多功能智能電子秤的設(shè)計與實現(xiàn)

程望斌, 廖朝暉, 何巧巧, 廖登高, 戴 斌

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多功能智能電子秤的設(shè)計與實現(xiàn)

程望斌1, 廖朝暉2, 何巧巧1, 廖登高2, 戴 斌2

(1. 湖南理工學院 信息與通信工程學院, 湖南 岳陽 414006; 2. 廣東工業(yè)大學 信息工程學院, 廣州 510006)

以STC89C52RC單片機作為微控制器, 以電阻式壓力傳感器為數(shù)據(jù)采集模塊, HX711數(shù)模轉(zhuǎn)換器為信號處理模塊, LCD1602為顯示模塊, 設(shè)計了一種智能自動稱量電子秤. 詳細介紹了系統(tǒng)的各組成模塊、設(shè)計方法和功能實現(xiàn)過程, 并對系統(tǒng)功能進行了分析和評價. 結(jié)果表明: 設(shè)計的系統(tǒng)可實現(xiàn)物重測量、物價設(shè)置、總價計算等功能.

電子秤; 智能稱重; STC89C52RC; 變阻式壓力傳感器; A/D轉(zhuǎn)換器

0引言

作為重要的重量測量儀器, 電子秤在眾多行業(yè)中顯現(xiàn)越來越多的優(yōu)點. 然而傳統(tǒng)的電子秤存在稱量誤差大、穩(wěn)定性不好、智能化程度不高等缺陷, 因此需對電子秤進行優(yōu)化設(shè)計, 以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的應(yīng)用要求[1].

本文以STC89C52單片機為核心控制器件, 設(shè)計了一套多功能智能電子秤系統(tǒng). 該系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊提供的信息, 能夠在液晶屏上精確地顯示物體的重量. 與此同時, 它還能夠?qū)崿F(xiàn)物價設(shè)置、總價計算和超重報警等功能, 具有可靠、準確、穩(wěn)定等優(yōu)點.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本電子秤系統(tǒng)由核心控制器STC89C52、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、報警模塊六個模塊組成. 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

在圖1中, 數(shù)據(jù)采集模塊采用的是電阻式壓力傳感器, 結(jié)合數(shù)據(jù)處理模塊HX711模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片, 可以很好地將測量的信息傳遞給控制器, 然后在LCD1602上做出相應(yīng)的顯示. 當物體超重時, 蜂鳴器對超重物體提出警示. 此外通過矩陣鍵盤還可以對物體進行單價設(shè)置和金額計算等操作.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

以STC89C52單片機為核心, 利用壓力傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理, 處理后的數(shù)據(jù)傳遞到單片機. 通過矩陣鍵盤對所測物體進行一系列的操作, 使這些數(shù)據(jù)通過液晶設(shè)備顯示出來. 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

2.1 單片機控制模塊

主控制器采用的是一種低電壓、高性能的CMOS 8位STC89C52RC單片機. 它能夠相對容易地把計算機技術(shù)和測量控制技術(shù)結(jié)合在一起, 用戶只需要改變軟件, 就可以構(gòu)成新型的“智能化測量控制系統(tǒng)”.

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊采用的是電阻應(yīng)變式傳感器. 它包括電阻應(yīng)變計、電阻、彈性器件和外殼, 它能夠?qū)⒏鞣N物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘? 用戶可以依據(jù)實際情況來改變其結(jié)構(gòu)形式. 其中彈性器件受力會產(chǎn)生變形, 同時使電阻應(yīng)變計也產(chǎn)生形變, 同時應(yīng)變計再將形變轉(zhuǎn)為電阻值變化, 從而產(chǎn)生相應(yīng)電壓變化[2].

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊采用的是HX711模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片[3]. 它是一款高精度的24位A/D轉(zhuǎn)換器, 同時其內(nèi)部也集成了信號放大、穩(wěn)壓電源和時鐘振蕩器等外圍電路來輔助信號的放大和轉(zhuǎn)換. 它的精確度高、價格低廉, 擁有較強的抗干擾能力且反應(yīng)靈敏. 此外, HX711主要是通過單片機的管腳來驅(qū)動, 其接口電路相對來說也比較簡單, 這樣能夠避免對芯片內(nèi)的寄存器進行編程.

2.4 鍵盤模塊

矩陣鍵盤模塊由4條I/O線作為行線, 4條I/O線作為列線, 根據(jù)矩陣式鍵盤的結(jié)構(gòu), 使用行掃描的鍵位識別方法, 同時對按鍵時產(chǎn)生的抖動進行消抖, 以確保按鍵鍵值正確. 這種鍵盤結(jié)構(gòu)可以提高單片機系統(tǒng)中I/O口的利用效率.

2.5 顯示模塊

液晶顯示模塊采用了LCD1602液晶作為顯示設(shè)備. 它具有功耗低、驅(qū)動電壓小、使用周期長等優(yōu)點, 是一種良好的環(huán)保器件. 它的工作電壓為5V, 總共可以顯示32個字符, 擁有LED數(shù)碼管所不具備的功能.

2.6 報警模塊

報警模塊采用了開發(fā)板上的蜂鳴器來實提醒用戶所測量物體超過電子秤的量程范圍. 蜂鳴器的接口FM連在了單片機的P2.3口, 內(nèi)部為是PNP型三極管, 當P2.3為低電平時, 三極管飽和導通, 從而起到報警作用.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序設(shè)計流程圖如圖3所示. 程序開始執(zhí)行以后, 首先對整個系統(tǒng)進行初始化; 接著開始測量物體的重量, 同時啟動HX711轉(zhuǎn)換器, 將信號放大并進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換; 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進入單片機內(nèi)進行判斷, 并在LCD1602上顯示物體重量, 若超重則馬上發(fā)出警報, 若沒有超重, 則判斷是否有操作鍵按下. 根據(jù)操作鍵及光標的位置進行設(shè)置. 若最后有清零鍵按下, 則進行再一次測量.

圖3 系統(tǒng)程序設(shè)計流程圖

軟件系統(tǒng)主要子模塊介紹:

(1) 數(shù)據(jù)處理模塊

信號處理模塊的功能包括: 初始化、接收傳感器的信號、選擇放大增益、啟動模/數(shù)轉(zhuǎn)換等. 當程序開始工作時, 首先對系統(tǒng)的各個模塊進行初始化, 然后對物體進行稱重, 感應(yīng)器和A/D轉(zhuǎn)換器都開始工作, 轉(zhuǎn)換后的信號傳送給單片機, 再進行相應(yīng)的判斷.

(2) 顯示模塊

顯示部分程序要進行初始化的顯示、實物重量的顯示、單價設(shè)置的顯示以及總金額的顯示.

同時, 單價的設(shè)置、金額的計算、數(shù)據(jù)的清除等均通過代碼的編寫來設(shè)計, 并采用有效的按鍵來控制.

4 實物制作與功能實現(xiàn)

4.1 實物制作

設(shè)計實物圖如圖4所示. 其中數(shù)據(jù)采集模塊采用的是電阻式壓力傳感器, 數(shù)據(jù)處理模塊采用的是HX711模數(shù)轉(zhuǎn)換器, 顯示模塊采用的是LCD1602液晶顯示屏, 按鍵模塊采用了開發(fā)板上的矩陣鍵盤, 控制核心采用的STC89C52單片機.

在圖4中, 還固定了一個稱量的托盤, 當待稱量的物體放置在托盤上時, 結(jié)合所有模塊的運轉(zhuǎn), 就會在液晶屏上顯示物體的重量, 并且能夠通過鍵盤對其進行一系列的操作等. 本設(shè)計還利用單片機開發(fā)板上的蜂鳴器構(gòu)成報警系統(tǒng), 當物體的重量超過量程, 蜂鳴器就發(fā)聲, 提醒用戶測量物體超重.

圖4 實物圖

4.2 功能實現(xiàn)

(1) 初始化界面

當在Keil uvision 4編寫好的程序生成對應(yīng)的HEX文件, 并利用STC燒寫軟件植入單片機后, 系統(tǒng)立即進入初始化界面, 在LCD1602液晶屏的第一行顯示“welcome my owner”, 第二行顯示“made by LZH”.

(2) 設(shè)置界面

通過程序的控制, 在初試化界面出現(xiàn)后2秒鐘, 系統(tǒng)自動跳到設(shè)置界面, WEI代表物體的重量, PRI代表物體所需要設(shè)置的單價, MON代表的則是物體的金額.

(3) 物體稱重

當待測物體放置在托盤上時, 液晶顯示屏的第二行立即顯示物體的重量, 誤差范圍控制在±2g之內(nèi), 并且所測量出來的重量在液晶屏上顯示非常的穩(wěn)定, 不會出現(xiàn)大范圍的跳變現(xiàn)象.

(4) 單價設(shè)置

當設(shè)計好的鍵盤的確定鍵按下之后, 系統(tǒng)會固定測量物體的重量, 光標跳到單價設(shè)置的位置, 通過“加”和“減”設(shè)置每一位的數(shù)值. 本系統(tǒng)因為LCD1602字符位數(shù)的限制, 只設(shè)計了單價的十位、個位和小數(shù)點后一位.

(5) 金額自動計算與顯示

當物體的單價設(shè)置完畢, 通過確定鍵自動計算物體的金額并顯示在對應(yīng)部分. 實物的金額自動計算與顯示如圖5所示.

圖5 實物金額計算

4.3 系統(tǒng)功能分析與效果評價

(1) 系統(tǒng)功能分析

本系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能如下: 物體重量的測量; 物體單價的設(shè)置; 物體金額的計算; 數(shù)據(jù)清零; 超重報警. 本系統(tǒng)設(shè)計的電子秤能將測量誤差控制在±2g內(nèi); 其次, 通過按鍵的控制, 能夠進行物體單價的設(shè)置和金額的計算; 當需要再次測量時, 它能夠清除上一次測量遺留的數(shù)據(jù); 最后, 當待測量的物體超過壓力傳感器的量程時, 開發(fā)板上的蜂鳴器將發(fā)出警報聲, 超重報警對系統(tǒng)能起到很好的保護作用.

(2) 系統(tǒng)效果評價

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊采用的是電阻式壓力傳感器, 它是一款常用的傳感器, 它的靈敏度和穩(wěn)定性都非常的好, 同時它的適應(yīng)性也比較強. 數(shù)據(jù)處理模塊采用HX711模數(shù)轉(zhuǎn)換器, 它是一款高精度的24位A/D轉(zhuǎn)換器. 利用LCD1602液晶顯示屏作為信息顯示模塊, 與數(shù)碼管作為顯示模塊相比, 內(nèi)容相對豐富, 且視覺效果好. 利用開發(fā)板的矩陣鍵盤實現(xiàn)人工交互功能, 避免了外接鍵盤, 從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡潔, 并且應(yīng)有的基本功能都能實現(xiàn). 利用開發(fā)板上的蜂鳴器作為系統(tǒng)的保護模塊, 避免對電路造成損害.

5 總結(jié)

本設(shè)計合理選擇了高性能、低價格的元器件, 有效地提高了電子秤的性能價格比, 大大提高了電子秤的智能化水平[5]. 該秤功能較齊全、運行較穩(wěn)定, 具有功能強、性能可靠、電路簡單、成本低、實用性強等特點, 能夠很好地滿足用戶的實際需求, 因此具有一定的應(yīng)用前景和現(xiàn)實意義.

[1] 吳瑋瑋. 基于單片機的電子秤系統(tǒng)設(shè)計[J]. 機械與電子, 2016, (05): 46~48

[2] 盧麗君. 基于電阻應(yīng)變片傳感器的數(shù)字電子秤設(shè)計[J]. 工業(yè)設(shè)計, 2016, (09): 181~183

[3] 張爭剛, 熊 剛. 基于單片機的多功能電子秤設(shè)計[J]. 機械與電子, 2016, (11): 58~61

[4] 谷汝楠, 葛 欣. 基于單片機基礎(chǔ)的多功能電子秤設(shè)計[J]. 電子技術(shù)與軟件工程, 2017, (06): 245~246

[5] 汪小涵. 基于單片機的數(shù)字電子稱設(shè)計[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用, 2016, (10): 175~175

Design and Implementation of Multifunctional Intelligent Electronic Scale

CHENG Wangbin1, LIAO Zhaohui2, HE Qiaoqiao1, LIAO Denggao2, DAI Bin2

(1.College of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China; 2. College of Information Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

In this paper, we design an intelligent automatic weighing electronic scale based on STC89C52RC MCU for micro-controller, using resistive pressure sensor as the data acquisition module, adopting HX711 converter for signal processing module, LCD1602 displayed module. We introduce the modules, design methods and function realization process of the system in details, and analyze and evaluate the function of system. The results show that the system designed in article can realize some functions such as weight measurement, price setting, and the total price calculation.

electronic scale, intelligent weighing, STC89C52RC, variable resistance pressure sensor, A/D converter

2017-09-02

湖南省科技計劃項目(2016TP1021)

程望斌(1979? ), 男, 湖北咸寧人, 湖南理工學院信息與通信工程學院副教授. 主要研究方向: 光電子技術(shù)

TH715.193

A

1672-5298(2017)04-0028-04