基于單片機(jī)的電子秤硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葛笑寒

(三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 三門(mén)峽 472000）

市場(chǎng)上的秤樣式繁多，對(duì)于傳統(tǒng)的度量工具如盤(pán)秤、桿秤等，存在著測(cè)量精度不高，測(cè)量過(guò)程復(fù)雜，讀值不方便，甚至存在不法商販動(dòng)手腳等問(wèn)題?，F(xiàn)在市場(chǎng)上，電子秤產(chǎn)品的總體水平普遍不高，存在運(yùn)行不可靠，成本高，校正時(shí)間長(zhǎng)，能源消耗大等問(wèn)題。因此，可以從技術(shù)上解決上述難題，設(shè)計(jì)出一個(gè)簡(jiǎn)單高效的電子秤系統(tǒng)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 方案設(shè)計(jì)

電子秤設(shè)計(jì)的原理就是：當(dāng)放上物體時(shí)，重量轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，由單片機(jī)進(jìn)行處理。本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)法，將硬件結(jié)構(gòu)分功能劃成了數(shù)據(jù)采集、矩陣鍵盤(pán)、顯示、報(bào)警和單片機(jī)最小系統(tǒng)控制模塊。其中，數(shù)據(jù)采集模塊包括稱(chēng)重傳感器和A/D轉(zhuǎn)換電路。最小系統(tǒng)則包括單片機(jī)、晶振、復(fù)位等部件。鍵盤(pán)由4X4位矩陣鍵盤(pán)組成，可以控制顯示重量和價(jià)錢(qián)等信息；顯示部分由LCD1602液晶顯示。報(bào)警功能則有蜂鳴器和LED燈來(lái)實(shí)現(xiàn)。方案如圖1所示。

圖1 硬件電路設(shè)計(jì)總框圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集電路是整個(gè)電子秤設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，所有的功能都是圍繞對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行的操作。采集電過(guò)程包括力-電轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換。稱(chēng)重傳感器是電阻應(yīng)變式壓力傳感器，能夠承受10kg的重量，能夠?qū)毫D(zhuǎn)為電壓差讀取。而AD轉(zhuǎn)換電路采用了專(zhuān)用型24位AD轉(zhuǎn)換器HX 711芯片模塊。電路如圖2所示，串口數(shù)據(jù)輸出DT與P12相連，斷電控制和串口時(shí)鐘輸入SCK接P13。通過(guò)編程選擇SCK輸入脈沖數(shù)選擇通道A，增益128。

2.2 最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

如上所述，電源電路、時(shí)鐘電路、單片機(jī)、復(fù)位電路能夠形成一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)。給單片機(jī)提供一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，單片機(jī)就會(huì)按照這個(gè)決定執(zhí)行速度。時(shí)鐘電路選用了12MHz的晶振提供時(shí)鐘。執(zhí)行一條基本指令需要的時(shí)間為一個(gè)機(jī)器周期。其中晶振提供一個(gè)正弦波信號(hào)，電容C1和C2起穩(wěn)定作用。單片機(jī)的復(fù)位電路，按下復(fù)位按鍵之后可以使單片機(jī)進(jìn)入剛上電的起始狀態(tài)，只有是高電平才能正常復(fù)位。將上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位結(jié)合在一起組合成混合復(fù)位電路來(lái)完成復(fù)位的功能。上電復(fù)位利用RC充放電，在RST上加一個(gè)短暫的高電平，當(dāng)充完電后，電容斷開(kāi)，程序恢復(fù)運(yùn)行。當(dāng)程序死機(jī)或需要重新開(kāi)始時(shí)，就需要手動(dòng)復(fù)位，按下按鍵，VCC就直接連接到了RST，電容被短路放電；按鍵松開(kāi)，就恢復(fù)到低電平，繼續(xù)給電容充電。圖中10K排阻為P0口的上拉電阻，由于P0口跟其他IO結(jié)構(gòu)不一樣為漏極開(kāi)路的結(jié)構(gòu)，因此要加上拉電阻才能正常使用。

2.3 矩陣鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)

鍵盤(pán)是就是電子秤系統(tǒng)的輸入設(shè)備，能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的人機(jī)互動(dòng)，里面包含了一組按鍵。它通過(guò)將鍵盤(pán)排列成行列式矩陣的形式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)IO口復(fù)用，節(jié)約了IO口線的數(shù)目。使用的是要靠自編軟件識(shí)別的非編碼鍵盤(pán)。通過(guò)軟件設(shè)置相應(yīng)按鍵的功能，輸入數(shù)據(jù)或命令，顯示屏就會(huì)顯示想要的操作結(jié)果。按鍵是處于常開(kāi)狀態(tài)，只有按下時(shí)才閉合。電路如圖2所示。將每行按鍵的一端分別于P3口的前四個(gè)引腳依次相連，每個(gè)按鍵的另一端以按列的方式分別與P3端口的后四個(gè)引腳相接。使用時(shí)通過(guò)掃描法查詢(xún)哪一個(gè)按鍵處于低電平的狀態(tài)，以確定哪個(gè)按鍵被按下。將不同的按鍵返回不同的值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示屏的操作，實(shí)現(xiàn)多種交互性的功能。

圖2 設(shè)計(jì)總電路圖

2.3 LCD1602顯示電路設(shè)計(jì)

由于本設(shè)計(jì)中要求顯示界面顯示一些參數(shù)，因此這里選用了LCD1602作為界面顯示，可以把一些相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行顯示。將STC89C51的PO口8個(gè)引腳分別連接到液晶屏的D0-D7即數(shù)據(jù)端；P2.5連接到LCD的片選信號(hào)，下降沿觸發(fā)；P2.6作為L(zhǎng)CD的讀寫(xiě)信號(hào)；P2.7當(dāng)作基控器內(nèi)寄存器選擇信號(hào)。具體如圖2所示，V0為液晶屏顯示對(duì)比度的調(diào)整端，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，連接了一個(gè)10K和1K的電阻，以保證顯示時(shí)不會(huì)影響讀數(shù)。

2.4 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

報(bào)警電路由蜂鳴器和LED燈組成，超重時(shí)蜂鳴器會(huì)不斷發(fā)出響聲，紅燈也會(huì)不停閃爍。其電路如圖2所示。報(bào)警電路是聲光報(bào)警，分兩個(gè)端口對(duì)其分別進(jìn)行操作。當(dāng)重量大于10kg時(shí)，單片機(jī)會(huì)通過(guò)程序設(shè)置端口的電平值，從而使燈和蜂鳴器分別發(fā)出光和聲音。對(duì)于蜂鳴器，就要給P1.0一個(gè)低電平，而對(duì)于LED燈就需要給P1.1一個(gè)高電平，這樣才能使它們導(dǎo)通，正常工作。蜂鳴器部分使用了一個(gè)PNP型的三極管放大驅(qū)動(dòng)，使其工作。

2.5 硬件電路原理總圖

基于以上分析，本次設(shè)計(jì)的電子秤需要通過(guò)鍵盤(pán)控制單價(jià)輸入、校準(zhǔn)等功能，顯示的價(jià)格由液晶屏顯示，并且需要有超重報(bào)警的功能。所以，硬件電路除了包含單片機(jī)最小系統(tǒng)即振蕩電路、復(fù)位電路、電源，還在P3口接了一個(gè)4×4的矩陣鍵盤(pán)，P0端口通過(guò)10kΩ的排阻接到液晶屏的數(shù)據(jù)端，P2端口中5、6、7腳則控制液晶屏的讀寫(xiě)控制。數(shù)據(jù)的采集和處理由傳感器和24位的AD轉(zhuǎn)換芯片HX711來(lái)完成，HX711的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸出端分別接到P1端口的2、3腳。報(bào)警電路則由蜂鳴器和LED燈來(lái)實(shí)現(xiàn)，P1.0控制蜂鳴器，P1.1控制LED燈。電源為5V的直流電源，加了一個(gè)自鎖開(kāi)關(guān)可以控制電源的通斷。如圖2所示。