上，对被测电路几乎没有影响；２）自动校零；３）有精确的差分输入电路；４）自动判别信号极性；５）有超、欠压输出信号６）采用位扫描与ＢＣＤ码输出。图22.4单片机的选择目前MCS-51系列单片机以其独特的优点在智能仪表，家用电器，工业控制，数据采集，网络通信等领域得到广泛的应用，已成为世界主流的单片机，AT89S52是Atmel公司于2003年推出的新型品种，它是一个低功耗高性能的CMOS8位单片机，40个引脚，片内含4KBFlashROM和128BRAM，器件采用Atmel公司高密度、非易失性存储技术生产，32各外部双向输入输出（I/O）接口，同时内含两个外中断口，两个16位可编程定时器计数器，两个全双工串行通信口，具有支持ISP在线更新程序的功能，可实时的改进程序，而且成本低，学校单片机试验室使用该类型的单片机，选择此单片机还可以很方便利用实验室的单片机仿真板进行试验，对电路硬件中出现的问题可以及时进行改进。第三章系统硬件设计3.1系统硬件总体设计本课程设计的电子秤以单片机为主要部件，利用全桥测量原理，构成一件简单电子称，其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器，本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。而二运放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。ICL7135A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到控制电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。3.2系统硬件的基本工作原理框图如图3所示：图33.3系统硬件模块图及各模块的功能一，电源电路模块图4此电路如图4所示是为ICL7135A/D转换器供电的正负5V双极性稳压电源，稳压电源为通用型三段固定稳压器7805和7905，由电源变压器的次级分别向7805和7905输入端供电使其输出电压分别为+5V和-5V的电源电压。二，单片机控制与ICL7135A/D转换器连接模块P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78INT113INT012T115T014EA/VP31XTAL119XTAL018RESET9RD17WR16GND20PSEN29ALE/P30TXD11RXD10p2.728p2.526p2.425p2.324p2.223p2.122p2.021p0.732p0.633p0.534p0.435p0.336p0.237p0.138p0.039VCC40P2.627*AT89C52100KR11uFC31233pF33pFVCC0.1uFp2.4p2.5p2.6p2.71.0uC20.47uC1VCC100pFC?Cap1KR?1KR?S?+5VOUT1OUT2R/H25V-1STRB26ACOM3REF2CLK22CRF+8CRF-7IN+10IN-9DGNG24V+11UNDRNG28BUSY21POL23OVRNG27D120D219D318D417D512B816B415B214B113INTOUT4AUO05BFOUT6*INC7135RESET*SN7404*SN7404*SN74040.05uC?1K1K12图5此电路为A/D转换电路与单片机的连接图如图5所示，13~16(B1,B2,B4,B8)为BCD码输出端,与单片机的P2.4~P2.7相连,通过ICL7135A/D转换器把来自运算放大器的模拟信号转变为数字信号传给单片机进行编译控制,21脚（BUSY）为忙状态输出端，与单片机定时器/计数器中断INT0相连，由于“busy”输出端（ICL7135的21脚）高电平的宽度等于积分和反积分时间之和。ICL7135内部规定积分时间固定为10001个时钟脉冲时间，反积分时间长度与被测电压的大小成比例。如果利用单片机内部的计数器对ICL7135的时钟脉冲计数，利用“busy”作为计数器门控信号，控制计数器只能在busy为高电平时计数，通过BUSY对INTO施加中断信号来控制BCD码的输出，CLK时钟信号输入端，用个时钟发送器对其提供时钟脉冲三，信号采集模块信号采集模块由运算放大器和A/D转换器组成如图6所示：100K1uFINT1OUT2GND3*MC1403+5V0.01uF1.0uF0.1uFp0.0p0.1p0.2p0.3p0.4p0.5p0.6p0.7p2.0p2.4p2.5p2.6p2.71.0u0.47uOUT1IN1-2IN1+3GND4VCC5OUT26IN2-7IN2+8*LM3581K1K1KVCCOUT1OUT2R/H25V-1STRB26ACOM3REF2CLK22CRF+8CRF-7IN+10IN-9DGNG24V+11UNDRNG28BUSY21POL23OVRNG27D120D219D318D417D512B816B415B214B113INTOUT4AUO05BFOUT6*I