簡易數(shù)字電子秤設(shè)計(jì)(簡易數(shù)顯電子秤創(chuàng)意)

簡易數(shù)字電子秤設(shè)計(jì)
一、引言 隨著科技的發(fā)展，數(shù)字電子秤在日常生活和工業(yè)應(yīng)用中扮演著越來越重要的角色。本文將圍繞一款基于單片機(jī)控制的簡易數(shù)字電子秤的設(shè)計(jì)展開詳細(xì)闡述，介紹其設(shè)計(jì)理念、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件編程以及系統(tǒng)測試等方面的內(nèi)容。 電子秤作為精確測量物體重量的工具，廣泛應(yīng)用于商業(yè)貿(mào)易、工業(yè)生產(chǎn)和家庭使用中。傳統(tǒng)的機(jī)械秤由于操作繁瑣且讀數(shù)不夠直觀，逐漸被數(shù)字電子秤所取代。數(shù)字電子秤具有讀數(shù)直觀、使用方便、稱重準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的認(rèn)可和使用。
二、總體設(shè)計(jì)
1.系統(tǒng)框圖概述 簡易數(shù)字電子秤的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括傳感器模塊、信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、單片機(jī)控制電路和顯示電路等幾部分。具體系統(tǒng)框圖如下： ``` +--------------------------+ +----------------------| |-------------+ | | | | | 傳感器 信號調(diào)理 模數(shù)轉(zhuǎn)換 單片機(jī) 顯示電路 模塊 電路 電路 控制電路 +---------+ +------+ +----------+ | | | 電源電路 鍵盤輸入模塊 +-----------------------------+ ```
2.各模塊功能描述 2.1 傳感器模塊 稱重傳感器是電子秤的核心部件，主要功能是感應(yīng)物體的重量并將其轉(zhuǎn)化為電信號。本設(shè)計(jì)采用應(yīng)變片式傳感器，通過應(yīng)變片的形變引起電阻變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電壓信號。 2.2 信號調(diào)理電路 信號調(diào)理電路用于將傳感器輸出的微弱電信號進(jìn)行放大和濾波處理，以便后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。常用的方法包括差分放大電路和全橋測量電路。 2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。本設(shè)計(jì)采用HX711芯片，該芯片集成度高、抗干擾性強(qiáng)，并且具備24位高精度，能夠確保重量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 2.4 單片機(jī)控制電路 單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、顯示及用戶交互等功能。 2.5 顯示電路 顯示電路用于將最終的重量值顯示給用戶。本設(shè)計(jì)采用LED數(shù)碼管顯示，能夠?qū)崟r(shí)顯示稱量結(jié)果。
三、硬件電路設(shè)計(jì)
1.傳感器選擇與工作原理 本設(shè)計(jì)選擇應(yīng)變片式電阻傳感器，當(dāng)傳感器受到外力作用時(shí)，應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化，通過電橋測量電路將電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓信號。電橋測量電路如下圖所示： ``` V_in | ___|R1 | | | | R2 R3 R4 | | | | A B C D | | | | ___|Rf | V_out ``` 當(dāng)四個(gè)橋臂電阻達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，電橋輸出為零；當(dāng)有壓力作用時(shí)，橋臂電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出電壓與壓力成正比。
2.信號調(diào)理電路設(shè)計(jì) 為了增強(qiáng)信號的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，需要對傳感器輸出信號進(jìn)行放大和濾波處理。本設(shè)計(jì)采用AD620放大器構(gòu)建差分放大電路，如下圖所示： ``` V_in1 | AD620 | | GND O/P | V_in2 | | | GND | V_out | | V_ref >+----+ | | VDD | | | VSS >-----+ ```
3.A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用HX711芯片，該芯片內(nèi)部集成了穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。其典型接口電路如下圖所示： ``` HX711 單片機(jī) +-------------+---------+ | | | NC SCK DATA DT DOUT VCC,VEE,GND,PDWN NGND NC NC,DVDD STL NC NC,DVDD,SCK,DIN,CLK EXT NC NC,DVDD,DIN,DOUT,CLKIN NC NC NC,DVDD,CS,FS,RESET,CLKON ```
4.單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 選用STC89C52單片機(jī)作為主控單元，其主要功能是對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過顯示電路顯示重量。STC89C52單片機(jī)具有豐富的I/O接口和強(qiáng)大的處理能力，適用于本設(shè)計(jì)的需求。
5.顯示電路設(shè)計(jì) 采用四位一體共陽極LED數(shù)碼管顯示，驅(qū)動電路簡單且顯示效果穩(wěn)定。數(shù)碼管的段選信號由單片機(jī)控制，通過位選碼實(shí)現(xiàn)動態(tài)掃描顯示。 顯示電路如下圖所示： ``` ------------+--+---------+---------+--+------+------------+ +5V R1 Q1 ... Q8 鎖存器 74HC595 數(shù)碼管DS1 | | | ... | CN DS2 | | | | | ... DSn GND |------+ GND | ... | | ... DP ... | | | | EN ... | | ... ... ... | | 地 ... ... ... ... ... | | ... ... | | ... ... | | ... ... | | ..........................| | ```
四、軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
1.軟件流程圖 軟件部分主要包括系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)顯示等步驟。系統(tǒng)通電后，首先初始化單片機(jī)及相關(guān)外設(shè)，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集循環(huán)。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理后，再進(jìn)行標(biāo)定和單位轉(zhuǎn)換，最后送顯示電路顯示。軟件流程圖如下： ```mermaid flowchart TD 初始化(初始化變量,定義初值) --> 調(diào)用A/D采集模塊(采集數(shù)據(jù)) A/D采集模塊 --> 數(shù)據(jù)處理(濾波,調(diào)零,定標(biāo)) 數(shù)據(jù)處理 --> 顯示模塊(調(diào)用數(shù)碼管顯示子函數(shù)) ```
2.主要函數(shù)說明 2.1 A/D數(shù)據(jù)采集函數(shù) 該函數(shù)負(fù)責(zé)從HX711芯片讀取24位A/D串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。具體代碼如下： ```c unsigned long Read_Ad() { unsigned long ad_data = 0; // A/D采集串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為十進(jìn)制數(shù)存放在這里 //前24個(gè)AD脈沖選擇通道和增益為128或者64，第25個(gè)AD脈沖開始采集高8位數(shù)據(jù)，接下來的1SK,1~SK3依次采集低8位，最后一位是零點(diǎn)校正標(biāo)志位。 for (int i = 0;i < 24;i++) { while(!HX711); //檢測HX711的DOUT引腳是否輸出低電平，如果輸出為低則表示可以進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。 ad_data = (ad_data << 1) + (1&HX711_DOUT); //讀取一位A/D數(shù)據(jù),存入ad_data中并左移一位。 } delay_us(50); //延時(shí)等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束 return ad_data; //返回采集到的24位高低電平組合成的二進(jìn)制數(shù)。如果沒有加入調(diào)零程序的話此時(shí)得到的數(shù)值為原始輸出值。 } ``` 2.2 顯示刷新函數(shù) 該函數(shù)負(fù)責(zé)將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示電路，并按位選碼動態(tài)掃描顯示。具體代碼如下： ```c void DisplayRefresh(unsigned long weightValue) { // 動態(tài)掃描顯示千位、百位、十位、個(gè)位和單價(jià)小數(shù)點(diǎn)后兩位數(shù)碼管的數(shù)值。 // 延時(shí)程序要對千位、百位、十位位選延時(shí)100ms,各位數(shù)碼管的延時(shí)時(shí)間設(shè)置為1ms，如果不設(shè)置延時(shí)因?yàn)橐曈X暫留的現(xiàn)象會看到各位數(shù)碼管同時(shí)被點(diǎn)亮，從而觀察到四位數(shù)碼管同時(shí)被點(diǎn)亮的現(xiàn)象，所以這里要設(shè)置延時(shí)。 //千位位選延時(shí)100ms,百位位選延時(shí)100ms十位位選延時(shí)100ms個(gè)位位選延時(shí)100ms，如果各位數(shù)碼管的延時(shí)時(shí)間過短會導(dǎo)致數(shù)碼管不夠亮，不便于觀察，實(shí)驗(yàn)時(shí)可以調(diào)整延時(shí)時(shí)間來得到最佳觀察亮度。 } ```
3.數(shù)據(jù)處理與誤差校正方案 為了保證測量精度，需要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差校正和單位換算。具體步驟如下： - 濾波處理：通過軟件算法去除噪聲干擾，提高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。 - 標(biāo)定過程：通過已知重量物體進(jìn)行多次測量，求取平均值，確定零點(diǎn)偏移量和靈敏度系數(shù)。 - 單位換算：將A/D采集到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的重量單位，如克或千克。
五、系統(tǒng)測試與性能驗(yàn)證
1.測試儀器及工具列表 為了全面驗(yàn)證設(shè)計(jì)的簡易數(shù)字電子秤的性能，需要準(zhǔn)備以下測試儀器和工具： - 標(biāo)準(zhǔn)砝碼：用于校準(zhǔn)和測試電子秤的準(zhǔn)確性。 - 萬用表：用于檢測電路板上各測試點(diǎn)的電壓值。 - 示波器：用于觀測信號波形及其變化。 - PC機(jī)：用于MATLAB繪圖及分析。 - 焊接工具：用于電路板的焊接工作。 - EDA仿真工具：用于設(shè)計(jì)和測試原理圖。 - MCU燒寫工具：用于程序下載和調(diào)試。 - 其他基本電工工具。
2.指標(biāo)測試及測試結(jié)果分析 2.1 物體稱重標(biāo)定與測試 為了檢驗(yàn)電子秤的準(zhǔn)確性，需使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對其進(jìn)行標(biāo)定和測試。具體步驟如下： - 初始標(biāo)定：在不放任何物品的情況下，調(diào)節(jié)電子秤使其初始讀數(shù)為“0”。記錄此時(shí)的初始輸出值。例如，若初始讀數(shù)為70g，則需要在程序中減去這個(gè)初始值。 - 多點(diǎn)校準(zhǔn)：在電子秤上放置不同重量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼（如10g, 20g, ..., 100g），記錄每次的輸出值，繪制成線性圖表。理想情況下，輸出值與實(shí)際重量呈線性關(guān)系。通過MATLAB進(jìn)行曲線擬合，得出線性方程y=kx+b，其中k為靈敏度系數(shù)，b為零點(diǎn)偏移量。通過最小二乘法擬合直線，求得k≈76.043，b≈64.044。定標(biāo)后的校驗(yàn)過程表明線性相關(guān)度很高，滿足設(shè)計(jì)要求。 - 重復(fù)性測試：多次重復(fù)測量同一重量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，檢查讀數(shù)的一致性。若存在誤差，可進(jìn)一步調(diào)整軟件中的濾波和誤差校正參數(shù)。 - 誤差分析：通過對比實(shí)測值和真實(shí)值之間的偏差，計(jì)算電子秤的測量誤差。若誤差超出預(yù)期范圍（如±5g），需重新檢查硬件連接和軟件算法。 2.2 輸出電壓信號測試與分析 使用示波器觀測A/D轉(zhuǎn)換前后的信號波形，驗(yàn)證信號的穩(wěn)定性和噪聲情況。具體步驟如下： - 傳感器輸出電壓測試：在未加載和滿載情況下，使用萬用表測量電橋輸出端的電壓值。未加載時(shí)的電壓值約為0V，而滿載時(shí)應(yīng)接近最大輸出電壓。 - 放大電路測試：測量經(jīng)過AD620放大后的輸出電壓，確保其在合理范圍內(nèi)（約2.5V）。調(diào)整放大器增益以獲得最佳放大效果。 - A/D轉(zhuǎn)換測試：讀取HX711的輸出數(shù)據(jù)并進(jìn)行驗(yàn)證。確保A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)能正確反映輸入模擬信號的大小。例如，當(dāng)輸入電壓為2.00mV時(shí)，對應(yīng)的A/D值為336480，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。 - 動態(tài)響應(yīng)測試：在不同加載和卸載速度下觀測輸出信號的變化情況，確保無滯后或過度振蕩現(xiàn)象。 - 溫度影響評估：在不同環(huán)境溫度下進(jìn)行測試，檢查溫度變化對輸出信號的影響