无线电子秤设计报告

无线电子体重计制作

摘要

本文设计一种利用采用NRF24L01无线收发器和应变式压力传感器和STC-51单片机等器件制作的无线电子计价秤。该秤可以对15Kg量程范围内的物体进行称量，能实现称重、数码显示、计价等功能。同时该多功能电子计价秤具有调用清单、预存商品信息、掉电数据保护、SD卡存储、温度显示等功能。在精度方面采用非线性的补偿技术及数字滤波技术,提高了电子计价秤测量的稳定性和动态测量跟随性。系统运行良好,达到了较高的性能指标。

关键字：无线；NRF24L01无线收发器；应变式压力传感器；STC-51单片机

目录

第一章前言 (3)

1.1基本要求 (3)

1.2发挥部分 (4)

第二章设计思路 (4)

2.1方案选择 (4)

2.1.1系统方案 (4)

2.1.2显示器方案选择 (6)

2.1.3无线收发芯片选择 (6)

2.1.4温度传感器方案选择 (7)

2.1.5压力传感器方案选择 (7)

第三章硬件设计 (8)

3.1电阻应变式传感器电路 (8)

3.2低通滤波电路 (9)

3.3放大器电路 (9)

3.4A/D转换器 (10)

3.5按键模块 (11)

3.6温度显示模块 (11)

3.7液晶显示模块 (12)

3.8直流电源模块 (15)

3.9单片机最小系统模块 (15)

第四章软件设计 (17)

第五章总结 (18)

第一章前言

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。电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。称重装置不仅是提供重量数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，推进了工业生产的自动化和管理的现代化，它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。称重装置的应用已遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效益。因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。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。现今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。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。电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。而本设计无线体重计正是当下比较适用的一款“智能”称重设备。

1.1基本要求

（1）体重测量范围40kg～80kg，误差<0.5kg；

（2）显示位数3位，分辨率0.1kg；

（3）测温点到接收点距离>2米；

（4）可设置体重上限报警；

（5）接收点显示测重点数据及声光上限报警信号；

1.2发挥部分

（1）遥测距离>5米；

（2）误差<0.2kg ；

（3）具有特色与创新；

（4）测量体重传输时间小于5秒；

（5） 可存储5个人的体重信息并实现查询

第二章 设计思路

本设计要制作一台无线电子体重计。要实现电子体重计的所要求的功能，我们需要选择合适的传感器，此传感器是将压力信号转化为电信号，传感器精度越高，转换的模拟电压稳定性越高，在此需要用低通滤波电路模块，对电信号进行整流滤波，再由放大器放大成满足A/D 转换的电压条件，将转换后的数字量传至单片机中控制液晶显示，然后数据信号经无线电或红外线形式发送出去；接收器，接收到信号后，解调出原始信号并存储和显示体重值。

2.1方案选择

2.1.1系统方案 方案一：采用STC89C52单片机作为系统主控制器。STC89C52单片机是一种压力信号 传感器 滤波放大电路AD 单片机 液晶显示 语 音

无线模块 无线数字电子体重计系统框图

SD 存储卡

低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8KB 的内存空间。具有8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU 和系统可编程Flash ，使得STC89C52单片机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40个引脚，其中有32个I/O 引脚。具有以下标准功能：8KB 字节Flash 、512字节RAM 、32位I/O 口线内置4KB EEPROM MAX810复位电路等等。通过把通用的8位CPU 与可在线下载的Flash 集成在一个芯片上，STC89C52单片机便成为一个高效的微型计算机。系统原理图如下图所示：

方案二：采用ATmega16单片机作为系统主控制器。Atmel 公司的ATmega16单片机具有先进的RISC(精简指令集计算机)结构、非易失性程序和数据存储器，16 kB 可编程Flash 存储器、512 B 的EEPROM 和1 kB 片内SRAM ，具有丰富的外设接口，其USART(通用同步和异步接收器和转发器)是一个高度灵活的串行通信设备，SPI(串行外设接口)允许ATmega16与外设或其他AVR 器件进行高速的同步数据传输。内部集成高精度10位A/D 转换器。系统原理框图如下图所示：

方案一中STC89C52单片机的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低，性价比高。由于其内部没有集成A/D 器，因此它需要外接A/D 转换电路，相对比较复杂，但是成本低，性价比高。方案二中ATmega16单片机作为主传

感器

低放 通大 滤电 波路 A/D 转换 STC89C52 单片机 显示 按键 语音 传感

器 低放 通大 滤电 按 键

显 示 SD 存储卡 语音

ATmega16 单片机 A/D 转换

控制系统，其内部集成了A/D转换器，可以节省外部器件，简化外部电路，但是ATmega16单片机价格较贵，平时不怎么接触这种单片机，运用技术不够成熟。综合比较，考虑到成本和设计需要，10位A/D能够满足题目需求，因此采用方案一。

2.1.2显示器方案选择

方案一：采用LCD12864液晶显示。12864是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示8×4个(16×16点阵)汉字。具有很好的人机界面。

方案二：采用七段数码管显示。数码管，显示大亮度高，驱动部份的软件简单，但是耗电和功耗比较大。题目要求最高显示6位数码，对数码管而言硬件电路较复杂，还要显示万年历，如果使用数码管的话，要使用至少4组1*8的数码管，会造成单片机I/O接口资源不够用，连接复杂等问题。因此数码管不适合完成此功能。

方案三：采用LCD1602液晶显示。1602液晶为5V电压驱动，带背光，可显示2行字符，每行显示16个字符，不能显示汉字，内置含128个字符的ASCII 字符集字库，只有并行接口，无串行接口。

我们需要用显示器主要显示被称物体的重量、单价、总价、时间和当前检测的温度。由于要显示的内容比较多，具体采用哪种液晶显示比较合适？综合上面的内容进行分析我们准备采用方案一和方案三。用一个LCD12864用来显示被称物体的重量、单价、总价和当前温度，由于这几项的显示都需要汉字，所以显示这几项内容的时候只有用LCD12864。用一个LCD1602来做一个万年历来显示当前的时间，显示时间可以不出现汉字，只用字符来表示，所以采用LCD1602是最合适的。

2.1.3无线收发芯片选择

方案一：选用nRF401无线收发芯片。它采用FSK调制解调技术，抗干扰能力强，并采用PLL频率合成技术，频率稳定性好，发射功率最大可达10dBm，接收灵敏度最大为－105dBm，数据传输速率可达20Kbps，工作电压在+3～5V之间。nRF401无线收发芯片所需外围元件较少，并可直接与单片机串口。

方案二：选用nRF24L01无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。极低的电流消耗；宽电压工作范围，1.9V-3.6V；输入引脚可承受5V电压输入；工作温度范围，-40℃- +80℃。

方案三：选用nRF903无线收发芯片。它采用优化的GFSK调制解调技术，抗干扰能力强，采用DDS＋PLL频率合成技术，频率稳定性好，灵敏度高达－104dBm，

发射功率可以调整，最大发射功率是+10dBm。nRF903的工作电压范围可以从2.7～3.3V，接收待机状电流消耗为600μA，低功耗模式电流消耗仅为1μA，可满足低功耗设备的要求。nRF903具有多个频道（最多170个以上），特别满足需要多信道工作的特殊场合，适合采用跳频协议。

方案四：选用CC1000无线收发芯片。CC1000集成了射频发射、射频接收、PLL合成、FSK调制解调、可编程控制等多种功能。它的主要工作参数可由一个串行接口编程设定，使用非常方便并且具有灵活性。CC1000芯片的外围元件较少，且对精度要求不高，并提供三种编码方式与微控制器接口。所以CC1000与一个微控制器和少数几个外接元件便可组成一个完整的RF收发系统。

上述三款无线收发芯片nRF401、nRF903、nRF24L01和CC1000在无线短距离数传中得到的大量的应用，可以实现要求，所以可以任意的选择一种。

2.1.4温度传感器方案选择

采用DS18B20温度传感器。DS18B20是一种数字化温度传感器，DS18B20具有适应电压范围宽、支持多点组网功能、独特的单线接口方式、测温范围-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃时的精度为±0.5℃、可编程分辨率9~12位、测量结果直接输出数字温度信号、极强的抗干扰纠错能力、负压特性，性价比高等优点。并且DS18B20温度传感器很容易买到，并且我们手中有这种温度传感器，市场的行情比较稳定。

2.1.5压力传感器方案选择

方案一：采用双孔悬壁梁式（电阻应变式）称重传感器。孔悬臂梁式称重传感器是电子计价秤中广泛使用的传感器。这种传感器的弹性体具有上下两个平行梁，它的最大特点就是具有抗偏载的力学特性。它的称量范围为300g至数千kg，准确度达1/1000～1/10000，结构较简单，可靠性较好。

方案二：采用电磁力式传感器。它利用承重台上的负荷与电磁力相平衡的原理工作。当承重台上放有被测物时，杠杆的一端向上倾斜;光电件检测出倾斜度信号，经放大后流入线圈，产生电磁力，使杠杆恢复至平衡状态。对产生电磁平衡力的电流进行数字转换，即可确定被测物质量。电磁力式传感器准确度高，可达1/2000～1/60000，但称量范围仅在几十毫克至10千克之间。

综合比较两种传感器的结构、力学特性和称重范围等，我们采用方案一。

第三章 硬件设计

3.1电阻应变式传感器电路

电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金

属弹性变形转换成电阻变化的元件。电阻应变式传感器

是由电阻应变片和测量线路两部分组成。电阻应变片产

生的误差，主要来源于温度的影响，本设计主要在实验

室内进行，温度的影响可不考虑。而用电阻应变式传

感器制成的电子秤平剖图如右图所示：

1、台面壳体

2、均压框架

3、电阻应变片

4、弹性

体 5、补偿电阻 7、底座

当贴有电阻应变片的弹性平衡梁受到载荷Ｆ作用

时，电阻应变片Ｒ1和Ｒ3受到拉伸作用，阻值增加；Ｒ2和Ｒ4受到压缩作用，阻值减小，电桥失去平衡，产生的不平衡电压Ｕ 的大小与所受作用力Ｆ成正比。电桥的输出电压反映了电阻应变片相应的受力状态。

电桥电路是最常用的非电量电

测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路

对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在

桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4 中，电

阻的相对变化率分别为△R1/ R1、△R2/

R2、△R3/ R3、△R4/ R4 ，当使用一个应变片时，R R R ?=Σ；当二个应变片组成差动状态工作，则有

R R 2R ?=Σ；用四个应变片组成二个差动对工作，且

R1= R2= R3= R4=R ，

R R 4R ?=Σ。当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高，比电桥的输出电阻大很多，因此可以把电桥输出端看成是开路。

若电桥不平衡时，即R1R3≠R2R4时，电桥输出：

U R R R R R R R R U ))((43214

2310++-= 恰好选择各桥臂电阻，可消除电桥的恒定输出，使输出电压只与应变片输出

有关。

令R1=R2,R3=R4,在应变片工作时，其电阻R1变化△R,此时电桥的灵敏度为：ku=U/4

电压输出为: U O =(U/4)(△R1/R1)。

3.2低通滤波电路

传感器过来的信号经常带有各种各样的干扰，因此要采用滤波电路来去除干扰。滤波器的功能就是允许某一范围频率的信号顺的通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路。在滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；理想滤波器在通带内的电压增益为常数，在阻带内的电压增益为零；实际滤波器的通带和阻带之间存在一定频率范围的过渡带。并且可以滤除噪声，提高有用信号的纯洁度。所谓低通就是因为从传感器传过来的信号强度很弱，频率很低，要保证低频率信号可以顺利的进入低通滤波电路中，就必须采用低通滤波电路。其原理图如下图所示：

传感器输出信号非常小，因此设置低通截止频率为fc=100Hz 。选择电容为100nF ，根据公式计算电阻得

K ≈Ω???===-1510

.1010021C 21216ππfc R R 二阶巴特沃思低通滤波器的增益为152.1=VF A ，设置R3=100K ，R4=50K 。

3.3放大器电路

滤波电路中输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D 转换器对输入信号电平的要求，这种仪用放大器已有多种型号的单片集成电路产品，在测量系统中应用很广。这里选择常用低通滤波电路原理图

的仪用放大器，放大电路原理图如下图所示：

其中：31R R = ，64R R = ，64R R =

如图所示，输入分别为1v 、2v ，输出为

o v 。仪用放大器的电压增益为 ???? ??+-=-=123421021R R R R V V V A v

3.4A/D 转换器

A/D 转换的作用是进行模数转换，把接收到的模拟信号转换成数字信号输出。题目要求称重数值位数为5位，因此对A/D 转换器的精度要求高。该设计运用的是STC89C52单片机与外部连接A/D 转换器，A/D 转换器的位数确定与整个测量控制系统所需测量控制的范围和精度有关，系统精度涉及的环节很多，包括信号预处理电路精度A/D 转换器、传感器的变换精度以及输出电路等。A/D 转换器的原理图如下图所示。

仪用放大器原理图

A/D转换器原理

图

3.5按键模块

按键采用4*4矩阵式键盘。将I/O口线的一部分作为行线，一部分作为列线，按键设置在行线和列线的交叉点上，这样就构成了矩阵键盘。矩阵键盘越多越节省I/O口资源。可以将16个按键与8个I/O口相连接，构成低4位和高4位。其工作原理很简单，实现将4行看作是低4位，列看作高4位。检测按键时，首先将某一行全部置低电平，其余3行全部置高电平（此时我们确定了行数），这时我们轮流检测各列是否有低电平，若检测到某一列为低电平（这时我们又确定了列数），有了行数和列数我们便可以确定是哪个按键被按下。用相同的原理可以检测其他的按键，检测原理简单可行。4*4矩阵式键盘其原理图如下图所示：

4*4矩阵键盘原理图

3.6温度显示模块

本设计温度检测采用DS18B20数字温度传感器，与传统的热敏电阻有所不同的是，使用集成芯片，采用单总线技术，其能够有效的减小外界的干扰，提高测量的精度，同时，它可以直接将被测温度转化成串行数字信号供微机处理，接口简单，使数据传输和处理简单化。部分功能电路的集成，使总体硬件设计更简洁，能有效地降低成本，搭建电路和焊接电路时更快，调试也更方便简单化，这也就缩短了开发的周期。其有以下独特优点：

采用单总线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20的双向通讯。单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

测量温度范围宽，测量精度高 DS18B20 的测量范围为 -55 ℃ ~+ 125 ℃；在 -10~+ 85°C 范围内，精度为±0.5°C 。

在使用中不需要任何外围元件。

持多点组网功能多个DS18B20 可以并联在惟一的三线上,实现多点测温。 供电方式灵活 DS18B20 可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。因此，当数据线上的时序满足一定的要求时,可以不接外部电源，从而 使系统结构更趋简单，可靠性更高。

量参数可配置 DS18B20 的测量分辨率可通过程序设定 9~12 位。

负压特性 电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 掉电保护功能 DS18B20 内部含有 EEPROM ，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。本设计用一个DS18B20测量温度，具体内部结构及其外接电路如下图所示：

3.7液晶显示模块

显示采用LCD12864和LCD1602液晶显示，采用并口方式。LCD1602液晶为5V 电压驱动，带背光，可显示2行字符，每行显示16个字符，不能显示汉字，内置含128个字符的ASCII 字符集字库，只有并行接口，无串行接口。LCD12864液晶，带中文字库的128*64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接DS18B20外接电路

DS18B20内部原理图

口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。LCD1602和LCD12864的原理图如下图所示：

LCD12864串口操作电路图

LCD1602与单片机接口原理图LCD12864原理图

3.8直流电源模块

设计要求电源供给所有模块±15V电压。整流桥起到把交流电信号转化为脉动交流电信号，三端稳压芯片LM317和LM337起稳压作用，3300uF、10uF和1uF 电解电容和10nF瓷片电容起滤除纹波作用，203电位器由于调节输出电压的大小，发光二极管起到检测电路是否正常工作的作用。输出±15V提供给各单元电路。直流电源原理如下图所示：

直流电源原理图

3.9单片机最小系统模块

单片机最小系统结构其实很简单，主要由单片机、时钟电路、复位电路、外部扩展I/O接口等组成。单片机的功能是负责整个系统的控制，不承担复杂的数据处理任务。单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，通常在引脚XTAL1和XTAL2跨接石英晶体和2个补偿电容构成自激振荡器，可以

根据情况选择6MHz，12MHz或24MHz等频率的石英晶体，补偿电容通常选择30pF 左右的瓷片电容。单片机最小系统采用上电自动复位和手动自动复位两种方式实现系统的复位操作。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。手动复位要求在接通电源的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。上电自动复位通过电容C7充电来实现。手动按键复位是通过按键将VCC与RST接通来实现的。单片机最小系统如下图所示：

单片机最小系统原理

图

第四章 软件设计

NO Yes

开始

单片机初始化 界面显示编号、体重、时间等信息 压力传感器 判断有无压力 按键

语音报体重 确定 存储体重信息 返回显示模块

第五章总结

本次比赛是大三以来参加科技类最有益的，也是我们系的王牌第二课堂活动项目，从开始激烈竞争的选拔考试到细心选择合作的队友，再到小组讨论的分析比较审慎的选题。这一系列的参与过程，让我体会到知识的重要性和团队的力量。大家都是各有所长，在一起交流想法，更能锻炼与人合作的技巧，在分工方面张业伟主要负责硬件部分，而我和王婧则主要负责软件设计与报告的撰写。争取在这次比赛合作中能把各自的特长发挥出来，互相学习，共同进步。同时也希望以后在老师的指导下将我系的科技创新精神发扬光大。