单片机课程设计-数字显示称

单片机课程设计

题目数显称

学院计算机与信息学院

班级电子信息科学与技术11-1

姓名刘伟杰

学号20112799

1、用户需求

数显称,根据“压力测量实验”的原理，能够检测并在数码管上显示出压力传感器上的压力读数。

2、设计任务

(目标、如何实现) 设计一数显称：

（1）用NBCTFT彩屏显示压力传感器的数据包括压力值（N）和转化后的重量（Kg）（2）可以进行初始压力的校准

3、原理框图及说明

根据设计任务，设计如下框图：

图1、原理框图

电源部分，通过升压模块使用一节18650电池为单片机提供5V稳压电源；NBCTFT 彩屏作为主要显示设备，显示压力以及重量的具体数值，包括一个表盘实时显示重量；称重传感器，采用电桥作为压力的传感器，输出模拟量到HX711；HX711，是一个24位精度的ADC，这里采用商家提供的成品芯片hx711直接通过IIC协议读取ADC的数字量，并传送到单片机；单片机模块，使用STC12C5A60S2芯片，此芯片工作在1T（12倍速）状态，是普通的51单片机工作速度的12倍，适合作为界面的演示包括扫屏指针的更新等操作。通电后，彩屏进行初始化，各个变量定义以及初始化，随后开始传感器的开机校准，读取空载重量作为初始值，后面的重量会以此作为基准开始计算，随后进行采集压力以及显示的重复状态，并实时显示在彩屏上。

根据原理框图，设计电路图如附件1.

注：由于在仿真中找不到彩屏包括压力传感器的相关模型，故在proteus仿真中采用简单模型代替，无法进行真实仿真。

4、主要电路说明、元件选择及参数计算

4.1复位与振荡电路

复位电路如图2，由C5和R48构成。由于stc12c单片机为低电平复位，图示电路利用电容的特性，在刚刚外加5V电源时RST脚的电压为低。时间常数=RC=38mS，满足芯片复位要求。（P4,RST段）由于电压为5V，可选择耐压6.3V的电解电容即可。

图2、复位与振荡电路

振荡电路按照说明书的推荐，选择12MHz晶体，C7、C8选择33pF瓷片电容。

4.2 显示电路

显示电路采用NBCTFT 3.2寸LED液晶触摸屏作为主要显示设备，此彩屏的色阶指数为65536色，分辨率为320x240 （Pixel），屏幕的具体引脚说明如下：

由于在此次课程设计中没有使用触摸屏的设定，故采用的数据端为AD0-AD7，控制信号为S-指令/数据 ，WR-写控制 ，CS-使能 ，RST-复位，没有使用RD （读控制）信号，因为不需要读取显示屏的内容。主板上一个稳压芯片 LM1117-3.3 作用是把5V 电压转换为3.3V ，以符合单片机的5V 供电电压。由于TFT 屏提供了官方的库文件驱动程序，故在主程序中只要按需调用相应程序便可实现初始化以及内容的显示。

图3、显示电路

4.3 压力传感器

平行梁式称重传感器作用原理为将应变片黏贴到受力的力敏型弹性元件上，当弹性元器件受力产生变形时，应变片产生相应的变化，进而使电阻阻值发生变化，由力引起的阻值变化转换为电压的变化，通过测量输出电压的数值再通过AD数模转换即可得到压力值。

图4、压力传感器示意图

图5、压力传感器电路图

4.4 AD数模转换电路

HX711 采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子秤而设计的24 位A/D 转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。

图6、HX711集成芯片电路图

HX711芯片通过I2C协议与主机进行通讯，将压力传感器传过来的电压值（模拟量）通过HX711转换为24bit 的数字量，通过单片机的相应计算和转换得到相应的压力值和质量值。具体的HX711时序图如下：

图7、HX711芯片时序图

4.5 报警电路

因为买的压力传感器的最大承重为5KG，故在测量的时候不能过度放置重物，所以在检测压力的时候要注意限制加以提示，故设计报警电路，在超过5kg时发出响声报警。

图8、报警电路图

4.6 电源电路

电源采用可变升压模块，将一节3.7V的18650电池通过升压模块升至稳定的5V，供单片机以及其他外设使用，同时内部有稳压芯片，包括隔离电路，保护整个电路的稳定和安全性。

5、软件规划

5.1软件划分及主流程图

根据设计要求，采用NBCTFT彩屏显示主体数据，在开机时启动显示屏的初始化（包括对学号和作者的名字显示，秤盘的表面、刻度、指针的初始化，重量以及压力的数字显示初始化等），随后开始进行第一次系统的校准，获取一次压力作为校准值，随后进入大循环开始不断采集压力传感器的数据，并在相应的数字值处显示，并且反映到秤盘的指针上，实现实时的指针随着压力的变化而变化。

设计的全局变量：

（1）AD转换值缓冲区，unsigned long hx711_temp;；（2）校准的数据缓冲区，unsigned int jiaozhun；（3）每次测重量时的缓冲区，unsigned int weight;（4)重量的真实返回到显示屏上的值，float tru_weight；（5）压力的数据缓冲区，float Presure；（6）秤盘上指针的位置前后值寄存区，temp0,temp1；

设计函数如下：

（1）主函数main()

入口：无，出口：无。维持程序运转。

（2）显示屏初始化void init(void)

功能：开机时对显示屏进行初始化，包括秤盘面的指针以及刻度、数据、标示位等进行初始化。

入口：无，出口：无。

（2）对数据进行校准void adjust(void )

功能：开机时对传感器的数据进行第一次采集，获得的值作为后面的称量基准。

入口：无，出口：无。改动校准数据缓冲区jiaozhun。

（3）称重void Get_Weight(void )

功能：通过HX711对压力传感器获取的压力值进行处理，通过转换公式获得物体重量以及压力大小。

入口：无，出口：无。改变压力以及重量的数据缓冲区。

（4）将指定字符串（包括中英文）输出到指定位置void LCD_PutString(unsigned short x, unsigned short y, unsigned char *s, unsigned int fColor, unsigned int bColor)

功能：根据x,y的值将字符串s打印到显示屏具体位置，并配置前面板色和背景色。

入口：指定坐标x,y，指定字符串s，指定前、背景色fColor、bColor

出口：无。

（5在指定两点连线void Line(uchar X0, uchar Y0, uchar X1, uchar Y1,unsigned int color);

功能：根据X0，Y0，X1，Y1在两点之间连线

入口：指定坐标（X0，Y0），（X1，Y1），指定线条颜色

出口：无。

（6）显示数字void LCDShow_uCharNumber( int x,int y,float uCharNumber,unsigned int forecolor, unsigned int bkcolor);

功能：在指定位置显示指定数字

入口：指定坐标（x,y），指定数字前、背景色forecolor、bkcolor

出口：无。

（7）画圆void draw_circle(int x, int y, int r, int color);

功能：根据（x,y)，r的大小在圆心画半径为r的圆

入口：指定坐标（x,y)，半径r，指定线条颜色color

出口：无。

（8）清屏void CLR_Screen(unsigned int bColor);

功能：将屏幕以指定颜色清屏

入口：指定清屏颜色

出口：无。

（9）读取HX711的AD转换值unsigned long HX711_Read(void)

功能：读取压力传感器的压力值经过ADC转换过后的数值，并将此值返回

入口：无

出口：AD转换值缓冲区hx711_temp。

（10）系统延时void delayms（unsigned int tt）

功能：根据tt值延时相应毫秒

入口：指定延时时间tt

出口：无。

（11）秤盘面指针的运动void Pointer(float w)

功能：根据w的角度值确定指针停留的具体位置

入口：角度w

出口：无。

5.2压力传感器的具体转换系数计算

传感器的满量程输出电压=激励电压*灵敏度1.0mv/v ，例如：供电电压是5v乘以灵敏度1.0mv/v=满量程5mv。相当于有5Kg重力产生时候产生5mV 的电压。此次使用的压力传感器的最大值为5KG。711模块A 通道带有128倍信号增益，可以将5mV 的电压放大128倍，然后采样输出24bit AD转换的值，单片机通过指定时序将24bit 数据读出。

在5V的供电电压下5Kg的传感器最大输出电压是5v*1mv/V = 5mV ，经过128倍放大后，最大电压为5mV*128 = 640mV ，经过AD 转换后输出的24bit 数字值最大为：640mV* 2^24/5V ≈2147483。

程序中通过hx711_temp = HX711_Read()获取当前采样的AD 值，最大2147483，存放在long 型变量hx711_temp中。因long 型变量计算速率和存放空间占用资源太多，固除以100，缩放为int 型，便于后续计算。假设重力为A Kg（A<5Kg），假设测量出来的AD 值为y ，5Kg传感器输出，发送给AD模块儿的电压为A Kg * 5mV / 5Kg = A mV ，经过128倍增益后为128 * A = 128AmV ,转换为24bit 数字信号为128A mV * 2^24 / 5V = 429496.7296A，所以y = 429496.7296A /100 = 4294.967296 A ，因此得出 A = y /

4294.96729Kg ≈y / 4.30 g ，所以得出程序中计算公式tru_weight = (unsigned int)((float) tru_weight/4.30+0.05)。

tru_weight的最大值限定在5000左右，通过函数的处理，去掉小数部分，得到的精度为四位数，既最小的分辨率为1g，AD的最小分辨率为1/（2^24）*5V。

5.3数显称的标定

此次购买的压力传感器的有效范围为0-5KG，这就涉及到一个标定的问题。所谓标定，是使用标准的计量仪器对所使用仪器的准确度（精度）进行检测是否符合标准，一般大多用于精密度较高的仪器，它可以赋予仪器或测量系统分度值，确定仪器或测量系统的静态特性指标，消除系统误差，改善系统的正确度，在科学测量中，标定是一个不容忽视的重要步骤。

对于压力计的一种较为科学的标定方法是将一个已知数值的重物放在压力计上，并且输入此时的重物重量，让系统记住对于数值的重物应该在相对应的数据下，然后建立线性方程获得相应更改过后的系数来弥补压力计可能存在的非线性误差。

而在此次的压力计中，由于实验室没有标定的相关实验设备，故我们采用1L装的矿泉水瓶装满水来进行标定。我们将矿泉水瓶装上水然后放到食堂的电子秤上进行称量，连同瓶子加水调至1Kg，然后将水瓶放在我们设计的压力计上，看数值是否准确，通过软件的方法修改相应的系数进行标定，但是这种方法仍然存在相对较大的误差。

6、测试

图9、主程序框图

7、体会与感想

作为杨兴明老师的创新基地核心成员之一所以之前对单片机并不陌生，之前也做过不少项目，所以这次拿到题目的时候已经有了基本思路，当时只是单纯的想按照题目要求在数码管上显示出压力和重量的数值，并没有考虑更多，可是后来在实际的代码调试阶段发现在数码管上的显示是用动态扫描的，而每次AD采集一次数据并且转换完成大概需要几个毫秒的时间，这就造成了无论显示和采集程序的相对位置的变化都不能改变数码管的显示停顿问题。所以第二次我采用了LCD1602的液晶屏来作为主要显示设备，由于液晶屏不用一直扫描屏幕只需要把更新之后的数据重新刷新到显示屏上即可便克服了显示的停顿问题。后来看到好几个人都是用LCD1602做的显示设备便觉得有点枯燥后来就改成了用NBCTFT彩屏显示，一方面在颜色方面可以有更多选择，另外一方面由以前那种带指针的电子秤让我想到我可以在显示屏上也完成这样一个设计，所以我便开始了用TFT屏作为主要显示设备的具体代码实现。

由于屏幕的扫描对单片机的速度有着更高的要求，故我舍弃了C51的单片机，采用了STC12C5A60S2这块芯片，12C系列芯片内部未进行12分频，比51单片机工作的频率快了十二倍，很适合作为屏幕扫描的主控芯片。

由于之前也做过TFT屏的显示项目所以我对这个屏幕的具体操作还是比较熟悉的，利用Bresenham 画圆算法，便可以在屏幕的指定圆心坐标画出指定半径的圆，利用math.h中的sin(),cos()函数构造圆方程，利用角度w作为变量便可定位到圆上的任何一点坐标。可是在定位圆上坐标的时候发现系统的sin,cos函数的其实角度都是从正向x轴向着-2/pi开始算起，所以我后来用角度范围判断的方法弥补了+2/pi的缺陷，使得指针的位置可以正确无误的指到圆上任何位置。

最大的问题便是我在写完指针的代码之后发现我明明做过了指针的上一次状态消隐（需要擦出上一次指针的位置才能才能不造成上次指针的像素残留）可是在实际中还是会有不少点未来得及消除，残留在了屏幕上。我一开始想到可能是时间不够还未来得及使得扫描不干净，可是后来在特地延长了消隐的时间后还是一样的结果我便开始思考是不是扫描的消隐程序本身有问题。在经过与班里同学共同讨论之后总结出可能是因为我设定的w角度在经过角度和弧度转化的过程中将一些更细致的点的坐标忽略了导致清屏不干净，故我采用了循环消隐的方法将指针当前角度的前3度和后3度所转换过后的弧度点都消隐了一遍，这次便彻底消除了残留的问题。

在写代码的时候有一点给我感触最深的地方便是越简单的代码越难找出错误，明明就那么几行代码，可是硬是出不来想要的结果，可是换个人来看也许马上就能找到一个小错误，也许自己都会诧异怎么会犯那么幼稚的错误。在写LCD1602代码的时候，明明驱动函数自己之前都用过，可是屏幕上硬是没有任何显示，连初始化都过不去，用debug模式调试也没有任何结果出来，搞了一个晚上无果，后来第二天换了一个1602就好了，硬件问题有时候也是不可避免的错误之一。

在这次设计的一周内，也有很多别人找我调试代码，问问题，有些问题我也不是很清楚，不过大多数都是在相互之间讨论之后得出了一个好的结果，所以相互之间的想法交换式很有必要的，尤其是在这种代码的问题上，也许别人的一个小意见或者是一个小的提醒可以解决你一直困扰在心中的问题。在帮别人调试代码的时候我自己也能学号好多知识，比如我已开始只是对ADC0809比较熟悉，不过这次大家用的ADC型号各种各样，所以在调试代码的时候我也学到了别的型号的ADC驱动的方法，包括容易出现的错误，在帮别人找代码中的bug 是一件既麻烦又很享受的过程，一方面可能对于别人的代码一点概念都没有，或者说没有一个大概的思路就要找出其中的bug是一件很难得事情，另外一方面找出bug又是一件很令人

激动人心的事情，也可以知道自己在以后写代码的过程中可能容易犯的错误，为自己以后的写代码提高了效率。代码最重要的是执行的效率，一个代码的好坏不是看它能干什么事情，而是看他能干好一件事的时候同时又能节约硬件资源，节约执行时间。

附1、原理图

附2、程序清单

（注：NBCTFT的驱动库函数过多不予显示）

main.c

#include

#include

#include

#include

void adjust()

{

hx711_temp = HX711_Read();

jiaozhun = hx711_temp/100;

jiaozhun+=12;

}

void Get_Weight()

{

hx711_temp = HX711_Read();

weight = hx711_temp/100;

tru_weight =jiaozhun- weight;

//获取实物的AD采样数值。

tru_weight = (unsigned int)((float)tru_weight/4.22+0.05);

//计算实物的实际重量,重量大加，小减，4~5

tru_weight=tru_weight/1000;

Presure=tru_weight*9.8;

}

void Pointer(float w)

{

w*=10;

if(w<12.5)

{

w=w*360/50+270;

if(w!=temp0)

{

for(temp1=temp0-2;temp1

{

Line(120+8*cos(temp1*3.14/180),140+8*sin(te mp1*3.14/180),(120+80*cos(temp1*3.14/180)),(140+8 0*sin(temp1*3.14/180)),Blue);

Line(120+8*cos(temp1*3.14/180),140+8*sin(te mp1*3.14/180),(120+80*cos(temp1*3.14/180)),(140+8

0*sin(temp1*3.14/180)),Blue);

Line(120+8*cos(temp1*3.14/180),140+8*sin(te mp1*3.14/180),(120+80*cos(temp1*3.14/180)),(140+8 0*sin(temp1*3.14/180)),Blue);

}

}

Line(120+8*cos(w*3.14/180),140+8*sin(w*3.14 /180),(120+80*cos(w*3.14/180)),(140+80*sin(w*3.14/ 180)),Red);

temp0=w;

}

else

{

w=(w*360/50-90);

if(w!=temp0)

{

for(temp1=temp0-1;temp1

{

Line(120+8*cos(temp1*3.14/180),140+8*sin(te mp1*3.14/180),(120+80*cos(temp1*3.14/180)),(140+8 0*sin(temp1*3.14/180)),Blue);

Line(120+8*cos(temp1*3.14/180),140+8*sin(te mp1*3.14/180),(120+80*cos(temp1*3.14/180)),(140+8 0*sin(temp1*3.14/180)),Blue);

Line(120+8*cos(temp1*3.14/180),140+8*sin(te mp1*3.14/180),(120+80*cos(temp1*3.14/180)),(140+8 0*sin(temp1*3.14/180)),Blue);

}

}

Line(120+8*cos(w*3.14/180),140+8*sin(w*3.14 /180),(120+80*cos(w*3.14/180)),(140+80*sin(w*3.14/ 180)),Red);

temp0=w;

}

}

void main()

{

init();

adjust();

delayms(5000);

Line(120+8*cos(temp0*3.14/180),140+8*sin(te mp0*3.14/180),(120+80*cos(temp0*3.14/180)),(140+8 0*sin(temp0*3.14/180)),Blue);

while(1)

{

Get_Weight();

LCDShow_uCharNumber(120,280,tru_weight,W hite,Blue);

LCDShow_uCharNumber(120,300,Presure,Whit e,Blue);

Pointer(tru_weight);

};

}

main.h

#ifndef __main_H__

#define __main_H__

#include //******************全局变量***************************

unsigned int Device_code;

/* LCD color */

#define White 0xFFFF

#define Black 0x0000

#define Blue 0x001F

#define Blue2 0x051F

#define Red 0xF800

#define Magenta 0xF81F

#define Green 0x07E0

#define Cyan 0x7FFF

#define Yellow 0xFFE0

extern int i=0;

extern unsigned long hx711_temp =0;

extern unsigned int jiaozhun = 0,weight=0;

extern float Presure=0,tru_weight=0,temp0=270,temp1=0;

extern void init()

{

Device_code=0x9328;

TFT_Initial(); //tft初始化

CLR_Screen(White); //清屏

LCD_PutString(70,50,"MCU Design",Blue2,White);

LCD_PutString(80,90,"20112799",Blue2,White);

LCD_PutString(80,130,"刘伟杰",Blue2,White);

delayms(5000);

CLR_Screen(Blue); //清屏

draw_circle(120,140,100,Green);

draw_circle(120,140,101,Green);

draw_circle(120,140,102,Green);

draw_circle(120,140,3,Green);

draw_circle(120,140,4,Green);

for(i=18;i<=360;i+=36)

{

draw_circle((120+100*cos(i*3.14/180)),(140+10 0*sin(i*3.14/180)),4,Yellow);

draw_circle((120+100*cos(i*3.14/180)),(140+10 0*sin(i*3.14/180)),3,Yellow);

draw_circle((120+100*cos(i*3.14/180)),(140+10 0*sin(i*3.14/180)),2,Yellow);

};

LCD_PutString((113+100*cos(270*3.14/180)),(1 20+100*sin(270*3.14/180)),"0Kg",White,Blue);

LCD_PutString((121+100*cos(342*3.14/180)),(1 10+100*sin(342*3.14/180)),"1Kg",White,Blue);

LCD_PutString((122+100*cos(54*3.14/180)),(14 5+100*sin(54*3.14/180)),"2Kg",White,Blue);

LCD_PutString((100+100*cos(126*3.14/180)),(1 45+100*sin(126*3.14/180)),"3Kg",White,Blue);

LCD_PutString((100+100*cos(198*3.14/180)),(1 10+100*sin(198*3.14/180)),"4Kg",White,Blue);

Line(120+8*cos(temp0*3.14/180),140+8*sin(te mp0*3.14/180),(120+80*cos(temp0*3.14/180)),(140+8 0*sin(temp0*3.14/180)),Red);

LCD_PutString(40,280,"Weight:

Kg",Cyan,Blue);

LCD_PutString(40,300,"Pressure:

N",Cyan,Blue);

}

#endif

HX711.h

#ifndef __HX711_H__

#define __HX711_H__

#include

#include

sbit DOUT=P1^6; //端口设定

sbit SCK=P1^7;

extern void Delay_us(void);//函数或者变量声明extern unsigned long HX711_Read(void);//返回24位转换数据

#endif

NBCTFT.h

#ifndef __NBCTFT_H__

#define __NBCTFT_H__

#ifndef uchar

#define uchar unsigned char

#endif

#ifndef uint

#define uint unsigned int

#endif unsigned char code pic[];

void TFT_Initial(void);

void show_colour_bar (void);

void Write_Cmd_Data(unsigned char x, unsigned int y);

void Write_Cmd(unsigned char DH,unsigned char DL); void Write_Data(unsigned char DH,unsigned char DL); void delayms(unsigned int tt);

void show_photo(void);

void Write_Data_U16(unsigned int y);

Read_RegData(unsigned char Regaddr);

void CLR_Screen(unsigned int bColor);

void PutGB3232(unsigned short x, unsigned short y, unsigned char c[2], unsigned int fColor,unsigned int bColor);

void LCD_PutChar(unsigned short x, unsigned short y, char c, unsigned int fColor, unsigned int bColor);

void LCD_PutString(unsigned short x, unsigned short y, char *s, unsigned int fColor, unsigned int bColor);

void LCD_PutChar8x8(unsigned short x, unsigned short y, char c, unsigned int fColor, unsigned int bColor);

void Put16x16(unsigned short x, unsigned short y, unsigned char g[2], unsigned int fColor,unsigned int bColor);

void Put_pixel(unsigned int x,unsigned int y,unsigned int color);

void address_set(unsigned int x1,unsigned int y1,unsigned int x2,unsigned int y2);

void LCD_SetPos(unsigned int x0,unsigned int x1,unsigned int y0,unsigned int y1);

void line(int x1,int y1,int x2,int y2,int color);

void draw_circle(int x, int y, int r, int color);

void Line( uchar X0,uchar Y0, uchar X1,uchar Y1, unsigned int color);

void LCDShow_uCharNumber( int x, int y, float uCharNumber, unsigned int forecolor,unsigned int bkcolor);

#endif

附3、使用说明书

正常测量的时候直接启动系统的电源开关即可，待系统初始化后便可以进行物体的重力、质量测量了。

如果有物体需要“去皮”则可以将象征性的“皮”放在秤盘上进行开机校准，之后便开始进行物体的去皮测量。