基于ATmega16單片機的數字電子秤的設計

摘要：本設計是采用AVR單片機作為微控制器，結合壓力傳感器、AD7705、LCD1602實現的一種高精度多功能數字電子秤。文章詳細介紹了系統的硬件電路組成以及軟件的開發(fā)流程。本設計具有體積小、成本低、精確度高、可靠性高等特點。

0 引言

隨著電子技術和自動化測量技術的不斷發(fā)展，傳統的稱重系統在功能、精度、性價比等方面已難以滿足人們的需要，尤其在智能化、便攜式、對微小質量的測量方面更顯得力不從心。近年來，新型單片機的出現和集成電路技術的發(fā)展為更新產品設計，研制高性價比的稱重控制器提供了條件。本設計采用AVR單片機為控制核心，結合電阻應變式壓力傳感器和相應的信號采集電路，設計出一種高精度、多功能、低成本的新型電子秤。

1 系統總體設計

首先由稱重傳感器采集因壓力變化而產生的電壓信號，通過A/D轉換器將模擬信號轉換為數字信號，把數字信號送入AVR單片機，單片機做相應的處理后，得到當前物體重量的數據，并通過LCD顯示出來。系統硬件結構如圖1所示。

系統硬件電路包括A/D轉換模塊、4×4矩陣鍵盤模塊、LCD模塊和蜂鳴器報警模塊;軟件模塊又可分為主程序模塊、矩陣鍵盤掃描模塊、A/D轉換模塊和LCD1602模塊。

2 系統硬件設計

2.1 AVR單片機

本設計是選用AVR系列單片機中的ATmega16作為微控制器。ATmega16是基于增強型AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集和單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16L的數據吞吐量高達1MIPS/MHz，在片內集成了16kB的可編程FLASH，512B的E2PROM，1kB的片內SDRAM。在外設方面，具有兩個可編程的串行UART，8路10位ADC，四通道PWM，并支持SPI、TWI、JTAG接口，允許ATmega16L和其他外設進行高速的數據傳輸。

2.2 稱重傳感器

電阻應變式稱重傳感器是把電阻應變計粘貼在彈性敏感元件上，然后以適當方式組成電橋的一種將力(重量)轉換成電信號的傳感器。在電阻應變式稱重傳感器中通過橋式電路將電阻的變化轉換為電壓變化。電阻應變式稱重傳感器工作原理如圖2所示。

本設計選用湖南宇航公司的SB-B型懸臂式稱重傳感器，額定量程5kg，靈敏度3mv/V，非線性誤差0.03%ES，重復性誤差0.02%ES，蠕變(30分鐘)O.03%F.S，零點溫度漂移0.03%F.S./10℃，溫度補償范圍-10～60℃。該系列傳感器采用懸臂單剪切結構，過載能力強，受力后自動調心好，具有精度高、長期穩(wěn)定性好、抗疲勞、抗偏載能力強的特點。

2.3 高精度A/D轉換

稱重傳感器輸出的是mV級的電壓信號，本設計采用AD7705對信號進行采集。AD7705是AD公司推出的一種基于∑-△轉換技術的16位A/D轉換芯片，它具有高分辨率、寬動態(tài)范圍、自校準、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓、低功耗等特點，適合于稱重系統中微機信號處理的需求。其具有可編程增益放大器，增益范圍1～128，可與壓力傳感器直接相連，使用同步串行SPI接口，可以與AVR單片機的硬件SPI接口直接相連，其電路連接圖如圖3所示。

當傳感器加上滿量程重量5kg時，傳感器在5V的工作電壓下取得15mV的輸出電壓。5V工作電壓經分壓后為AD7705提供基準電壓，因此工作電壓的變化不會產生系統誤差。分壓電阻為24kΩ和15kΩ，產生的基準電壓為1.92V。當器件的可編程增益為128時，對應的滿量程輸入電壓即為15mV。

2.4 人機通訊

人機通訊包括鍵盤掃描、LCD、蜂鳴器報警三個部分，鍵盤采用4×4矩陣掃描鍵盤，接在單片機的PC口;顯示部分采用的是LCD1602液晶，能夠同時顯示16×2即32個字符。1602液晶模塊內部的字符發(fā)生存儲器(CGROM)已經存儲了160個不同的點陣字符圖形，編程時可以用AS-CII碼直接賦值，還可以用字符型常量或變量賦值;蜂鳴器的作用是當稱重物品超出傳感器的量程時，以鳴響報警提示用戶。

3 系統軟件設計

系統軟件開發(fā)平臺為WinAVR，開發(fā)語言為C語言。為了方便程序調試和提高可靠性，程序設計采用自上而下、模塊化、結構化的程序設計方法。本設計按任務模塊劃分的程序主要有初始化程序、主程序、A/D轉換子程序、LCD顯示子程序、鍵盤掃描子程序。

系統工作時分為初始界面模式和稱重模式，可設一標志位進行更改以及判斷。在初始界面中，液晶屏第一行顯示Place object!”，提示用戶可以在電子秤上放置想要稱重的物品;第二行顯示Price：”，提示用戶輸入物品的單價。

隨后系統進入鍵盤掃描狀態(tài)，當相應的稱重按鍵被按下時，單片機控制AD7705進行AD轉換，把得到的結果進行處理后通過LCD顯示出來。顯示包括物品的重量和總價，稱重精度為1g。以此不斷地循環(huán)完成對物品的實時測量。主程序流程圖如圖5所示。

4 結束語

文章提出了一種基于ATmega16單片機的數字電子秤的設計，充分發(fā)揮了AVR單片機的強大的控制能力，通過稱重傳感器和16位的AD7705轉換器實現了對重量的高精度測量，具有成本低、穩(wěn)定性強、電路簡單等特點。系統在電子秤的實際應用中得到了滿意的效果。