智能称重系统软件设计

摘要

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。

本系统主要由单片机来控制，测量物体重量部分由称重传感器及A/D转换器组成，加上显示单元，此电子秤俱备了功能多、性能价格比高、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。

本系统以AT89C52单片机为主控芯片，外围附以称重电路、显示电路、报警电路、键盘电路等构成智能称重系统电路板，从而实现自动称重系统的各种控制功能。此设计所完成的智能称重系统很大程度上满足了应用需求。

关键词： AT89C52;称重传感器;A/D转换器;LCD显示器

ABSTRACT

With the application of micro-electronics technology, tradition ponderation instrument used in market has been not satisfaction with hunman requirements already. In order to make up for the traditional apparatus shortcoming, we improve the apparatus's control system with intelligence and automation. This system is mainly controlled by microcontroller, the section of height measurement accomplish by supersonic sensor, the section of weight measurement accomplish by weight sensor and A/D transformer, this apparatus have many characteristic such as having more function, consume less energy, small and move easily, low price, measure precisely, the speed is quick, automatic work without people and so on.

The system is mainly controlled by the microcontroller AT89S52, the periphery is consist of the circuit of clock and calendar, the circuit of measure height and weight, the circuit of display and print, all of these comprise the circuit board of the intelligent apparatus of height and weight. It can achieve all function of the apparatus.

KEYWORDS: AT89S52，ponderation –sensor，A / D converter，

LED Display

目录

第一章前言 (1)

1.1称重系统的发展与应用 (1)

1.2选题背景与意义 (2)

1.3研究现状 (2)

1.3.1 影响因素 (2)

1.3.2 产品质量 (3)

1.3.3 发展方向 (4)

1.3.4 电子秤的智能化 (4)

1.4本文的结构 (5)

第二章系统方案的设计 (6)

2.1电子称重系统的设计要求 (6)

2.1.1 基本要求 (6)

2.1.2 特色与创新 (6)

2.2实验原理及设计基本思路 (7)

2.2.1 系统的工作原理 (7)

2.2.2 系统设计基本思路 (7)

第三章系统硬件设计 (8)

3.1基于AT89S52的主控电路 (8)

3.1.1芯片介绍 (8)

3.2传感器的选择 (10)

电路转换设计 (10)

3.3看门狗接口电路设计 (11)

3.4人机接口单元设计 (13)

3.4.1 HD7279芯片主要特点 (14)

3.4.2 HD7279与AT89C52单片机的接口电路设计 (14)

第四章系统软件设计 (17)

4.1主程序设计 (17)

4.1.1主程序流程图 (18)

4.2中断程序设计 (19)

4.2.1 T0中断程序设计 (19)

4.3键处理程序设计 (20)

4.4报警程序的设定 (25)

4.5系统的量程变换 (26)

第5章整体调试 (29)

5.1硬件调试: (29)

5.2软件调试 (30)

致谢 (31)

参考文献 (32)

附录一原理图及PCB图 (33)

附录二元件列表 (35)

第一章前言

1.1 称重系统的发展与应用

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。据考证，世界上最古老的计量器具出土于中东和埃及，最古老的衡器和砝码出自于埃及。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、高智能化的电子称重系统无疑具有极其广阔的市场前景。

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很多不足的地[1]。

21世纪，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。

随着科技日新月异的发展，在21世纪种类繁多的电子称重系统。通过分析近年来电子称重产品的发展情况及国内外市场的需求，电子称重系统总的发展趋势是小型化、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。

1.2 选题背景与意义

电子称重系统是日常生活中常用的电子衡器，广泛应用于超市、大中型商场、物流配送中心。电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。相比传统的机械式称量工具，电子称重系统有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点，在外形布局、工作原理、结构和材料上都是全新的计量衡器。电子称重系统的设计首先是通过压力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，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。

目前市场上使用的称量工具，或者是结构复杂，或者运行不可靠，且成本高，精度稳定性不好，调正时间长，易损件多，维修困难，装机容量大，能源消耗大，生产成本高。而且目前市场上电子称重系统的整体水平不高，部分小型企业产品质量差且技术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，有针对性地开发出一套有实用价值的电子秤系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善电子称重系统在应用中的不足之处，具有现实意义。

1.3研究现状

1.3.1 影响因素

随着科技的进步, 对电子秤的要求也越来越高。影响其精度的因素主要有: 机械结构、传感器和数显仪表。在机械结构方面，因材料结构强度和刚度的限制, 会使力的传递出现误差，而传感器输出特性存在非线性, 加上信号放大、模数转换等环节存在的非线性，使得整个系统的非线性误差变得不容忽视。因此，在高精度的称重场合，迫切需要电子称重系统能在线自动校正系统的非线性。此外，

为了保证准确、稳定地显示, 仪器内部分辨率(主要是ADC 的分辨率) 一般要比外部显示分辨率高4 倍以上, 这就要求所采用的ADC 具有足够的转换位数，而采用高精度的ADC，自然增加了系统的成本[2]。

1.3.2 产品质量

目前市场上主流的电子称重系统根据使用功能的不同包括以下几个类型：电子天平、电子计数秤、电子计价秤、电子台秤、电子吊钩秤、定量包装秤以及条形码电子秤等[3]。面对种类如此繁多的电子秤，目前市场上存在许多不合格的电子秤产品。不合格问题主要表现在以下三个方面：

⑴温度试验项目不符合标准规定；

⑵湿热试验项目达不到标准要求；

⑶抗电脉冲串试验和抗静电放电试验项目不合格。

造成产品不合格的原因主要有以下几个方面：

⑴称重传感器的质量不达标，制约了电子称重产品整体质量的提高；

⑵关键元器件未进行筛选和通电老化，造成电子计价秤质量失控；

⑶部分产品设计上抗干扰能力不强；

⑷检验把关不严

面对目前市场上电子称重产品的总体质量不高的局面，除了加强对电子秤产品的日常监督管理之外，还要从根本上推动技术的发展，促进电子称重产品质量的提高，更好地保护消费者的合法权益[4]。

1.3.3 发展方向

电子称重系统不仅要向高精度、高可靠方向发展，而且更需向多种功能的方向发展[5]。据悉, 目前电子秤的附加功能主要有以下几种：

⑴电子称重系统附加了计算机系补偿装置，可以进行自诊断、校正和多种补偿计算和处理；

⑵具有皮重、净重显示等多功能。电子称重系统有些已经具备了动态称重模式，通过进行算术平均、积分处理和自动调零等方法，消除上述误差；

⑶附加特殊的数据处理功能。目前的电子秤有附加多种计算和数据处理功能, 以满足多种使用的要求。

今后, 随着电子高科技的飞速发展, 电子秤技术的发展定将日新月异。同时, 功能更加齐全的高精度的先进电子秤将会不断问世, 其应用范围也会更加拓宽。

1.3.4 电子秤的智能化

电子秤的称重功能是基于微电脑控制芯片处理器这一核心技术来实现的。由于目前在设计电子称重系统时大量地采用集成芯片，因此电子秤系统已经摆脱了以往的电子模式，正趋向智能化多元化方向发展[6]。在此基础上可以实现系统功能的扩展，比如与上位机的通讯，在上位机上利用图形化界面的操作软件实现数据库管理等。

电子称重系统由于自身的精度高、功能强和使用方便，实际使用的电子秤有较高的性价比，在很多领域完全可以取代那些机械式的称重工具。在具体开发电子秤的系统时应该根据用户的客观需要，再结合系统硬件和软件，从而可以开发出一套实际使用价值极大的电子秤系统。目前，随着电子技术的飞速发展，微处理器应用技术的日趋成熟，必将推进基于微处理器为核心的电子秤系统功能的日趋完善，因此多元化智能电子称重系统具有广泛的应用前景和开发价值！[7]

1.4 本文的结构

本文以电子秤的研发作为应用背景，对传感器、模数转换、单片机及其接口等技术进行了分析。全文共分为六章，各章的主要内容如下：

第一章、扼要地介绍了电子秤的概念、特点与相关研究背景；

第二章、论证了系统方案，包括对原理的阐述，各种优缺点的比较，属于理论分析部分；

第三章、通过对各种芯片的介绍以及对电路功能的分析，对系统硬件进行描述，给出了单片机的的控制方案；

第四章、简单介绍了系统软件流程；

第五章、对整个设计做了总结，归纳了存在的问题和进一步研究的方向。

第二章系统方案的设计

电子称重的应用系统是由硬件和软件所组成。硬件指单片机、扩展的存储器、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 电子称重系统的设计要求

2.1.1 基本要求

⑴电子称重范围：0～99.99Kg；重量误差不大于 0.00001Kg；

⑵ LED显示器、能显示小数点后一位

2.1.2 特色与创新

⑴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。

⑵使用键盘输入数据，操作简单，方便。

⑶ LED显示所称量的物品重量，同时还可显示物品精确的重量。

⑷当物品重量超过电子秤量程，即过载情况或者是物品重量小于A/D转换器所能转换的最小精度，即欠量程的时候，具有超重报警功能。

2.2实验原理及设计基本思路

2.2.1 系统的工作原理

电子称重系统的工作原理。首先是通过压力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，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。在实际应用中，为提高数据采集的精度并尽量减少外界电气干扰，还需要在传感器与A/D芯片之间加上信号调整电路。[8]

2.2.2 系统设计基本思路

按照设计的基本要求，系统可分为三大模块，数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。其中数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成。转换后的数字信号送给控制器处理，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。在扩展功能上，本设计增加了一个过载、量程报警提示。

第三章系统硬件设计

根据设计要求以及系统所需要实现的功能，在设计系统时可以分成以下几个部分：单片机控制模块，前端信号采集、处理、转换模块，人机接口界面以及系统电源部分（为实现系统超量程与欠量程的报警功能，还扩展了报警电路）。

3.1 基于AT89S52的主控电路

3.1.1芯片介绍

⑴、芯片AT89S52 [9]

AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S 系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

主要功能特性见下表：

表3.1 AT89S52功能

引脚封装如下图所示：

主要引脚功能说明：

P3引脚功能复用见下表：

表3.2 P3引脚功能复用

3.2 传感器的选择

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。现代科技的快速发展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理，而传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知获取与检测信息的窗口；传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号。因此，传感器的地位与作用特别重要。

称重传感器实际上是一种将质量信号转换成可测量的电信号的输出装置。称重压力传感器实际上是一个高灵敏电桥，它通过称重桥与承重杆相连，当物料的重量使称重压力传感器应变片电阻变化时，电桥产生不平衡电压，此不平衡电压经放大后即为称重信号[10]。

电路转换设计[11]

4-20MA转化0-5V电路图如下

图3.1 4-20MA转化0-5V