分类号 单位代码 密 级 公 开 学 号[1**********]3
学士学位论文
论文题目：电子秤的设计与制作
论 文 作 者：甘清华
指 导 教 师：谭菊（讲师）
专 业：电子信息科学与技术
（微电子制造工程）
提交论文日期：2015年5月10日
论文答辩日期：2015年5月17日
学位授予单位：重庆文理学院
中 国 重 庆
2015年5月
Graduation Thesis of Chongqing University of Arts and Sciences
Design and Production of Electronic Scales
Candidate: Gan Qinghua
Supervisor: Tan Ju（Lecturer）
Major: Electronic Information Science and Technology
(Microelectronics Manufacturing Engineering)
College of Electron and Electrical Engineering
Chongqing University of Arts and Sciences
05,2015
中文摘要
摘 要
现代电子科学技术水平的飞速提高和微电子技术在生活中的广泛运用，促使拥有电子
器件的称重仪器也得到了提高。在电子称重的控制系统里加入更加自动化，操作方便且功能强大的模块，以此来解决传统测重仪器中存在的问题。本文介绍通过使用单片机来作为主要控制核心，外围添加灵敏的压力传感器，以及精度较高的模数转换部分，结合液晶显示单元和矩阵键盘。通过外围的功能电路如：液晶显示电路，超量警报电路和矩阵键盘电路，连接到单片机主控芯片上，形成具有一定精度能显示重量、单价、总价、超量自动报警等多功能高智能的称重系统。设计并制造出多功能高智能且价格合适的电子秤，精度达到0.003kg，测量最大量程5kg，能够满足人们的应用需求。
关键词：单片机；电子秤；矩阵键盘
I
英文摘要
Abstract
Electronic weighing instruments are impelled to improve the accuracy of better,because of the level of modern electronic science and technology improved rapidly and microelectronic technology widely used in life.Electronic weighing instruments’ control system adds automation,convenient operation,and powerful module to solve the traditional weighting instruments’ problems.This paper introduces the Single Chip Micyoco’s as the main control system,adding sensitive pressure sensor and high-precision analog-digital converter at external frontiers,combining the liquid crystal display unit and matrix keyboard.The function of the external circuit such as liquid crystal display circuit, excessive alarm circuit and matrix keyboard circuit which connect to the Single Chip Micyoco’s primary chip form the multi-function and high intelligence weighting system that can show weight, unit price, total price within a certain range of precision.Designing and making the high intelligence and the right price electronic weighing instruments can achieve the accuracy of the 0.003kg measurement, the maximum range of 5kg to full people’s application requirements.
Key words:MCU; electronic scales; matrix keyboard
II
目录
目 录
1 引 言 .......................................................................... 1
1.1选题的目的和意义 .......................................................... 1
1.2设计任务 .................................................................. 1
2 硬件电路设计 ................................................................... 1
2.1硬件设计概述 .............................................................. 1
2.2电源电路设计 .............................................................. 1
2.3单片机系统 ................................................................ 2
2.4单片机最小系统设计 ........................................................ 3
2.4.1单片机复位硬件电路设计 .............................................. 3
2.4.2单片机晶振电路设计 .................................................. 3
2.5传感器选择 ................................................................ 4
2.6键盘处理方案 .............................................................. 4
2.7液晶显示电路 .............................................................. 4
2.8称重HX711模数转换芯片 .................................................... 5
2.9超量报警部分选择 .......................................................... 5
3 软件电路设计 ................................................................... 6
3.1 编译软件简介.............................................................. 6
3.2 PROTUES仿真软件的简单使用 ................................................ 6
3.3液晶驱动程序设计 .......................................................... 7
3.4系统主程序流程图 .......................................................... 8
3.5 A/D转换启动及数据读取程序设计 ............................................ 8
3.6显示子程序设计 ............................................................ 9
3.7称重HX711驱动程序设计 .................................................... 9
4 系统调试 ...................................................................... 10
4.1系统硬件调试 ............................................................. 10
4.2系统软件调试 ............................................................. 11
4.3系统调试结果分析 ......................................................... 11
5 结语 .......................................................................... 12
致谢 ............................................................................ 13
参考文献 ........................................................................ 14 附录1 ........................................................... 错误！未定义书签。 附录2 ........................................................... 错误！未定义书签。
2015届电子信息科学与技术（微电子制造工程）专业学士学位毕业论文（设计）
1 引 言
1.1选题的目的和意义
现代电子科学技术水平的飞速提高，单片机系统已经慢慢的渗透到我们生活的各个领域，日常生活中已经随处可见它的身影并起到了非常重要的作用。单片机让我们进入了智能化电子世界，许多产品已经开始使用单片机进行设计，单片机设计硬件电路设计简单、硬件接口设计方便，单片机具有很多优异的接口，通过单片机设计可以达到很好的效果。单片机拥有占用的空间不大，能够实现的功能多且运用方面广等特点，传统的电子线路构成的经典系统现在正在以难以想像的速度被取而代之，传统的模拟电路和数字电路正在逐步退出大舞台。
伴随微电子科学技术的飞速发展，市面上的一般的电子秤测量系统难以提供日常生活中人们需要的用途。要解决改进原来称重系统存在的问题，为了解决生活中各行各业对称重系统功能的不同需求，实现功能多样化，选择多样性。因此设计具有一定精度、多功能的电子秤满足不同行业的需要是势在必行的。本次设计主要采用单片机来进行功能实现，压力传感器测量物体，通过A/D转换芯片转换，系统上具有液晶显示模块。高精度多功能电子秤的实现必将会大大满足各行各业对称重的需求。
1.2设计任务
本系统以单片机作为主控芯片，完成电子秤总量测试和总价格函数计算价格的基本功能。本设计一共划分为以下四个系统：单片机最小系统、数据采集系统、操作控制系统、供电系统。单片机的最小系统部分主要有STC89C52和经典复位电路以及晶振电路。由称重传感器和A/D
[1]转换部分来完成数据信号的采集和转换。这里的传感器主要选用高内阻的电阻应变式传感器
[2]和A/D转换芯片HX711。对键盘的使用和液晶显示方面的人机控制显示系统这里采用4×4的
一个矩阵键盘和液晶显示器。
最终实现0~5Kg的物体重量测试，能够键入单价（最多可输入9999），实现超量报警。并能够实现回删、去皮、归零、显示单价（单位：元）和总价（单位：Kg）等功能。误差范围在0.003Kg以内。
2 硬件电路设计
2.1硬件设计概述
本设计是基于单片机设计的电子称重系统。该系统是通过压力传感器和模数转换部分、单片机模块、显示模块、键盘控制输入等组成，具体硬件框图如下图所示：
图1 系统硬件框图
2.2电源电路设计
1
姓名：甘清华 论文题目：电子秤的设计与制作
系统的电源供电部分选择采用USB端口的+5V电压。采用USB供电比电池供电更加优秀，电池供电可能会造成工作电压不足，工作不稳定。如下图所示：
图2 电源电路原理图
2.3单片机系统
单片机选用的是STC89C52，它是包含有ROM/EPROM的一款八位单片机，它硬件结构具备功
[3]能部件种类齐全，性能高等优点。此种芯片组成的最小系统，即可靠、又简单、还很实用。
在单片机STC89C52上接上复位电路和时钟电路就可以组成最小应用系统。下面是单片机的引脚图和功能特性表：
图3单片机引脚图
2
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表1 STC89C52功能特性
主要功能特性
兼容MCS51指令系统
32个双向I/O口
低功耗和空闲掉电模式
3级加密位
2个外部中断源
2个读写中断口线
可编程UART串行通道 256×8bit内部RAM 8K可反复擦写Flash ROM 时钟频率0-24MHz 3个16位可编程定时/计数器中断 共6个中断源 2个串行中断 软件设置睡眠和唤醒功能
2.4单片机最小系统设计
2.4.1单片机复位硬件电路设计
本设计采用的是上电复位，系统一旦接入电源，RSET就置高电平，当RST被按下后，处理器将会被复位，硬件原理图如下图所示：
图4单片机复位电路设计
2.4.2单片机晶振电路设计
晶振是单片机顺利稳定运作的一个重要部分，作为心脏使得单片机稳定的运行。单片机的运行速度与系统的晶振的频率有着密不可分的关系，晶振频率越高就会使得系统运作的速度越
[4]快。单片机的晶振电路主要由两个电容并联加上石英晶体或陶瓷振荡器组成，连接单片机输入输出端组成并联谐振电路。电路如下图所示：
图5单片机晶振电路
3
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2.5传感器选择
压电传感器（自发电式传感器）是有源传感器的代表。主要工作原理是当它在受力后会在表面产生电荷的这种压电效应。压电传感器小巧轻便、结构简单、稳定可靠，主要还是用在动态力学方面，例如加速度和压力的测量。如果测量静态量和小频率的量，还是比较欠缺的。因为它的内阻比较高且电缆分布等会对其输出造成影响，对外接电路的要求也教高。
应变式电阻传感器是以应变片为传感器元件的。主要工作原理就是在发生形变时，其电阻也会跟真发生改变。该传感器结构简单、灵敏度高，适用于小压力测量。能够达到本设计所需的要求，完成重量感应。它具有下面列出的几个特点：
（1）有较高的精度，大范围的测量；
（2）又轻又小而且结构简单，在实际应用时对工作状态和应力分布不会有大的影响；
（3）能够使用时间长且性能既稳定又可靠；
（4）频率响应特性好响应时间大概在100ns左右；
（5）能够处于各种恶劣的环境条件下工作，无论是温高或强震，甚至化学腐蚀和核辐射也不会影响正常工作；
（6）应变片的类别多，成本便宜。
通过比较本设计选择电阻应变式传感器。以此满足称重量程范围为0～5Kg,且测量误差低于0.003Kg。由于传感器上方需要放置秤台，考虑超重损坏传感器等因素，所以选用的传感器在保持正常工作情况下，必须承受大于5Kg重量。以此达到保护器件的目的。
2.6键盘处理方案
为了实现电子秤的单价输入（0-9数字按键，一个小数点），共需设置15个按键（包含清零的按钮，单价按钮，删除键，一个确认按钮）。
该设计的价格录入选用矩阵式键盘，它的特征是将检测线一共分为两个组，其中一组是列线，一组是行线，将按键安放在行和列的相互交叉的地方。下面的图展示出了一个4×4矩阵键盘结构的接口电路，在这个图里每个按钮都通过不一样的列线与行线与系统连接着。它一共能
[5]够安放16个按键，但是这一共只需要8条测试线。当键盘需要按键的个数大于8时，基本情
况下都选用矩阵式键盘。综合该设计的实际要求，选用4×4的矩阵式键盘。
图6单片机按键识别电路
2.7液晶显示电路
显示模块可以选择LCD（Liquid Crystal Display）液晶显示和LED（Light Emitting Diode）数码管显示。单个LED数码管很难满足多显示的需求，所以想要得到更多显示信息时，就必须同时用多个数码管连接在一起。但是这样就会使整体的硬件连接变复杂，制作成本也会增加。而且数码管对字符显示有缺陷，较多字符并不能很好的显示，如果动态扫描处理得不好4
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也会出现闪烁现象。点阵字符型 LCD 液晶显示模块的显示内容丰富，同时模块体积小、功耗低，
[6]
方便使用。因为这些优点使得字符型LCD慢慢成为日常生活中显示模块的首选，但是LCD比LED的价格稍贵。通过LCD液晶显示和LED数码管进行性能比较过后，综合多方面因素，在这里选择使用LCD，选择型号为字符型液晶模块LCD1602。其实物如下图所示：
图7 LCD液晶显示模块
2.8称重HX711模数转换芯片
为了达到本设计要求，实现较高精度的测量。本系统选用量化精度高的HX711来实现模数
[7]
之间的转换。HX711 是一块高精度电子秤专用的 24 位 A/D 转换器芯片。它采用了海芯科技的集成电路的专利技术。和其他与之类似的芯片对比起来，它的编程和接口简单，输入选择开关可以随意选用A通道或者B通道。其中A通道的可编程增益有128增益 或者 64增益，其所相对应的满额度差分输入信号幅值为±20mV或±40mV。
[8]
这个芯片把需要外围电路的稳压电源和片内时钟振荡器等集成了起来。拥有响应速度快、
[9]
抗干扰能力强、集成度高等优点。可以通过上电自动复位功能简化开机初始化的过程。这样在降低电子秤的生产成本的同时，不仅加快了反映时间还提高了精度准确性。
图8 HX711接口图
2.9超量报警部分选择
智能电子仪器现在普遍具有报警功能，报警系统一般在运行错误，当数值大于操作者制定的限值或大于仪器最大承受范围的时候提醒用户。在该系统设计中，设置报警的目的是为了在
5
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被测物体超过测量量程和总价不能正常显示的时候，通过蜂鸣报警来提醒使用者，以免仪器被损坏。
[10]
通过单片机的I/O口来完成控制过量报警设计。当被测对象是大于系统设计最大范围的总重量时，会自动调用编好的程序让I/O接口的值置为低电平，则三极管被导通，让报警发出嘀嘀嘀的声音。当I/O接口的值置为高电平时，则三极管截止，警报声随即停止。
图9 报警系统
3 软件电路设计
3.1 编译软件简介
本设计使用的单片机编程工具是Keil C 51。该软件是编译51单片机的最佳编译环境。一个好的编译工具，是开发单片机人员必备的利器，其中KEIL还有MDK版本，主要用来开发嵌入
式系统。
Keil C51 可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。首先是用C语言或者是用汇编语言都是可以实现的，而后使得编译的程序通过处理生成单片机能够处理的二进制文
[11]
件（.HEX），最后把HEX文件经过单片机的烧写软件烧入单片机内。软件简单使用：
（1）点击桌面图标运行keil软件并建立一个新设计。 （2）而后保存工程文件的名字为“111”。
（3）此时会出现一个对话框,需要选择所需单片机的型号。
（4）单击“文件”菜单，单击“新文件”选项，并保将它存为“111.C”。
（5）回到编辑界面后，点击“添加文件组的源组1”， 将“111.c”文件添加上。 （6）编写程序。Keil c51可将关键字用不同的颜色来标记以此来提醒使用者。 （7）最后调试和编译，生成HEX码。 3.2 PROTUES仿真软件的简单使用
Proteus ISIS是一款实用性非常强的仿真电路分析软件，能与keil软件兼容并用，完成调试。
(一)启动Proteus ISIS仿真软件 (二)文件管理
（1）建立文件。在“文件”菜单中找到新的设计，出现设计图纸的选择框，选择纸张。 （2）保存文件。单击“文件”菜单，选择“保存设计为下拉菜单，弹出对话框保存路径，填入文件名和路径，单击“保存”按钮，保存文件。
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（3）打开文件。点击“文件”菜单选择“加载设计”，出现路径寻找的弹框，找到该文件，然后将其打开。
(三)建立仿真模型
（1）建立元件库。选择设计工作环境界面工具箱上component（元件选取）图标，点击p按钮，在打开对话框keyword中输入要查找的元件，点击OK将元件添加到元件库。
（2）选取元件。在元件库中，选择待放置的元件，点击原理图窗口将元件放置。
（3）元件编辑。右键单击选定的元件，单击并按住左键移动元件并按照对话框选择相应的操作；点击左边的按钮将弹出设置对话框，在对话框中设置参数和编号等。
（4）仿真。点击工具图标运行、暂停、停止仿真，可以观察效果。
3.3液晶驱动程序设计
LCD1602液晶模块里面有标准字库，内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了192个5
[13]
×7点阵字符，可显示2行×16列共32个点阵字符。其中包含的字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、 常用的符号、和日文假名等。每一个字符的读写操作、 屏幕和光标的操作
[14]
都是通过指令编程来实现的。其显示电路如图所示：
图10液晶显示电路
LCD1602选用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，液晶读写时序表和各个引脚接口说明如下表所示：
表2液晶读写时序
读状态 写指令 读数据 写数据
输入 RS=L，R/W=H，E=H
RS=L，R/W=L，D0—D7=指令码，E=高脉冲
RS=H，R/W=H，E=H
RS=L，R/W=L，D0—D7=数据，E=高脉冲
表3液晶引脚说明
输出 D0—D7=状态字
无 D0—D7=数据
无
编号 1 2
符号 VSS VDD
引脚说明 电源地 电源正极
编号 9 10
符号 D2 D3
引脚说明 数据 数据
7
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3 4 5 6 7 8
VL RS R/W E D0 D1
液晶显示偏压 数据/命令选择 读/写选择 使能信号 数据 数据
11 12 13 14 15 16
D4 D5 D6 D7 BLA BLK
数据 数据 数据 数据 背光源正极 背光源负极
3.4系统主程序流程图
[15]
将电子秤系统连接到电源系统，首先进行系统内部变量定义初始化和赋初值。然后LCD显示模块会清屏，接下来调用A/D转换的子函数。将A/D采集模块采集的信息送入单片机控制系统，如果采集的信息被认定超量，则调用蜂鸣报警函数，如果没超量则调用液晶显示函数对物体重量信息进行显示。最后如果矩阵键盘按键电路有输入，则计算显示总价，没有键入则返回显示重量信息。系统主函数流程图如下图所示：
图11系统主程序流程图
3.5 A/D转换启动及数据读取程序设计
系统完成物体信息测量后最重要的一步就是将信息进行模数转换，这样才能进一步将信息通过LCD显示出来。当对象的模数转换完成后，调用A/D采集函数，将A/D采集模块输出的二十四位二进制串行数据转化为十进制输出，然后完成调零和校准，最后分离出四位十进制数据的千位、百位、十位和个位。如果未完成模数转换，则需返回继续进行转换。
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图12 A/D转换子程序设计流程图
3.6显示子程序设计
LCD初始化后通过调用显示子程序函数，将写入的数据传送到液晶显示屏对应位置上进行显示。
图13显示子程序流程图
3.7称重HX711驱动程序设计
#ifndef __HX711_H__ #define __HX711_H__
void delay_hx711_us(unsigned int t);
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void delay_hx711_us(unsigned int t) {
while(t--); }
unsigned long HX711_Read(void) { unsigned long count; unsigned char i; SDA_SET; delay_hx711_us(4); SCK_CLR; count = 0;
while(SDA_PIN); for(i = 0; i
#endif
//增益128
//SDA = 1 //SCK = 0
//SDA
//SCK = 1 //读数据 //SCK = 0
//SDA //SCK = 1 //SCK = 0
4 系统调试
在完成电子秤的设计与制作过后，接下来需要对制作好的实物进行验证调试，看是否能够
达到我们需要的功能。如果不能达到则需要进一步的修改。这个过程是理论与实践结合最紧密的一步，要充分运用所学并且保持耐心，也必须保持清醒的头脑，否则很容易出现错误。调试过程一般由两个部分组成，其中一部分是硬件的调试，另一部分是软件调试。 4.1系统硬件调试
对系统硬件进行调试时，首先观察是不是每个硬件模块都完好正常，然后确认电路板后面的电路焊接是否正确且无虚焊、连焊、错焊、露焊等。在观察确定都无误后，再用万用表检测
[16]
电路板是否存在短路或断路的情况，并且连接电源测试电源输出的电压值。对传感器的调试只需将手指按压在传感器上，看LCD上重量信息是否发生变化，当松开手指后，能否归0即可。最后LCD1602能够成功通电显示，调试完成如下图所示：
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图14 调试完成硬件图
4.2系统软件调试
本系统的程序设计采用C语言编程，软件调试是基于硬件的调试成功，主要的程序处理，调试步骤如下：
（1）编写、调试编译模数转换程序。 （2）编写、调试LCD1602液晶显示程序。 （3）编写、调试按键程序。 （4）编写、调试超量报警程序。 4.3系统调试结果分析
下表列出了实际测量的部分结果：
表4电子秤实际测量部分结果
物体实际重量m1(kg) 液晶显示重量m2（kg） 绝对误差
1
0.001 0
2
0.003
0.003 0 0
3 0.1
0.099
0.001 1%
4 0.5
0.498
0.002
0.4%
1
5 6 1.8
1.797
0.003
7 2.6
2.598
0.002
3
8
4
9
4.5
10
0.994
0.006
0.6%
3.002
0.002
4.004
0.004
4.497
0.003
0.06%
mm1m2
0.001
100%
相对误差
m/m1
0.16% 0.07% 0.06% 0.1%
因为本设计所选用的是高灵敏度的应变式传感器，所以在测试过程中，可能受到其他外力的一点点影响就会导致测试结果不准确。将传感器固定在水平方向时，也要特别注意，一定要固定好，否则也会存在一定的误差。此外传感器连接的引线也很敏感，稍有触动，就会出现误
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姓名：甘清华 论文题目：电子秤的设计与制作
差。所以造成误差的原因可能有方方面面。
5 结语
这次毕业设计完成之后，提高了我在专业方面的知识和运用动手方面的能力，特别是关于单片机和C语言编程方面有了大大的提升。在设计过程中自己了解到相关知识的不熟练，运用起来比较吃力导致进展缓慢。但不放弃的参阅大量有关设计和专业方面书籍，我的知识文化得到了丰富。毕业设计告一段落了，可是依然有很多做得不好的需要继续加油，同时还了解到不管是动手能力还是理论知识水平都远远不够。
虽然，毕业设计已经接近尾声，即将踏入社会，以后还有很多困难在等待着我，经过本次毕业设计，我学会了很多，个人技能也得到了提升，知道如何系统的开发一个项目，知道如何处理一个事情，在系统的硬件电路设计和单片机软件开发方面提高很多，我相信踏入社会我可以快速适用新的工作环境。
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致谢
本设计是在谭菊导师的支持和指导下完成的。因为自己对专业知识学习的局限性，所以本设计难免有不足的地方，望请批评指正。在论文完成之际，我要对大学四年来在学习和生活中和完成论文过程中，对我有所帮助的所有人表示深深的谢意。
首先要感谢父母，没有父母的辛勤供养就没有我进入大学的机会，更不会有完成论文，完成学业的美好经历，感谢父母无私的付出。
其次我要感谢我的导师，导师严谨的态度、丰富的专业知识、力求完美的工作态度对本人影响深远，如果没有导师一直指导，我的毕业论文设计不会完成，也不会对研究有如此敬畏的态度，对只是有着如此渴望。感谢导师在学习上对我的鼓励和鞭策！
最后感谢重庆文理学院给了我如此大的舞台，能够让我挥洒青春，使得人生没有遗憾，她让我对大学的美梦成真。在这里，我收获了很多很多。四年的时间弥足珍贵，作为即将离校的我即将结束梦幻般的大学生活，踏入社会拼搏属于我自己的天空，心情既有伤感又充满希望。
在这里，祝所有的老师家庭幸福，工作顺利；希望所有的同学都有一个光明的未来，谢谢！
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姓名：甘清华 论文题目：电子秤的设计与制作
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