多功能电子秤设计毕业设计

1233随着时代科技的迅猛发展，常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，人们生活水品也更进一步的有所提高。智能化的电子产品自然也得到了越来越多人的喜爱，而多功能电子秤具有结构体积小、测量的精度较高、拥有广泛的应用范围、机械操作起来简便易懂等优点，基本取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量器具。

本设计介绍了该系统实现方法，通过LCD显示器显示所测重量以及当前选择的功能。该课题的设计主要由STC89C52单片机、重量测量模块、A/D转换模块ADC0808、单片机的外围接口电路：4*4矩阵扫描按键以及LCD1602液晶屏幕显示五部分组成。本系统比传统测量更具有准确性和直观性，具有一定的实际推广性。

关键字：压力传感器；STC89C52单片机；ADC0808；LCD1602

第一章绪论

1.1课题目地与意义

1.2国内外多功能电子秤的发展与现状

1.3主要工作及设计思路

第二章硬件设计

2.1工作原理

2.2系统总体设计方案

2.3控制器部分

2.4数据采集部分

2.5键盘处理部分

2.6显示电路部分

2.7报警部分

第三章具体电路设计

3.1AT89C52的最小系统电路

3.2数据采集部分电路设计

3.3显示电路与AT89C52单片机接口电路设计

3.4键盘电路与AT89C52单片机接口电路设计

3.5报警电路的设计

第四章软件设计

4.1主程序设计

4.2子程序设计

4.21A/D转换设计及数据读取程序设计 4.22显示子程序设计

4.23键盘输入控制程序的设计

4.24报警子程序的设计

第五章仿真调试

5．1软件试用

5．2仿真调试

第六章总结

1绪论

1.1课题目的及意义

多功能电子秤属于我们日常生活中常用的测量系统，广泛的在各中小型超市、大中型商场、物流配送中心等地方应用。由于它具有结构体积小、测量的精度较高、拥有广泛的应用范围、机械操作起来简便易懂等优点。本次所设计的基于8051的多功能电子秤具有STC89C52单片机、重量测量模块、A/D转换模块ADC0808、单片机的外围接口电路：4*4矩阵扫描按键以及LCD1602液晶屏幕显示五部分组成。为了满足重量测量系统测量范围30kg，测量精度能够在0.001kg以下，选择使用了电阻应变式压力传感器，并且应用了A/D 转换芯片ADC0808。重量测量系统通过4*4扫描键盘选择功能，再运用LCD1602液晶屏幕显示测量结果，比传统测量更具有准确性和直观性。

多功能电子秤属于电子衡器中的一种，是国际之间贸易，国防科技建设，科学研究当中不可缺少的重要计量设备，所用设备产品的水平的高低，将直接影响着各行各业的发展水平与社会整体经济效益的提高。电子秤具有重量较轻，体积较小，结构简单，维护起来方便等特点，重量信号可以通过远程数据传输，易于实现称重显示的数字化，达到生产过程中的自动化流程的目的。目前市场上使用的称量工具，很多都属于结构复杂，或者运行不可靠，并且制造成本高，而且整体水平不高，还存在部分小型企业生产质量差且技术环节薄弱，设备不齐全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，有针对性的开发出一套有实用价值的多功能电子秤，从技术上克服上述诸

多缺点，改善重量测量系统在应用中的不足之处，具有现实意义。1.2国内外多功能电子秤的发展及现状

电子秤是人们在生活和生产中的重要计量工具之一，无论是在工农业还是在制造业以及食品行业等都能见到它的身影，它成功解决了物体间量的差距问题，也大大的提高了企业在生产中实现的经济效益，加快了生产力度和生产进度，保证了生产质量。

我国的衡器产业随着历史的发展，经过了漫长的发展历程，但是长期以来都是以机械衡器为主，直至二十世纪八十年代，由于电子衡器的逐步扩大应用才开始踏上研究开发之路。进入新世纪后，我国的衡器产业发展进入了快速发展通道，衡器产品亦开始发生质的变化，并逐步向高产量发展，无论是在产品结构还是在制造水平方面，都实现了飞跃的发展，慢慢演变成小型化、模块化、集成化和智能化发展，其技术日趋成熟，趋向于高效率、高精确度、高稳定性以及高可靠性，适用于各行各业，综合性高。但就总体而言，我国电子秤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。

1.3课题要求及内容安排

本文主要介绍了一种基于8051的多功能电子秤的设计过程，给出了各个模块的详细设计思路、电路图以及程序代码。在文章的原理与总体方案中将介绍到设计的原理和思路。在硬件设计章节中，则将较为详细地介绍系统硬件各个模块功能的说明和使用。文中介绍了重

量测量模块原理及其应用,选用STC89S52型单片机作为主控制器件，对电阻应变式压力传感器进行信号读取，通过A/D转换模块ADC0808直接读取被测重量值进行数据转换，便于单片机处理及控制，然后通过4*4扫描按键进行功能选择，再在LCD1602液晶显示屏上实现功能状态和数据的显示。

另外本文还包括对keil软件进行了介绍，包括创建工程，程序调试与下载等，以及具体程序各模块介绍，包括对A/D转换模块ADC0808和LCD的初始化。

本课题的具体要求如下：

1.称重范围：不超过30kg

2.测量精度：≤ 0.001Kg

3.显示方式：LCD1062显示所称量的物品重量。

4.特殊功能：通过4*4键盘按键选择去皮、清零、返回、累计等功能。

本论文将分四个部分讲述基于8051的多功能电子秤的设计制作过程。第一部分讲述提出本设计的目的及意义和国内外多功能电子秤的发展及现状。第二部分确定本设计的总体方案。第三部分详细介绍各硬件设计模块实现的方法。第四部分对本设计进行软件模块的设计。第五部分完成软硬件的测试实验。最后，在文章的总结部分将阐述该系统调试过程中遇到的问题和需要改进的方案。

2系统总体方案设计

2.1总体设计电路

本文介绍了一个基于8051的多功能电子秤的设计，它使用电阻应变式压力传感器进行重量测量，单片机通过4*4键盘按键选择进行去皮，清零，返回，累计等功能模式，并利用LCD1602液晶显示屏对重量测量结果进行显示。

2.2方案设计

由STC89C52芯片将电阻应变式压力传感器所测重量通过

LCD1602液晶模块显示出来，并显示当前的重量状态和系统执行功能。根据4*4按键模块通过按键的选择，确定去皮、清零、返回、累计等功能。

2.3方案论证

随着科技的发展，智能化的电子衡器越来越多的进入到了人们的生活当中，小到中小型超市，物流配送中心，再到国防建设，科技研按键模块 4*4矩阵按键

液晶显示模块LCD1602

转换模块

A/D 转换模块

ADC0808

重量测量模块

电阻应变式压力

传感器

STC89C52 图2-1 总体结构图

究，都离不开智能化的电子衡器。随着社会的发展需求，高效率、高精确度、高稳定性以及高可靠性，适用于各行各业，综合性高的电子衡器产品越来越受到重视以及发展。电子秤所用传感器的选择以及数据转换模块的信号处理都将影响着电子衡器的质量和特性，选用结构简单、适应性强、频率响应好的传感器再配合高增益高稳定性的数据处理模块，可以避免由于外界环境的干扰信号的影响所产生的运行不稳定，进一步提高电子秤的测量系统的稳定性和多功能智能化实用性。

1)压力传感器

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。

传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

传感器动态特性是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，

并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

方案一采用压电传感器，压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。

压电传感器由于其体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力或压力的测量。高内阻、小功率是压电传感器件的弱点。功率小，就意味着输出的能量较微弱，电缆分布的电容以及噪声干扰都会影响压电传感器的输出特性，这一点就意味着对其外接电路的要求非常高。

方案二采用电容式传感器，电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它拥有灵敏度高、结构简单、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容传感器可以用来检测力、位移、压力以及振动学非电参量。

虽然电容式传感器有灵敏度高、结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有其不足之处：

（1）高阻抗、小功率。由于受到几何尺寸的约束限制，电容传感器的电容量一般都很小，基本仅有几皮法到几十皮法。由于电容量C太小，所以它的容抗就会变得很大，用来作为一个高阻抗元件，它

的负载能力又显得较差，功率P也会很小。所以容易受到外界环境产生的干扰信号的影响，产生的信号需要经过放大处理，并且还要采取一系列抗干扰的措施。

（2）初始的电容小，电缆电容以及线路所存在复杂散乱的电路所构成的寄生电容对其影响很大。

方案三采用电阻应变式传感器，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。电阻应变片式电阻是电阻应变式传感器的核心元件，它的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，由于应变量以及相应的电阻量变化一般都很微小，很难能够直接精确的测量，而且不方便数据处理。因此，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或者电流信号变化。它的转换电路常用全桥测量电路来将应变片的△R/R变化转换成电压信号。

直流电桥的特点是产生的信号不会受到各元件和导线所分布的电感及电容的影响，而且它的抗干扰能力强，不过由于机械应变的输出信号较小，这就需要要求配合用高增益和高稳定性的放大器将输出信号放大处理。电阻应变片式传感器有如下特点：

（1）测量和应用范围较广，应变片可以制作成各种机械量传感器，满足测量要求。

（2）拥有高灵敏度和高分辨力，精度也较高。

（3）机械结构轻小，对试件的影响小，对复杂的环境适应性强，可在高压、高温、强磁场等特殊环境中使用，频率响应也好。

（4）商品化，使用起来方便，有利于实现远距离、自动化测量。

由于本次设计是一种多功能的电子秤，需要分辨力和灵敏度高，精度较高的传感器元件，并且要求结构轻小，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，能够实现自动化测量。故采用方案三中的电阻应变式压力传感器。

2）信号转换

方案一采用A/D转换原理：

1、逐次逼近法

逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个缓冲寄存器、比较器、D/A转换器以及逻辑控制电路组成。基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为Ｖo，与送入比较器的待转换的模拟量Ｖi进行比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的Ｖo再与Ｖi比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除[5]。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次

逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。

2、双积分法

采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。双积分法A/D转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量Ｖi，Ｖi采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间Ｔ的正向积分，时间Ｔ到后，开关再接通与Ｖi极性相反的基准电压ＶＲＥF，将ＶＲＥF输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。Ｖi越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Ｖi所对应的数字量，实现了A/D转换。

方案二采用V/F转换

V-F控制的原理是产生一个震荡频率的电路叫做压控震荡器，是一个压敏电容，当受到一个变化的电压时候它的容量会变化，变化的电容引起震荡频率的变化，产生变频。

列如LM331：LM331是性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01％，工

作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。

LM331的内部电路组成如图所示。由输入比较器、定时比较器、R－S触发器、输出驱动管、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。LM331可采用双电源或单电源供电，可工作在4.0～40V之间，输出可高达40V，而且可以防止Vcc短路。

由于本次设计的是一个基于8051的多功能电子秤，由电阻应变式压力传感器传出的信号基本相当于直流信号，并且鉴于本次设计并不太复杂，采用方案一可以达到设计要求，而且能够达到一目了然的效果。

3）显示模块

方案一使用8位数码管作为显示，此方案利用数码管显示物体重量，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机，数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码。由此设计出的重量测量系统，硬件部分简单，接口电路易于实现，并且在编程时大大减少程序量，在电路结构上只有简单的输出输入关系。缺点是：硬件部分简单，虽然可以实现基本的称重功能，但是不能实现外部数据的输入，无法根据实际情况灵活地设定各种控制参数。由于数码管

只能实现简单的数字和英文字符的显示，不能显示汉字以及其他的复杂字符，不能达到显示购物清单的要求。又因为采用了具有模数转换功能的单片机，系统电路过于简单，系统硬件的扩展必受到限制，功能过于单一，达不到设计的标准。

方案二前端信号处理时，选用放大、信号转换等措施，尤其在显示方面采用具有字符图文显示功能的LCD1602显示器。LCD1602由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。它可以显示的字符有阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。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等相关内容。目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，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。

方案三采用现场可编程门阵列(FPGA)为控制核心，利用EDA 软件编程，下载烧制实现。系统集成于一片Xilinx公司的Spartan Ⅱ系列XC2S100E芯片上，体积大大减小、逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点，可实现大规模和超大规模的集成电路。采用FPGA测频测量精度高，测量频率范围大，而且编程灵活、调试方便，设计要求的精度较高，所以要求系统的稳定性要好，抗干扰能力要强。FPGA的逻辑容量密度大，集成度高，可大大减少印刷电路

板的空间，减低系统功耗，同时还可以提高设计的工艺性和产品的可靠性。

虽然以FPGA为核心的电子秤测量系统很优化，但只有在大规模和超大规模集成电路中其高集成度才能更好得以体现。其主要在PC 机接口卡的总线接口、程控交换机的信号处理与接口、雷达声纳系统的成像控制与数字处理、数控机床的测试系统等方面有广泛应用。因为LCD1602是采用并口传输，速度快，且显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低，鉴于本设计并不太复杂，单片机完全能实现所需功能，所以在具体设计时，可以采用第二种设计方案，这样不仅可以动态显示，还可以一目了然的知道当前功能选择的状态。

2.4本章小结

本章对设计所需要的模块设计出了总体方案，论述了总体方案的内容，并对各个方案的提出和比较进行了相应的阐述。通过以上方案的分析和比较，根据设计任务的要求选出了最适用，最经济，最简单的硬件模块。再结合设计方案总体结构图，只需要对各个方案的思路进行规划与完善，则可以实现本次设计的要求。

3硬件电路的设计

硬件设计是整体系统设计的基础，需要从系统的实用性、稳定性和软件编程的可实现性出发，来实现该系统各个模块的相关功能。本节内容就是对系统设计的模块功能的实现进行逐个的介绍和分析。3.1硬件设计概述

STC89C52是一种低电压、高性能的微处理器。在系统测重方面，电阻应变式压力传感器，重量轻，分辨力和灵敏度高，精度较高，对复杂环境适应能力强；在转换模块方面，才用A/D芯片ADC0808进行转换，ADC0808是8位AD芯片；在显示方面，采用LCD1602 液晶显示，可以将电阻应变式压力传感器所测的数据和功能状态进行显示和调节。在控制方面，采用4*4按键的形式进行功能的调节以及去皮、清零、返回、累计等功能的选择。

3.2 STC89C52芯片概述

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。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RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM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。最高运作频率35MHz ，6T/12T 可选。

1. 增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051.[2]

2.工作电压：5.5V ～

3.3V （5V 单片机）/3.8V ～2.0V （3V 单片机）

3.工作频率范围：0～40MHz ，相当于普通8051的0～80MHz ，实际工作频率可达48MHz

4.用户应用程序空间为8K 字节

5.片上集成512字节RAM

6.通用I/O 口（32个），复位后为：P0/P1/P2/P3是准双向口/弱上拉，,P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O 口用时，需加上拉电阻。

7.ISP （在系统可编程）/IAP

（在应用可编程），无需专用编程

图3-3 STC89C52单片机引脚图

器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片

8.具有EEPROM 功能

9.共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2

10.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒

11.通用异步串行口（UART ），还可用定时器软件实现多个UART

12.工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）

13.PDIP 封装

3.3重量测量模块的设计

本模块采用的是电阻应变式压力传感器HL-8型，具有精度高、

易加工、结构简单紧凑、抗偏载能力强、固有频率高等特点。

图3-4 传感器的受力工作原理

将应变片粘贴到受力的力敏型弹性元件上, 当弹性元件受力产生变形时,应变片产生相应的应变,转化成电阻变化。将应变片接成如图3-5所示的电桥，力引起的电阻变化将转换为测量电路的电压变化,通过测量输出电压的数值,再通过换算即可得到所测量物体的重量。

3.4键盘接口电路的设计

键盘模块集成了16个按键，按键加入了3.3kg

限流电阻和防止

图3-13 4*4矩阵键盘

图3-5 电阻应变片全桥测量电路

反电势的二极管4148。

本模块设计阐述如下：4*4扫描键盘模块，具有数字输入键0~9，功能键去皮、清零、返回、累计，2个备用键，通过键盘按键对STC89C52单片机输入按键指令，进而实现在测量过程中所需的功能，最后通过LCD1602显示出测量结果。

3.5显示电路模块的设计

此模块是方便用户使用该系统的时候，显示其当前系统的功能状态和物体重量的装置，是实现人机交换的重要设备。用户通过它来观看按键指定功能的信息，确定输入指定的功能，得知当前功能下的重量测量状态。单片机通过它告知用户的重量测量结果，并根据数字的显示和重量的显示来选择功能命令。

3.5.1液晶显示器LCD1602的概述

液晶显示器（LCD）全称是Liquid Crystal Display，它采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。液晶显示是一种极具有流动性和光学特性的有机化合物，它可以根据外加电场实现颜色的分辨，因此可以作为字符显示器。该LCD液晶模块，采用一个16×2的字符型液晶显示模块。

3.5.2 LCD1602引脚及功能介绍

LCD1602与单片机通讯时采用8位并行传输的方式[18]。它的控制器由两个8位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF），显示数RAM（DDRAM），字符发生器ROMA（CGOROM）字符发生器RAM（CGRAM），地址计数器RAM(AC)组成。

IR用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM,或者暂存从DDRAM和CGRAM 读出的数据，BF为1时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDTAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码。