基于单片机多功能称重电子称设计
摘 要
本设计介绍了基于单片机AT89C51的多功能称重系统的硬件电路和软件设计流程。系统包括了主控部分、LCD显示部分、功能按键部分、声光报警部分、称重部分等。本多功能电子秤系统设计的精度高、功能完善、结构简单合理，具有单价计算、报警上限设置、清零、去皮、结果、累计等多种功能。
随着近几年微电子技术的应用，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AT89S51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。可以说,此设计所完成的电子秤很大程度上满足了应用需求。
关键词：单片机；称重传感器；LCD显示；A/D转换器
2总体方案设计
在智能化电子测量的设计理念要求下，本设计由以下七部分组成：电阻应变式传感器、放大系统、A/D转换系统、CPU控制系统、LCD显示系统、报警系统及键盘控制系统。其结构原理图如图2-1所示。
2.1显示器的选择方案
方案一：采用LED（数码管）显示。LED（数码管）是light-emitting diode的缩写，它经过合理的设置可以完成显示被测物质量、单价、总价以及可测上限值的任务，并且经济耐用。同时LED具有高亮度，高刷新率的优点，能提供宽达160°的视角，可以在较远的距离上看清楚。但是它的显示存在信息量少，显示不直观，不易理解，连线复杂等缺点。
方案二：采用LCD（液晶屏）显示。LCD（液晶屏）是Liquid Crystal Display的缩写，它具有字符显示的功能，不但可以同时显示被测物质量、单价、总价以及可测上限值，还可以同时显示相应的控制命令、指示符号及单位等，信息量丰富且直观易懂。另外，液晶显示有功耗低，体积小，质量轻，寿命长，不产生电磁辐射污染等优点。
综合比较二者的优缺点，本设计最终采用LCD1602作为显示器。
2.2AD芯片的选择方案
方案一：采用AD7810作为A/D转换器件。 AD7810是美国模拟器件公司（Analog Devices）生产的一种低功耗10位高速串行A/D转换器。该产品有8脚DIP和SOIC两种封装形式，并带有内部时钟。它的外围接线极其简单，AD7810的转换时间为2μs，采用标准SPI同步串行接口输出和单一电源（2.7V～5.5V）供电。在自动低功耗模式下，该器件在转换吞吐率为1kSPS时的功耗仅为27μW，因此特点适合于便携式仪表及各种电池供电的应用场合使用。
方案二：采用ADC0832作为A/D转换器件。ADC0832是采样分辨率为8位的、微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。
综上所述，由于考虑到8位模数转换已经满足本次设计要求，而且ADC0832的价格相对较低，所以本设计采用ADC0832作为模数转换器件。
2.3CPU的选择方案
方案一：采用传统的8位的51系列单片机作为系统控制器。AT89C51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AT89C51单片机可以提供许多较复杂系统控制应用场合。而且我们做的很多产品都是在51的基础上完成，对51系列的单片机相对来说较为熟悉。
方案二：采用32位的ARM2138作为系统控制器。ARM2138具有强大的存储空间，内嵌32K片内静态RAM和512K的flash存储器，可以实现在系统可编程（ISP）、在应用可编程(IAP)，2个8路10位A/D转换器，1个D/A转换器，转换迅速准确，引脚资源丰富，多达47个可承受5V电压的通用I/O口，多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C接口（400Kb/s）、SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP。但价格相对较高。
综上分析，由于考虑到器件的价格、现有资源和对器件的掌握程度，控制器模块选择方案一。
2.4总体方案的设计
综合考虑本次设计要求、现有元器件资源、元器件价格和对元器件的熟悉掌握程度，本次设计选用AT89C51作为CPU控制器，ADC0832作为模数转换器件，LCD1602作为显示器件，再配以其他相关元器件来实现硬件电路的设计。
图2-1 基于单片机控制的电子秤的基本组成框图
传感器的测量电路选用全桥电路，由四个电阻应变计组成。无外力作用时，桥路平衡，输出电压为零；有外力作用时，电阻应变计的阻值发生变化，桥路失去平衡，有相应的电压输出。但是由于此电压信号过于微弱，难以被ADC0832采集，则需经过放大电路放大才能经ADC0832进行模数转换。转换后的数字信号经单片机处理后送显示器显示。本设计还增加了键盘和报警电路，键盘的功能是调节满量程的上限值和当前的单价，如果被测量的物质重量超出所设定的满量程上限值，则蜂鸣器报警，否则显示当前的重量、单价和相对应的总价。
3硬件设计
3.1传感器的设计
3.11电阻应变式传感器的组成及原理
电阻应变式传感器由电阻应变计、弹性体和测量电路三部分组成[4]。本次设计所采用的传感器如图3-1所示。弹性体在外载荷作用下产生应变时，通过粘接剂传递给电阻应变计，引起电阻值改变，其结果使电桥产生不平衡输出，此输出与外载荷成正比。常用的电阻应变计有两种：电阻丝应变计和半导体应变计，本设计中采用的是电阻丝应变计，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。
图3-1 应变式传感器安装示意图
3.4显示系统电路的设计
3.41液晶显示简介
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（Simple Matrix）和主动矩阵驱动（Active Matrix）三种。本设计采用的是字符式。
用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可[13]。
3.42LCD1602的结构及引脚功能
LCD1602的结构如下图所示：
图3-8 LCD1602的结构图
第1脚：VSS为地电源。
第2脚：VDD接5V正电源。
第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：背光源正极。
第16脚：背光源负极
3.43显示电路的硬件设计
LCD1602的电路设计如下图所示：
图3-8 LCD1602的结构图
4软件设计
4.1主程序的设计
主程序设计的流程如下图所示，开机后先对LCD1602进行初始化，并显示单价及上限阈值，接下去则循环采集AD数据及键盘程序。
图4-1 主程序流程图
6仿真及实验调试
图7.1 在keil中编写程序和调试
图7.2 proteus中进行仿真
图7.3 AD原理图
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