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单片机课程设计报告 基于单片机的电子秤设计.pdf
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2022-07-03
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这篇报告讲述了基于单片机的电子秤设计,主要涉及了微控制器、传感器技术以及电子秤的基本功能和设计要求。在设计过程中,系统采用压力传感器采集压力变化产生的电压信号,通过放大电路、A/D转换器转化为数字信号,由单片机进行处理并显示在LCD液晶显示器上。设计还包含了过载提示和报警功能。 单片机方面,选择了AT89S52型号,它具有8KB的程序存储器、256×8字节RAM、2个16位定时计数器和4个8位I/O接口,适合于实现电子秤的测量和控制功能。AT89S52的优势在于其闪存技术,方便程序写入,并且尺寸小巧,价格实惠,性能稳定。 压力传感器选用了SP20C-G501电阻应变式传感器,最大量程7.5Kg,具有过载保护装置。其工作原理基于惠斯登电桥,能提供高精度、良好温度特性和稳定性的测量输出。当受到负载时,弹性体变形,应变片阻值变化,通过电桥转换为电压信号。 放大电路采用了高精度低漂移运算放大器构建差动放大器,以提高输入阻抗和增益,确保信号的有效传输。A/D转换器的选择对于整个设计至关重要,这部分未详细说明具体型号,但在电子秤系统中,通常会选用高速、高精度的A/D转换器以保证测量的准确性和实时性。 此外,设计还包含了键盘设定功能,允许用户设置物品价格,以及与上位机和数据存储设备的通信能力,这可能通过串行通信接口如UART或SPI实现,以实现数据交换。 这个基于单片机的电子秤设计融合了硬件电路设计、软件编程、传感器应用和信号处理等多个方面的知识,是一个典型的嵌入式系统开发实例。在实际应用中,这样的电子秤不仅便于携带,而且计量准确,满足了商业和家庭的日常需求。
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2009 级 电子信息科学与技术专业 单片机课程设计报告
基于单片机的电子秤设计
一、【设计题目】
基于单片机的电子秤设计
二、【设计要求】
设计要求如下:
(1)设计一款电子秤,用 LCD 液晶显示器显示被称物体的质量
(2)可以设定该秤所称的上限
(3)当物体超重时,能自动报警。
三、【设计过程】
1.【方案设计】
微控制器技术、传感器技术的发展和计算机技术的广泛应用,电子产品的更
新速度达到了日新月异的地步。本系统在设计过程中,除了能实现系统的基本功
能外,还增加了打印和通讯功能,可以实现和其他机器或设备(包括上位 PC机
和数据存储设备)交换数据 .除此之外,系统的微控制器部分选择了兼容性比较
好的AT89系列单片机,在系统更新换代的时候,只需要增加很少的硬件电路,
甚至仅仅删改系统控制程序就能够实现。
另外由于实际应用当中,称可以有一定量的过载,但不能超出要求的范围,
为此本设计提供了过载提示和声光报警功能。
综上所述,本课题的主要设计方案是:利用压力传感器采集因压力变化产生
的电压信号,经过电压放大电路放大,然后再经过模数转换器转换为数字信号,
最后把数字信号送入单片机。单片机经过相应的处理后,得出当前所称物品的重
量及总额,然后再显示出来。此外,还可通过键盘设定所称物品的价格。主要技
术指标为:称量范围0~5kg;分度值0.01kg;精度等级Ⅲ级;电源DC1.5V(一节
5号电池供电)。其设计框图如图3.1所示。
这种高精度智能电子秤体积小、计量准确、携带方便 ,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。
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2009 级 电子信息科学与技术专业 单片机课程设计报告
放大电路
A/D 转换器
阀值报警
压力传感器
AT89S52 单片机
键盘设定
LCD 显示器
图 3.1 系统设计框图
2.【器件选择】
2.1 单片机选择
本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器 ,而且以单片机为主控制
器的设计,可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起,组成新型的只需
要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。考虑到本设计中程序部
分比较大,根据总体方案设计的分析,设计这样一个简单的的系统,可以选用带
EPROM 的单片机,由于应用程序不大,应用程序直接存储在片内,不用在外部扩
展存储器,这样电路也可简化。INTEL 公司的 8051 和 8751 都可使用,在这里选用
ATMENL生产的 AT89SXX系列单片机。AT89SXX系列与 MCS-51 相比有两大优势:
第一,片内存储器采用闪速存储器,使程序写入更加方便;第二,提供了更小尺寸
的芯片,使整个硬件电路体积更小
[1]
。此外价格低廉、性能比较稳定的 MCPU,具
有 8K×8ROM、256×8RAM、2 个 16 位定时计数器、4 个 8 位 I/O 接口。这些配置能
够很好地实现本仪器的测量和控制要求
最后我们选择了 AT89S52 这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。
AT89S52 内部带有 8KB 的程序存储器,基本上已经能够满足我们的需要。
2.2 压力传感器的选择
在本设计中,传感器是个十分重要的元件,因此对传感器的选择也显得十分重
要。不仅要注意其量程和参数,还要考虑与其相配置的各种电路的设计的难易程度
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和设计性价比等等。
综合考虑,本设计采用 SP20C-G501 电阻应变式传感器,其最大量程为 7.5 Kg.称重
传感器由组合式 S 型梁结构及金属箔式应变计构成,具有过载保护装置。由于惠斯
登电桥具诸如抑制温度变化的影响,抑制干扰,补偿方便等优点,所以该传感器测
量精度高、温度特性好、工作稳定等优点,广泛用于各种结构的动、静态测量及各
种电子秤的一次仪表。该称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成,其
工作原理如图 3.2 所示。
R1 R1
R2 R2
R4 R4
R3 R3
图 3.2 传感器工作原理图
其工作原理
[2]
:用应变片测量时,将其粘贴在弹性体上。当弹性体受力变形时,
应变片的的敏感栅也随之变形,其阻值发生相应的变化,通过转换电路转换为电压
或电流的变化。由于内部线路采用惠更斯电桥,当弹性体承受载荷产生变形时,输
出信号电压可由下式 3.1 给出:
Eout
R2 R4
△R1 △R2 △R3 △R4
Ein
(3.1)
(R2 R4)
R1 R2 R3 R4
2.3 放大电路选择
主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器,而构成的前级处理电路差动
放大器具有高输入阻抗,增益高的特点,可以利用普通运放做成一个差动放大器。
其设计电路如图 3.3 所示:
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图 3.3 利用普通运放设计的差动放大器电路图
2.4 A/D 转换器选择
A/D 转换部分是整个设计的关键,这一部分处理不好,会使得整个设计毫无意
义。目前,世界上有多种类型的 ADC,有传统的并行、逐次逼近型、积分型 ADC,
也有近年来新发展起来的∑-Δ 型和流水线型 ADC,多种类型的 ADC 各有其优缺点
并能满足不同的具体应用要求
[3]
。目前, ADC 集成电路主要有以下几种类型:
(1)并行比较 A/D 转换器:如 ADC0808、 ADC0809 等 。并行比较 ADC 是现
今速度最快的模/数转换器,采样速率在 1GSPS 以上,通常称为“闪烁式”ADC。它
由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分组成。这种结构的 ADC 所有位的
转换同时完成,其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。
缺点是:并行比较式 A/D 转换的抗干扰能力差,由于工艺限制,其分辨率一般不高
于 8 位,因此并行比较式 A/D 只适合于数字示波器等转换速度较快的仪器中,不适
合本系统。
(2) 逐次逼近型 A/D 转换器:如:ADS7805、ADS7804 等。逐次逼近型 ADC
是应用非常广泛的模 /数转换方法,这一类型 ADC 的优点:高速,采样速率可达
1MSPS;与其它 ADC 相比,功耗相当低;在分辨率低于 12 位时,价格较低。缺点:
在高于 14 位分辨率情况下,价格较高;传感器产生的信号在进行模/数转换之前需
要进行调理,包括增益级和滤波,这样会明显增加成本。
(3)积分型 A/D 转换器:如:ICL7135、ICL7109、ICL1549、MC14433 等。积
分型 ADC 又称为双斜率或多斜率 ADC,是应用比较广泛的一类转换器。它的基本
原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。与此
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同时,在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数,从而实现A/D 转换。积分
型 ADC 两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定,因此所得到
的表达式与时钟频率无关,其转换精度只取决于参考电压 VR。此外,由于输入端
采用了积分器,所以对交流噪声的干扰有很强的抑制能力。若把积分器定时积分的
时间取为工频信号的整数倍,可把由工频噪声引起的误差减小到最小,从而有效地
抑制电网的工频干扰。这类 ADC 主要应用于低速、精密测量等领域,如数字电压
表。其优点是:分辨率高,可达22 位;功耗低、成本低。缺点是:转换速率低,转
换速率在 12 位时为 100~300SPS。
(4)压频变换型 ADC:其优点是:精度高、价格较低、功耗较低。缺点是:类似
于积分型 ADC,其转换速率受到限制,12 位时为 100~300SPS。
考虑到本系统中对物体重量的测量和使用的场合,精度要求不是很苛刻,转
换速率要求也不高,根据系统的精度要求以及综合的分析,本设计采用了 12 位
并行 A/D 转换器 AD1674。
2.5 键盘处理部分
由于电子秤需要设置单价(十个数字键),还具有确认、删除等功能,总共
需设置 17 个键(包括一个复位键)。键盘的扩展有使用以下方案:
采用矩阵式键盘:矩阵式键盘的特点是把检测线分成两组,一组为行线,一
组列线,按键放在行线和列线的交叉点上。本设计采用一个 4×4 的矩阵键盘结构
的键盘接口电路,每一个按键都通过不同的行线和列线与主机相连这。4×4 矩阵
式键盘共可以安装 16 个键,但只需要 8 条测试线。当键盘的数量大于 8 时,一
般都采用矩阵式键盘。结合本设计的实际要求,16 个按键使用 4×4 矩阵式键盘,
另外一个复位键使用独立式按键实现。
2.6 显示器部分的选择
显示器是人机交换的主要部分,他可以将测量电路测得的数据经过 cpu 处理
后直观的显示出来。数据显示有两种方案:LED 数码显示和 LCD 液晶显示。LCD
液晶显示器是一种极低功耗显示器,从电子表到计算器,从袖珍仪表到便携式微
型计算机以及一些文字处理机都用到了液晶显示器。考虑到液晶显示器的直观方
便,这次设计选择了 LCD 液晶显示器。
2.7 超量程报警部分选择
智能仪器一般都具有报警和通讯功能,报警主要用于系统运行出错、当测量
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