基于GSM的數字電子稱的設計與實現(xiàn)

曾維鵬，蔡莉莎，林爾敏

（海南軟件職業(yè)技術學院 海南 瓊海571400）

基于GSM的數字電子稱的設計與實現(xiàn)

曾維鵬，蔡莉莎，林爾敏

（海南軟件職業(yè)技術學院 海南 瓊海571400）

本文以實現(xiàn)基于GSM通信模塊的數字電子稱為目的，采用以STC15F2K61S2單片機為主控芯片，外圍附加稱重電路、顯示電路、報警電路、鍵盤電路、GSM通信模塊等構成智能稱重系統(tǒng)的系統(tǒng)設計方法，結合實驗室測試樣品的方法，得出所設計電子稱功能穩(wěn)定，且誤差在2%以內。

單片機；GSM通信模塊；HX711模數轉換；稱重系統(tǒng)

稱重計量器件在人們的生活中隨處可見，早期稱重計量器件主要以秤砣等物理方式進行，然而隨著電子技術的發(fā)展，電子稱漸漸地出現(xiàn)了，隨著智能芯片的發(fā)展，數字電子稱技術正向著基于傳感器與主控核心的數顯電子稱的方向發(fā)展，目前人們在設計電子秤系統(tǒng)時大量地采用集成芯片，因此電子秤系統(tǒng)已經擺脫了以往的電子模式，正趨向智能化多元化方向發(fā)展［1］。關于數字電子稱的研究與應用，目前大部分數字電子稱還停留在單機工作的模式上，雖然部分智能電子稱通過藍牙與智能設備相連，但市面上還沒有通過互聯(lián)網進行聯(lián)網的數字電子稱。為了讓智能的數字電子稱能夠在沒有WiFi或網絡條件較差的情況下能夠聯(lián)網，作者以網絡覆蓋較廣的GSM通信為基礎，設計并實現(xiàn)了基于GSM通信模塊的數字電子稱系統(tǒng)，本系統(tǒng)可將電子稱獲取的信息通過GSM通信模塊發(fā)送到客戶手中，客戶能夠遠程獲取電子稱信息，了解貨物重量，并與電子稱進行交互，實現(xiàn)數字電子稱與遠程用戶的網絡交互。

1 設計思想

文中以一臺量程為0～5 kg的電子稱為原型，由于壓力傳感器輸出的電量是模擬量，數值比較小達不到A/D轉換接收的電壓范圍，所以送A/D轉換之前要對其進行前端放大、整形濾波等處理，最后將A/D轉換的結果送單片機進行數據處理并顯示，其數據顯示部分采用LCD顯示［2］。

作為一款以GSM通信模塊為網絡載體的智能型產品，作者在設計時考慮使用低功耗高效率的MCS51單片機作為產品的控制核心系統(tǒng)框圖如圖1所示，本文采用STC15F2K61S2單片機作為控制核心［3］，GSM通訊模塊采用西門子的TC35［3］。

2 控制核心及傳感器

多功能網絡環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的控制核心主要是對傳感器采集到的數據進行處理、數據顯示及與GSM通信，要實現(xiàn)這樣的功能使用51系列單片機便可滿足，本文使用STC15F2K61S2單片機，作為主控核心。單片機除了處理本地數據外，還需要通過串口與GSM模塊進行通信。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

電阻應變式壓力傳感器主要由彈性體、電阻應變片電纜線等組成［4］，內部線路采用惠更斯電橋，當彈性體承受載荷產生變形時，電阻應變片（轉換元件）受到拉伸或壓縮應變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，從而使電橋失去平衡，產生相應的差動信號，供后續(xù)電路測量和處理［3］。通過圖2可知，當壓力作用于傳感器上方時，由于變形，R1、R3的阻值會增大；R2、R4的阻值會減小，導致電橋不平衡而產生了電勢差，這個壓差與所受的力成一定比例，根據比例可將壓力與電壓進行等價，處理后得出質量［6］。

圖2 電阻式壓力傳感器

文中采用HX711芯片作為電子稱的數據處理芯片，主要通過該芯片完成壓力傳感器的數值的處理及模數轉換。HX711是一款電子稱專用的模數轉換芯片，它內部集成了穩(wěn)壓電源、時鐘振蕩器等，它擁有較高的集成度，使用可靠性高，成本低，同時電路設計較簡單［7］。

主控芯片與HX711相連需要查看芯片手冊，了解管腳功能后再進行操作，作者通過芯片手冊了解到，該芯片與單片機的連接較簡單，單片機的管腳可直接驅動芯片的控制信號，不需要對芯片進行編程［8］。壓力傳感器的數值通過A或B通道進入芯片，芯片內部的放大電路會將壓力傳感器傳來的數值進行增益。值得一提的是HX711內部有穩(wěn)壓電源可直接給模數轉換器供電，不需要額外的給芯片增加電源，大大地簡化了模數芯片的電路設計，其電路圖如圖3所示。

圖3 HX711模數采樣電路

GSM通信模塊采用模塊支持RS232串口和LVTTL串口，并帶硬件流控制，支持5～24 V的超寬工作范圍［9］，使得本模塊可以非常方便的與單片機進行連接，從而給提供包括語音、短信和GPRS數據傳輸等功能［10］。在使用GSM模塊時由開發(fā)者編寫一套通信協(xié)議，用戶可根據通信協(xié)議的要求，本系統(tǒng)發(fā)送短信，如“zhongliang”，智能電子稱會根據用戶發(fā)送的信息，向用戶手機（開發(fā)者預設的號碼）發(fā)送質量信息。

文中使用德國西門子工業(yè)GSM模塊TC35i模塊，該模塊由STC89C52RC單片機、GTM900-B模塊組成［11］。所設計的電子稱的主控芯片通過串口與TC35i模塊的單片機進行串口通信，完成收、發(fā)指令的操作。STC系列單片機通過+5 V、GND、TXD、RXD4個排針下載程序，4個排針為單片機的TTL接口，使用時，系統(tǒng)主控芯片（上位機）通過此端口選擇和單片機通訊或GSM通訊。該模塊SIM卡座在GSM模塊下邊，安裝SIM卡即可使用，引腳連接示意圖如圖4所示。

圖4 GSM模塊與主控芯片引腳連接示意圖

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)主函數主要完成系統(tǒng)程序的所有功能，由于采取結構化的設計方式，主函數的編碼相對較少，主要是對函數的調用。程序開始執(zhí)行時，首先進行初始化，當初始化完成后，調用模數轉換函數，通過處理讀取壓力傳感器的數據［12］，再通過矩陣鍵盤掃描函數，讀取單價，將處理后的壓力傳感器的數據與單價進行處理，得出金額，將所有數據送到液晶屏上顯示，同時通過串口將數據通過GSM模塊發(fā)送到指定的手機上［13］，用戶可不在現(xiàn)場便得到所稱物體的質量。程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖

A/D數據采集子程序的功能是將壓力傳感器采集到的極小電壓進行比較放大后［14］，再送到處理芯片里進行模數轉換的方式進行的。文中采用HX711芯片作為電子稱的芯片，選用了增益為128的通道A。流程圖如圖6所示。

圖6 A/D轉換程序流程圖

GSM模塊編程，在程序設計中，需要設置目的手機地址、編寫發(fā)送短信內容［15］。網絡狀態(tài)查詢、發(fā)送模式選擇、讀取短信命令等設置，程序如下：

4 測試與分析

測試設置的稱重量程為0～5 kg，測試過程中數據較為精確，誤差控制在2%，手機能夠順利接收到所測數據。測試結果如表1所示。

表1 測試結果

本設計實物設計如圖7所示很好地將傳感器與控制器結合，實現(xiàn)了數字稱重的效果，此外，由于通過GSM與手機進行通訊，使得在一些WiFi無法覆蓋的領域也能應用。在一些果地、水果批發(fā)市場，當購買方與銷售方不在一起時能夠進行交易，大大地簡化了商人們的購買手續(xù)。

圖7 系統(tǒng)運行效果圖

5 結 論

文中闡述了數字電子稱與GSM組合的一種新用法，解決在無網絡條件下的智能數字網絡問題，不過本設計仍存在許多需要改進的設計，比如為了防止欺詐，能否加裝攝像頭、所稱重的數據能否存儲并查閱等，隨著4G技術的推廣，也可采用4G通信模塊進行網絡通信，然而4G網絡的覆蓋問題能否完美解決，這都是需要后續(xù)改進的。

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The design of digital electronic scale based on GSM network

ZENGWei-peng，CAILi-sha，LIN Er-min
（Hainan Software Profession Institute，Qionghai571400，China）

In this paper，for the purpose of design a digital electronic scale based on GSMmodule.We adopta system design approach to design theweight circuit，LCD circuit，alarm circuit，keyboard and GSM communicationmodule.In the samples tested，we obtained the design ofelectronic scalesstable and error iswithin 2%of the conclusions.

MCU；GSM communicationmodule；HX711A/Dchange；weighing system

TN4

A

1674－6236（2016）20-0147-03

2016-06-23 稿件編號：201606182

2015海南省自然科學基金項目（20156249）；2015年海南軟件職業(yè)技術學院科學研究項目（Hr201501）

曾維鵬（1982—），男，海南?？谌耍T士，副教授。研究方向：人工智能、嵌入式技術。