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简易电子称毕业论文

简易电子称

摘要

本文阐述了简易电子称的原理，提出设计整个系统的思路和所需考虑的问题，该设计以AVR系列单片机ATmega32为控制核心，系统可以分为最小系统、数据采集和人机交互界面三大部分。

最小系统部分主要包括ATmega32、时钟电路和复位电路；数据采集部分由称重传感器、信号放大部分组成，信号放大主要由三个高精度运算放大器OP07构成的仪表放大器；人机交互界面为键盘输入和点阵式液晶显示，主要使用4X4矩阵键盘和1602液晶显示器，可以方便的输入数据和直观的显示数据；系统电源以外接5V电源以提供系统正常工作电源。

经调试，该电子秤可以实现基本的称重功能（称重范围为0～2Kg，重量误差不大于±0.005Kg）。

整个系统结构简单，使用方便，功能齐全，精度高。

关键词：

称重传感器，仪表放大器，ATMEGA32，简易电子称

目录

摘要1

第一章引言5

第二章系统方案的设计5

2.1电子称的设计要求5

2.1.1基本要求5

2.1.2特色与创新6

2.2实验原理及设计基本思路6

2.2.1系统工作原理6

2.2.2系统设计基本思路6

2.3系统总体设计方案比较与论证6

2.3.1方案一7

2.3.2方案二7

2.3.3方案三8

2.4数据采集部分的方案确定8

2.4.1压力传感器8

2.4.2信号放大处理10

2.5人机互交部分10

2.5.1键盘输入10

2.5.2输出显示11

2.6最终确定方案总结11

第三章系统硬件设计12

3.1单片机小系统电路12

3.1.1单片机复位电路13

3.1.2单片机时钟电路13

3.2数据采集部分电路14

3.3人机交互部分电路15

3.3.1显示电路15

3.3.1按键控制电路15

3.4系统原理图16

第四章系统软件设计17

4.1主程序流程图17

4.2AD采集子程序流程图18

4.3置零子程序流程图18

4.4AD值转换Kg子程序流程图19

4.5显示子程序流程图20

4.6按键扫描和按键处理子程序流程图20

第五章系统的调试22

第六章结论23

6.1系统实现功能23

6.2系统存在问题23

6.3体会23

参考文献25

致谢26

附录A：

原理图27

PCB板图28

实物图29

附录B：

程序代码30

第一章引言

质量是测量领域中的一个重要参数，称重技术自古以来就被人们所重视。

秤是最普遍、最普及的计量设备，电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。

低成本、高智能化的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。

如今，电子产品变得越来越丰富，给人们带来了很多很多的方便，其中电子秤成了人们生活中不可缺少的一部分。

大大小小的市场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。

电子秤不但能很精确的称出商品的重量，还能去除皮重，累计所称物品重量，输入物品单价可快速的计算出金额，可以说非常的智能化，而且非常的精确。

由此，顾客在购物的时候非常的放心，商家的效益也提高了。

本设计就是为了基于单片机制作这样一种电子秤，它以单片机为核心在实际使用时达到以下要求：

1.电子秤称重范围：

0～2㎏；重量误差不大于

0.005㎏；

2.液晶显示：

所称物体重量、输入物品单价、金额等

本设计的控制功能包括基本的称重功能，显示功能。

由于系统资源丰富，还可以方便的拓展其他应用。

我相信通过这次对电子秤控制系统的设计，一定能够学到丰富的知识并对电子产品有更深一层的了解。

第二章系统方案的设计

电子秤的应用系统是由硬件和软件所组成。

硬件指单片机、扩展的输入输出设备等部分；软件是各种工作程序的总称。

硬件和软件只有紧密配合、协调一致，才能提高系统的性能价格比。

从一开始设计硬件时，就应考虑相应软件的设计方法，而软件设计是根据硬件原理和系统的功能要求进行的。

2.1电子称的设计要求

2.1.1基本要求

1.电子秤称重范围：

0～2Kg；重量误差不大于

0.005Kg；

2.液晶显示：

所称物体重量、输入物品单价、金额；

3.具有单价清零功能。

2.1.2特色与创新

1.使用单片机为控制核心，大大简化了系统的组成构造，且单片机可拓展性强，可以很方便的对系统进行拓展和应用。

2.使用键盘输入数据，操作简单，方便。

3.具有去皮功能和总价累加计算功能。

2.2实验原理及设计基本思路

2.2.1系统工作原理

电子秤的工作原理。

首先是通过称重传感器采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，通过三个OP07运算放大器构成一个仪表放大器使得信号放大，把放大的信号送入单片机的I/O口转换成数字量被送入到主控电路的单片机中处理，再经过单片机控制显示器，从而显示出被测物体的重量。

2.2.2系统设计基本思路

按照设计的基本要求，系统可以分为最小系统、数据采集、人机交互界面三大部分。

其中数据采集模块由称重传感器、仪表放大器组成。

由于选择的单片机型号自带A/D转换功能因此放大器出来的模拟信号直接送给控制器处理，由控制器完成对该数字量的处理，驱动显示模块完成人机间的信息交换。

此部分对软件的设计要求比较高，系统的大部分功能都需要软件来控制。

2.3系统总体设计方案比较与论证

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有以下几种：

2.3.1方案一

结构图如图2-1所示：

图2-1方案一结构图

此方案设计的电子秤，可以实现称物计价功能，但是局限于数码管的功能，在显示时只能显示单价、购物总额以及简单的代码等。

在显示重量时，如果数码管没有足够的位数，那么称量物体重量的精度必受到限制，所以此方案需要较多的数码管接入电路中，比较麻烦。

2.3.2方案二

结构图如图2-2所示：

图2-2方案二结构图

此方案前端信号处理时，选用放大、A/D转换等措施，尤其在显示方面采用LCD显示器。

这种方案不仅加强了人机交换的能力，而且满足设计要求，可以显示所称量的物体信息相关内容。

但电子称专用高精度高增益24位A/D转换芯片比较昂贵及外围电路比较复杂，编程复杂。

使用这种方案会给系统设计带来一定的难度。

2.3.3方案三

结构图如图2-3所示：

图2-3方案三结构图

目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，很多单片机自带A/D转换功能，所以只要将被测信号经放大整形后直接送入单片机A/D口，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系显示出被测物体的重量。

由于系统需要的按键较多，因此要采用4*4矩阵键盘。

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。

鉴于本电子秤设计的功能要求，所以在具体设计时采用了第三种设计方案。

2.4数据采集部分的方案确定

2.4.1压力传感器

在工业生产、科技研究及日常生活等各个领域，压力是需要检测的重要参数之一，它直接影响产品的质量，也是生产过程中一个重要的安全指标。

目前市场上压力传感器主要有电阻式、电容式和电感式等，本文简单介绍电阻应变式传感器和电感式传感器。

1、电阻应变式传感器

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。

电阻应变片是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。

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。

2、电感式传感器

电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量转换成线圈自感或互感量变化的一种装置，它常用来测量位移，凡是能够转变成位移的参数都可以检测，例如力、振动、尺寸、转速、计数测量和零件裂纹等缺陷的无损探伤等。

电感式传感器有如下特点：

1）结构简单、工作可靠；

2）可实现信息的远距离传输、记录、显示和控制；

3）在工业自动控制系统中被广泛采用；

4）灵敏度、线性度和测量范围相互制约；

5）存在交流零位信号及不宜于高频动态测量等。

通过以上对传感器的比较分析，最终选择电阻应变式传感器。

题目要求称重范围0～2Kg，重量误差不大于

0.005Kg，于是我选择的是HL-8型称重传感器，量程5Kg，精度为0.01%，满量程时误差

0.005Kg，完全满足本系统的精度要求。

2.4.2信号放大处理

经由传感器或敏感元件转换后输出的信号比较微弱；经由电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行A/D转换。

为此，测量电路中常设有模拟放大环节。

这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。

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。

由于传感器信号特点和OP07具有非常低的输入失调电压、输入偏置电流低和开环增益高的特点使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面，本设计采用三个OP07运算放大器构成一个仪表放大器来处理传感器微弱的信号，使得单片机更好的采集。

2.5人机互交部分

2.5.1键盘输入

键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。

本设计的键盘采用最常见的是由16个按键开关构成的4×4键盘，对于键盘状态的检测采用全行全列扫描。

所谓全行全列扫描，先将键盘的行号读入，改变单片机I/O口工作状态读入键盘的列号，行号和列号组成16种状态，与键盘一一对应。

检测方式除了可以利用键盘扫描软件外，还可利用现成的键盘扫描IC，如NS半导体公司所提供的MM74C922集成芯片，。

其内部集成了按键扫描、硬件去抖动、按键编码，数据三态输出。

16个按键对应于DataA、DataB、DataC、DataD引脚状态的0000～1111十六种数字输出状态，并有OE和DA两个控制信号。

还可作为中断信号，每按一次键产生一次中断，从读出的DataA、DataB、DataC、DataD引脚状态能够立刻知道按下的是哪个键，省去了软件扫描、软件去抖动，编程、使用十分方便。

价格较为昂贵，考虑其设计成本等原因，设计采用了4×4矩阵式键盘作为系统的输入单元。

2.5.2输出显示

方案一：

全部采用数码管显示，数码能显示被测物体的重量等信息。

此方案显示直观，而且编程简单，但若要同时显示单价，金额等诸多信息则需要大量的数码管。

由此增加了电路的复杂程度，也加大了编程的难度。

方案二：

采用可以设置显示单价，金额，总价字符等的LCD，它具有低功耗、可视面大、画面友好及抗干扰能力强等功能，其显示技术已得到广泛应用。

其工作原理：

液晶显示器的主要材料是液态晶体。

它在特定的温度范围内，既具有液体的流动性，又具有晶体的某些光学特性，其透明度和颜色随电场、磁场、光照度等外界条件变化而变化。

因此，用液晶做成显示器件，就可以把上诉外界条件的变化反映出来从而形成现实的效果。

通过对比选择了点阵式1602液晶显示。

2.6最终确定方案总结

根据以上设计方案，硬件部分采用AVR系列单片机ATmega32为控制核心部件，实现电子秤的基本控制功能。

系统的硬件部分不仅包括以单片机ATmega32为核心的最小系统部分，而且还包括数据采集、人机交互界面等部分。

数据采集部分由HL-8型称重传感器、高精度运算放大器OP07组成。

在具体选择传感器时，考虑到在称量物品时必要的精度、准确性要求，所称物品的重量误差必须要控制在一定的范围之内。

另外由于秤台的自身重量、振动和冲击分量，以及还要避免物体超重时对传感器的损坏，所以在选择传感器时要保证有一定的承重裕量，所选的传感器量程应该比系统设计要求的要大，且需要满足精度要求，满量程时候的误差不能大于规定量。

人机交互部分的键盘在系统中，可以输入数字和已经固定的控制命令等。

在这次设计中我们采用常用的4X4矩阵键盘。

显示用的LCD我们根据要求选用了点阵式液晶显示器1602。

系统硬件的结构框图如图2-4所示：

图2-4系统硬件结构框图

第三章系统硬件设计

3.1单片机小系统电路

ATmega32是AVR单片机系列中高性能、低功耗8位AVR微处理器，它片内存储器容量是AT89S52的4倍，即片内32KB的Flash程序存储器和2KB的RAM。

另外，它还增加了一些功能极强的功能：

8路10位ADC、4通道PWM、一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器等特殊功能。

引脚封装如图3-1所示：

图3-1单片机ATmega32引脚图

3.1.1单片机复位电路

复位电路有上电复位和手动按钮复位两种形式，RES端的低电平直接由上电瞬间产生低电平则为上电复位；若通过按钮产生低电平复位信号称为手动按钮复位。

上电自动复位是在加电的瞬间，电容C1通过电阻R16充电，就在ATmega32的RES端出现一定时间的低电平，只要低电平的时间大于最小脉冲宽度即可复位。

单片机复位电路如图3-2所示：

图3-2单片机复位电路

3.1.2单片机时钟电路

系统的时钟电路设计采用的是外部方式。

外接晶体谐振器及电容构成并联谐振电路，接在单片机两个时钟引脚上。

在焊接电路板时，晶体振荡器的电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定和可靠地工作。

时钟电路如图3-3所示：

图3-3单片机时钟电路

3.2数据采集部分电路

数据采集部分电路如图3-4所示：

图3-4数据采集部分电路

由图3-4可知，电路主要由三部分组成，由称重传感器电路，将被称物的重量转换成与之一定关系的模拟电压；由U1、U2、U3及外围电阻组成的仪表放大器，它主要由两级差分放大器电路构成。

其中，运放U1，U2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比（即共模抑制比CMRR）得到提高。

这样在以运放U3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R4和R9，R5和R10的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。

在R2=R8，R4=R9，R5=R10的条件下，图3-4电路的增益为：

式3-2

由公式3-2可见，电路增益的调节可以通过改变R1、R3阻值实现。

3.3人机交互部分电路

3.3.1显示电路

单片机与LCD1602液晶采用4条数据线和2位控制线通讯，这种方式节省单片机I/O口资源，单片机的PORTC高4位与液晶数据端的高4位接，PORTC.2和PORTC.3分别与液晶控制端RS、E接，电路如下图3-5所示：

图3-5显示电路原理图

3.3.1按键控制电路

采用了最常用4*4矩阵键盘输入，电路原理图如3-6所示：

图3-6键盘控制电路

键盘面板说明如表3-1所示：

表3-1键盘面板按键功能表

7

8

9

置零

4

5

6

累计

1

2

3

去皮

0

.

清零

开/关

3.4系统原理图

图3-7系统原理图

第四章系统软件设计

系统整个软件采用模块化设计,由主程序、AD采集子程序、置零子程序、AD转KG子程序、液晶显示子程序、按键扫描子程序及按键处理子程序等模块组成。

系统软件主要完成数据采集、数据转换、去皮、累计、置零以及重量、单价、总价等显示的功能。

4.1主程序流程图

图4-1主程序流程图

4.2AD采集子程序流程图

图4-2AD采集子程序流程图

由于系统电源不是平滑不变导致采集到单片机的AD值不稳定，在AD采集子程序中采用了软件了取平均值法进行滤波，此方法将连续10次的AD数据，从小到大排序，将最大值和最小值舍弃，再求平均值。

4.3置零子程序流程图

图4-3置零子程序流程图

图4-3中AD1数组为人为设定的基准值，AD2数组为AD1数组的校正值。

置零子程序主要是实现系统开机时自动将零点校正，提高系统的准确率；还可以防止在系统不稳定工作时，调节基点减小系统的误差。

4.4AD值转换Kg子程序流程图

图4-4AD值转换Kg子程序流程图

图4-4中AD1，Kg数组为人为设定的基准表，AD2数组为AD1数组的校正值。

AD值转换Kg子程序首先找到当前AD值在AD2数组中的位置，再根据式4-4-2确定当前物品重量。

式（4-4-1）

其中

为AD2数组中第i个元素，

为Kg数组中第i个元素，X为当前物品AD值，Y为对应物品Kg值。

4.5显示子程序流程图

图4-5显示子程序流程图

显示子程序实现压力传感器上物品的重量（单位：

Kg）、键盘输入的单价（Kg/元）计算出总价分别显示在LCD1602指定的坐标上。

4.6按键扫描和按键处理子程序流程图

按键扫描子程序实现单片机对16个按键的识别，流程图中A1为按键释放标志位，标志按下后是否释放，An为按键按下标志位，到按键处理子程序做相应的处理；按键处理子程序处理实现了物品单价的输入、去皮、累计、开关、置零等系统功能。

图4-6按键扫描和按键处理子程序流程图

第五章系统的调试

在系统硬件各个部分方案确定之后，首先在仿真软件Proteus中进行仿真，由于在整个系统中由于最小系统电路、按键电路和显示电路技术比较成熟，因此调试主要是针对数据采集电路，在仿真软件中没有压力传感器，所以仿真过程中用特定的电压来模拟压力传感器，然后用Protel99SE绘图软件进行PCB的制作，用实际电路进行调试，用信号发生器和示波器调节仪表放大器的增益，确保硬件电路正常工作。

在调试软件部分，先在最小系统板上进行模块化的调试，调试中系统采用外接+5V的电源有文波，导致在AD采集数据时不稳定，只能经过一定的软件滤波算法将AD值稳定，最后配和硬件电路利用bascom-AVR和progisp软件进行反复下载、观察、修改，完成设计要求。

系统结构简单、容易实现。

为了验证系统的测量精度,在设计调试中进行了实物测试，测量数据如表5-1所示：

实际值（Kg）

0.000

0.200

0.500

1.000

1.200

1.500

1.800

2.000

测

量

值

第一次

0.000

0.205

0.505

0.995

1.200

1.505

1.805

1.995

第二次

0.005

0.195

0.500

1.005

1.195

1.505

1.800

1.995

第三次

0.000

0.200

0.500

0.995

1.205

1.495

1.795

2.000

第四次

0.000

0.205

0.500

1.000

1.200

1.500

1.795

2.000

从表5-1的数据可以看出测量数据误差可以控制在±0.005Kg左右，所设计的作品是比较成功的，数据比较稳定，具有一定的可重复性。

但是由于受环境、系统构架不稳定、AD值基准电压不稳定的影响测量值与实际值总有一些偏差。

如果想提高系统的测量精度，可以采取硬件滤波和非线性补偿等措施。

如数据端口电压值变化不大，则可认为AD值基本不变。

第六章结论

经过几个月的努力，终于按照毕业设计进度要求如期完成了实用电子秤控制系统的硬件设计和软件编写任务。

在做毕业设计的过程中，虽然碰到了不少的困难，但是在老师的指导以及自己的努力下，终于取得了一定成果。

6.1系统实现功能

1、能够称重（电子秤称重范围：

0～2Kg；重量误差不大于

0.005Kg）；

2、液晶显示能够显示所称物体重量、输入物品单价、金额；

3、单价输入错误具有清零功能；

4、具有开关、置零、去皮、累计功能。

6.2系统存在问题

1、电子电路的设计中对各种影响因素的考虑不够完全，比如在对过电压情况的处理中未作防范措施。

2、系统设计不够优化，有待改善。

比如系统的显示液晶没有使用中文液晶，因此显示不是非常直观。

3、可扩展更多电路，如日历时钟电路、通讯接口电路、微型打印机等。

日历时钟电路可以显示时间日期，通讯接口电路可以与上位机（PC机）进行通讯，从而将大量的商品数据存于上位机，然后通过串口或并口通讯与电子秤相连，达到远距离控制的目的。

4、对各种实用芯片价格了解不够，选择上仍有欠缺，如所选的称重传感器价格较贵。

6.3体会

在这次设计中我使用了电桥式称重传感器HL-8型，用集成运放OP07将传感器的信号放大，将OP07输出的模拟信号传送给单片机Atmega32的AD端口，单片机Atmega32将数字信号进行数据处理，并联上液晶显示屏1602和矩阵键盘进行人机交换。

运用Protues软件仿真。

当然，这其中也有很多问题，第一、不够细心比如由于粗心大意接错了线，由于对课本理论的不熟悉导致编程出现错误。

第二，是在学习态度上，这次设计是对我的学习态度的一次检验。

对于这次设计实习，我的第一大心得体会就是作为一名工程技术人员，要求具备的首要素质绝对应该是严谨。

我们这次设计所遇到的多半问题多数都是由于我们不够严谨。

第三，在做人上，我认识到，无论做什么事情，只要你足够坚强，有足够的毅力与决心，有足够的挑战困难的勇气，就没有什么办不到的。

　　在这次难得的毕业设计过程中我锻炼了自己的思考能力和动手能力。

通过题目选择和设计电路的过程中，加强了我思考问题的完整性和实际生活联系的可行性。

在方案设计选择和芯片的选择上，培养了我们综合应用单片机的能力，对单片机的各个管脚的功能也有了进一步的认识。

还锻炼我们个人的查阅技术资料的能力，动手能力，发现问题，解决问题的能力。

并且我们熟练掌握了有关器件的性能及测试方法。

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