毕业论文电子体重秤测试系统设计与实现

南阳理工学院本科生毕业设计（论文）

学院（系）：机电工程系

专业：测控技术与仪器

南阳理工学院本科生毕业设计（论文）

电子体重秤测试系统设计与实现

Design and Implementation of Electronic Weighing Scale System

总计：24 页

表格：3 个

插图：17 幅

南阳理工学院本科毕业设计（论文）

电子体重秤测试系统设计与实现

Design and Implementation of Electronic Weighing Scale Test

System

学院（系）：机电工程系

专业：测控技术与仪器

学生姓名：马凡迪

学号：29107059

指导教师（职称）：任立民（讲师）

评阅教师：何一文

完成日期：2011年5月15日

南阳理工学院

Nanyang Institute of Technology

电子体重秤测试系统设计与实现

测控技术与仪器专业马凡迪

[摘要]分析了电子体重秤的现状，提出了一种简单电子体重秤的设计方案。本

课题设计了以单片机为核心的智能人体电子秤，详述了该系统硬件和软件的设计方法。该系统集称重和显示体重指数于一体，以STC12单片机为主控芯片，选用应变

式传感器，外围附以称重电路、显示电路、按键电路。制作了实物体重秤，实现了

自动称重系统的功能。

[关键词]应变式传感器；STC12单片机；体重指数计算

Design and Implementation of Electronic Weighing Scale System Measurement and Control Technology and Instruments Major MA Fan-di Abstract: The current situation of electronic weighing scale is analyzed in this paper, while one simple electronic weighing scale design plan is put forward. The intelligent human electronic scale is designed with the core of SCM, hardware and software of the system are also elaborated. This system gathers weighing and showing body mass index and is mainly controlled by STC12 single chip, the periphery is consists of strain gauge sensor with weighing circuit, display circuit, buttons circuit. The object weighing scale is made and the function of auto weighing system is achieved.

Key words: strain gauge sensor; stc12 single chip; body mass index

目录

1 绪论 (1)

1.1 课题背景及意义 (1)

1.2 单片机在体重秤上的应用 (1)

2 电子体重秤的设计思路 (2)

2.1 电子体重秤的原理 (2)

2.2 电子体重秤的基本结构 (2)

2.2.1 承重、传力复位系统 (2)

2.2.2 称重传感器 (2)

2.2.3 测量显示、数据显示装置 (3)

2.3 电子秤的计量性能 (3)

3 系统设计方案论证与选型 (3)

3.1 控制器 (4)

3.2 数据采集部分 (4)

3.2.1 传感器的选择 (4)

3.2.2传感器技术指标 (6)

3.2.3 放大电路模块 (6)

3.2.4 A/D转换器的选择 (7)

3.3 显示电路部分 (7)

3.4 STC12C5A60S2的最小系统电路 (8)

3.4.1 单片机芯片STC12管脚图 (9)

3.4.2单片机的基本连接电路 (9)

3.5 键盘电路 (10)

4 电子体重秤实物的设计与制作 (10)

4.1实物的设计 (10)

4.2 实物加工图纸 (11)

4.2.1体重秤垫块 (11)

4.2.2 体重秤踏板 (11)

4.2.3体重秤底座 (12)

5 系统软件设计 (12)

5.1 初始化及主程序模块 (12)

5.2 按键模块 (13)

5.3 显示模块 (13)

5.4 AD转换模块 (14)

6 软硬件的调试 (14)

6.1 软件部分 (14)

6.2 硬件部分 (15)

结束语 (16)

参考文献 (17)

附录 (18)

致谢 (22)

1 绪论

1.1 课题背景及意义

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。公元前，人们为了对货物交换量进行估计，起初采用木材或陶土制作的容器对交换货物进行计量。以后，又采用简单的秤来测定质量。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[1]。

称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。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。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智慧化；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。随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，在本设计中将智能化、自动化、人性化用在了电子秤重的控制系统中[2]。

1.2 单片机在体重秤上的应用

目前，随着社会的发展、生活水平不断提高，人们越来越关注自己的身体健康。许多人由于工作的压力和不良的饮食习惯，使得身体健康每况愈下，疾病也随之而来，而在这些人群中，患有肥胖和营养不良的病人居多。为方便人们及时了解自己的体重是否超出或低于标准的体重，在许多公共场合都摆放了人体秤，商场、药店、马路旁等随处可见，给那些由于工作紧张没有时间到医院做定期体验的人们带来了方便。人体秤已不再是医院的专用医疗器械，已成为人们生活中不可缺少的一部分。体重健康标准的具体计算方法如下(仅适合中国人群)男性：标准体重=(身高-100)*0.9。女性：标准体重=(身高-105)*0.9。当实际体重大于标准体重的10％为过重，小于标准体重10％为瘦[3]。

普通人体秤测量身高和体重的结果都是直接用眼睛观看指标读取的，由于读数的方法各不相同、读数时光线有明有暗等多种原因，使得读取数据的误差过大。由于人体秤的使用非常普遍，解决这一问题显得尤为重要。近年来，随着科技不断进步，计算机已渗透到各个领域，单片机已逐渐成为科学技术现代化的重要工具，正在不断地走向深入。单片机的应用已深入到人类的生活、生产等各种领域。在此基础上发展起来的由单片机控制的人体称，比普通人体称在耐用性、适用环境、读数的准确度等方面有了很大的提

高。

智慧人体秤经济、实用，适合在广大工薪阶层推广。因此，以单片机为控制核心的人体秤，不但提高了读数的精确度，给人们以直观的效果，将身材标准与否一并显示，与普通人体秤的价格相差无几，逐渐取代传统的人体秤。

2 电子体重秤的设计思路

2.1 电子体重秤的原理

当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力－电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成正比关系)的电信号(电压或电流等)。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数（A/D）器进行转换，数字信号再送到微处器的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各种功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示，或送打印机打印。一般地信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。

本设计由以下几部分组成：电阻应变传感器、信号放大器、单片机、按键、LED灯、显示器。

图2-1 设计原理图

2.2 电子体重秤的基本结构

2.2.1 承重、传力复位系统

它是被称物体与转换组件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。

2.2.2 称重传感器

即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换组件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。

按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位

计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器[4]。

对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。本次设计采用的是电阻应变式传感器。

2.2.3 测量显示、数据显示装置

即处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补尝组件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮器件等）。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。

2.3 电子秤的计量性能

电子秤的计量性能涉及的主要技术指针有：量程、分度值、分度数、准确度等级等。

（1）量程：电子衡器的最大称量Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大值。

（2）分度值：电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值。用e或d 来表示。

（3）分度数：衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用n表示。电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积表示即Max= n •d （4）准确度等级：国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类等级，分别对应不同准确度的电子秤和分度数n的范围，如下表所示：

表2-1 电子秤等级分类

本设计技术指标：测量范围0～100kg；显示精度0.1kg；精度等级Ⅳ级。

3 系统设计方案论证与选型

测量部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设计为电压信

号），而后经处理电路（如滤波电路，差动放大电路，）处理后，送A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出。控制器部分接受来自A/D转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为人体的实际重量信号，并将其存储到存储单元中。控制器还可以通过对扩展I/O的控制，对键盘进行扫描，而后通过键盘散转程序，对整个系统进行控制。数据显示部分根据需要实现显示功能[5]。

3.1 控制器

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”。这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。

再则由于系统没有其它高标准的要求，又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，不用在外部扩展内存，这样电路也可简化。在这里选用STC12系列单片机。STC12系列与89C52相比由是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。

最后我们最终选择了STC12C5A60S2这个单片机来实现系统功能要求STC12C5A60S2内部带有定时控制逻辑、指令寄存器、译码器、地址指针DPTR及程序计数器PC、堆栈指针SP、RAM地址寄存器、16位地址缓冲器、内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合，能满足本次设计的基本要求[6]。

3.2 数据采集部分

电子秤的数据采集部分主要包括称重传感器、处理电路和A/D转换电路，因此对于这部分的论证主要分三方面。

3.2.1 传感器的选择

在设计中,传感器是一个十分重要的组件,因此对传感器的选择也显的特别的重要,不仅要注意其量程和参数,还有考虑到与其相配置的各种电路的设计的难以程度和设计性价比等等。

传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。一般来说，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素后，经过大量的实验而确定的。其公式如下：

N W W K K K K C /)(max 3210+⨯⨯⨯⨯= （3-1）

C —单个传感器的额定量程；W —秤体自重；W max —被称物体净重的最大值；N —秤体所采用支撑点的数量；K 0—保险系数，一般取值在1.2～1.3之间；K 1—冲击系数；K 2—秤体的重心偏移系数；K 3—风压系数。本设计要求称重范围0～100kg ，重量误差不大于0.1kg ，根据传感器量程计算公式（3-1）可知：

0625.1481/1510013.0115.21=+⨯⨯⨯⨯=）（C （3-2）

为保证电子秤称量结果的准确度，克服传感器在低量程段线性度差的缺点。传感器的量程应根据皮带秤的最大流量来选择。在实际工作中，要求称重传感器的有效量程在20%～80%之间，线性好，精度高。重量误差应控制在±0.1Kg ，又考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，根据公式3-1的计算结果，所以我们确定传感器的额定载荷为150Kg ，允许超载为150%，精度为0.05%，最大量程时误差±0.1kg ，可以满足本系统的精度要求。

本系统采用梁式称重型称重传感器,额定载荷为150kg 。传感器电路所采用的是全桥电路,有四个电阻应变片。理想情况下,传感器输出信号、放大器输出信号、AD 转换输出信号、人体体重之间的关系基本成线性。

在电桥测量电路中，将一对变化相反的应变片接入电桥一臂，另一臂接两个相同的阻值作为基准值；当桥臂电阻初始值4321R R R R ===时平衡，其变化值为

4321R R R R ∆=∆=∆=∆R ∆=时，其桥路输出电压out U 与R ∆成正比[7]。

图3-1 称重传感器原理图

3.2.2传感器技术指标

表3-1 传感器参数表

3.2.3 放大电路模块

通常传感器输出的电信号是微弱的,不能够满足后续的转换要求,必须对它进行放大。称重传感器输出电压振幅范围0～20mV，而单片机输入电压要求在0～5V,为了是单片机能更好的采集信号处理，根据本设计传感器实测数据的实际情况增益设为200倍即可，零点和增益的温度漂移和时间漂移极小。

图3-2 放大电路

本设计选用的运放器是OP07，OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得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。

图3-3 OP07管脚图

OP07芯片引脚功能说明：1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚6为输出，7接电源+

3.2.4 A/D转换器的选择

由于本次设计所选用的单片机自带10位A/D转换模块，能达到设计的精度要求，故电路中不再添加A/D转换器。

3.3 显示电路部分

显示的种类很多，从液晶显示、发光二极管显示到CRT显示器等，都可以与微机连接。其中单片机应用系统最常用的显示是发光二极管数码显示器（简称LED显示器）。液晶显示器简LCD。LED显示器价廉，配置灵活，与单片接口方便，LCD可显示图形，但接口较复杂成本也较高[6]。

LED数码根据LED的接法的不同分为共阴极和共阳极两类，了解LED的这些特性，对编程很是重要，因为不同类型的数码管，除了他们的硬件电路有差异以外，编程的方法也是不同的。在本设计中我们采用的是共阴极数码管其内部结构及管教配置如图所示：

图3-4共阴极数码管及其内部结构

使用LED显示器时，要注意区分两种不同的接法，为了显示数字或字符，必须对数字或字符进行编码。七段数码管加上小数点共计八段。因此为LED提供编码正好是一个字节。实际上要显示各种数字和字符，只需在各段二极管的阴极上加不同的电平，就可以得到不同的代码。这些用来控制LED显示的不同电平代码称为字段码（也称段选码）。根据电路连接图显示16进制数的编码列表如下图所示：

表3-2 共阴极数码管表

3.4 STC12C5A60S2的最小系统电路

根据设计要求与设计思路，此电路由一块STC12C5A60S2、按键输入电路、4位LED 显示器电路、LED灯显示电路组成。

图3-4 硬件电路设计框图

在本系统中用于称量的主要器件是称重传感器（一次变换组件），称重传感器在受到压力或拉力时会产生电信号，受到不同压力或拉力是产生的电信号也随着变化，而且力与电信号的关系一般为线性关系。

由于称重传感器一般的输出范围为0～20mV，对A/D转换或单片机的工作参数来说不能使A/D转换和单片机正常工作，所以需要对输出的信号进行放大。由于传感器输出的为模拟信号，所以需要对其进行A/D转换为数字信号以便单片机接收。单片机根据称重传感器输出的电信号和速度传感器输出的速度信号计算出人体的重量。

在本系统中，硬件电路的构成主要有以下几部分：STC12C5A60S2的最小系统构成、电源电路、数据采集、人-机交换电路等。

3.4.1 单片机芯片STC12管脚图

图3-5 单片机管脚图

3.4.2单片机的基本连接电路

单片机正常工作时，都需要一个时钟电路和一个复位电路来构成单片机的最小系统。时钟电路用于产生单片机工作时所需的时钟信号，其有两种时钟方式：外部时钟和内部时钟。外部始终是使用外部振荡脉冲信号，常用于多片单片机同时工作，以便于同步。本设计只有一片单片机，采用内部时钟方式。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与回馈组件的片外石英晶体或陶瓷谐振器构成一个自激振荡器。外接晶体以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容值虽然没有严格的要求，但是电容的大小多少会影响振荡器频率的高低、荡器的稳定性、震的快速性和温度稳定性。外接晶体时，两个电容通常选择30PF左右，外接陶瓷谐振器时，典型值约为47PF.出于对测距精度的考虑，本设计采用11.0592MHZ 的晶体振荡器，c1和c2的电容值约为30PF。

3.5 键盘电路

图3-6 键盘控制电路

在不同的系统中，键盘的数量有很大的差别。但是根据本设计的需要，采用独立式键盘既能满足系统需要，又节省I/O和键盘的数量。

独立式键盘的各个按键之间彼此是独立的，每一个按键均连接单片机的一根I/O口。独立式键盘的硬件接口电路简单，软件设计也比较方便，但由于每个按键均需要单片机的一根I/O口，因此，独立式键盘值适合于按键较少的场合。独立式按键是直接用I/O 口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。

独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。

4 电子体重秤实物的设计与制作

4.1实物的设计

（1）选取厚度合适的材料按照设计尺寸进行切割，由于踏板底座设计需要尺寸过大无法再铣床上装夹，在尺寸切割后手工去除毛刺和锐边。

（2）为了保证孔的方便加工和减少误差，孔的设计位置在一条直线上。

（3）粗糙度确定：垫块的加工精度位 3.2μm，电子称踏板与底座由于设计尺寸过大原材料在铣床上无法进行装夹，在切割机上进行需要的尺寸切割后只做消除毛刺、去锐边的的粗加工处理[8]。

（4）各部位尺寸：根据各定位装置、固定装置、调节装置的设计，其具体尺寸见图4-1、4-2、4-3

4.2 实物加工图纸

4.2.1体重秤垫块

图4-1 体重秤垫块4.2.2 体重秤踏板

图4-2 体重秤踏板

4.2.3体重秤底座

图4-3 体重秤底座

5 系统软件设计

5.1 初始化及主程序模块

主程序主要是完成对各个子程序的调用以及体重的显示，流程图如下：

图5-1 主程序流程图

5.2 按键模块

身体指数计算的过程中用到按键程序，流程图如下：

图5-2 按键程序流程图

5.3 显示模块

本次设计采用的是动态显示，使用P0口作位选，P2口作段选，并在P2口接1K的上拉电阻以驱动数码管显示。显示时个、十、百、千四位依次显示，每一位显示时维持2毫秒。

图5-3 显示程序流程图

5.4 AD转换模块

STC12系列单片自带AD转换模块，放大器输出的电压信号要进行AD转换，流程图如下：

图5-3 AD转换流程图

6 软硬件的调试

6.1 软件部分

图6-1 PROTUS仿真图

由于PROTUS中没有STC12系列单片机，仿真时由89系列外加8位AD转换模块代替。

6.2 硬件部分

程序仿真运行后把电路和传感器进行连接并开始进行测试，当人站到体重秤踏板时，LED会自动显示人的体重。上电开始工作时，电源指示灯灯亮，LED显示示数为零。当被测人站上踏板，被测人体重会直接显示在LED显示上，其读数为65.5kg，体重精确到0.1kg。

图6-2 实物调试图