一款新型智能電子秤的設(shè)計(jì)

張思卿 張帆

摘 要：基于STC89C52RC單片機(jī)的智能電子秤的設(shè)計(jì)分為三大板塊，即硬件排版、布局設(shè)計(jì)，軟件編寫、下載、調(diào)試及產(chǎn)品焊接?；趩纹瑱C(jī)的智能電子秤是以STC89C52RC單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，單片機(jī)內(nèi)下載軟件程序?qū)附油瓿傻挠布娐愤M(jìn)行指令控制，當(dāng)硬件電路中的壓力傳感器檢測(cè)到外界壓力發(fā)生變化時(shí)，新型智能電子秤模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片HX711對(duì)壓力傳感器收到的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，之后把數(shù)字信號(hào)傳送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理完成后通過(guò)液晶進(jìn)行數(shù)據(jù)的直觀顯示，得到稱重結(jié)果。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);電子秤;傳感器;HX711;模數(shù)轉(zhuǎn)換;液晶顯示

中圖分類號(hào)：TP23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）07-00-03

0 引 言

本產(chǎn)品采用軟硬件結(jié)合的方法，通過(guò)向單片機(jī)內(nèi)下載軟件程序來(lái)控制硬件電路實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)電子秤的功能，在電子秤的基本功能基礎(chǔ)上擴(kuò)展了時(shí)鐘萬(wàn)年歷和超重報(bào)警等新功能。新型電子秤稱重系統(tǒng)可分為單片機(jī)最小工作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、人機(jī)交互界面操作系統(tǒng)、時(shí)鐘萬(wàn)年歷及超重報(bào)警系統(tǒng)等五部分[1]。STC89C52RC單片機(jī)和經(jīng)典復(fù)位電路組成了單片機(jī)的最小系統(tǒng);信號(hào)放大、稱重傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換組成了數(shù)據(jù)采集部分，模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大功能則通過(guò)HX711芯片實(shí)現(xiàn)，HX711是一款專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的24位A模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片，該芯片具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn);電子秤的人機(jī)交互操作界面通過(guò)手動(dòng)矩陣鍵盤輸入和數(shù)據(jù)液晶顯示完成，即鍵盤輸入單價(jià)，液晶顯示屏顯示稱重?cái)?shù)據(jù);時(shí)鐘模塊由時(shí)鐘芯片DS1302和時(shí)鐘顯示電路構(gòu)成;LCD1602顯示器可以切換顯示時(shí)鐘萬(wàn)年歷;蜂鳴器具有報(bào)警功能，當(dāng)稱重物體超過(guò)5 kg時(shí)，蜂鳴器自動(dòng)報(bào)警[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

電子秤是通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)物體的重量，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換和單片機(jī)的信息處理后，再控制硬件電路顯示結(jié)果的電子衡器。電子秤由以下三部分組成[3]。

（1）承重、傳力復(fù)位系統(tǒng)。承重、傳力復(fù)位系統(tǒng)就是智能電子秤稱重的部位，它能采集被稱物體的重量，即被稱物體對(duì)秤本身有力的作用。

（2）稱重傳感器。稱重傳感器把非電量轉(zhuǎn)換成電量，把對(duì)秤施加的力轉(zhuǎn)換成便于計(jì)算的電信號(hào)。稱重傳感器是將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詼y(cè)量的電信號(hào)并輸出的裝置。要注意的是，在應(yīng)用傳感器時(shí)，要注意傳感器的工作環(huán)境是否適合其工作，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，可能會(huì)造成傳感器的損壞和整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。

稱重傳感器可根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)分為不同的類型。直接位移傳感器包括電容式、感應(yīng)式、電位差計(jì)、腔諧振器傳感器，應(yīng)變傳感器主要有電阻應(yīng)變傳感器等。稱重傳感器需使得輸出電量和輸入重量成一定的正比關(guān)系，稱重傳感器靈敏度高，對(duì)物體狀態(tài)影響小，能在惡劣的工作條件下工作，具有較好的頻率響應(yīng)特性，穩(wěn)定可靠。

（3）測(cè)量顯示和數(shù)據(jù)輸出的負(fù)載測(cè)量裝置。用于測(cè)量顯示和數(shù)據(jù)輸出的負(fù)載測(cè)量裝置主要是被用來(lái)處理稱重傳感器信號(hào)的電子電路和指示器件。放大器、補(bǔ)償元件等構(gòu)成了稱重傳感器信號(hào)的電子線路，稱重傳感器的指示部件有顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。?shù)字式測(cè)量電路通常包括前置放大、濾波、變換、控制和顯示等眾多環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)運(yùn)用比較重要。

2 單片機(jī)主控電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控電路由STC89C52RC單片機(jī)、晶體振蕩器電路和復(fù)位電路組成。主控制電路在整個(gè)系統(tǒng)中起著決定性作用[4]。作為系統(tǒng)的核心單元，電路的連接方式如圖1所示。

3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程，編譯環(huán)境選用Keil μVision3。Keil μVision3是美國(guó)Keil Software公司開發(fā)的程序編譯工具，與匯編相比具有明顯優(yōu)勢(shì)，操作簡(jiǎn)單，被大眾接受。

Keil μVision3能夠完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等開發(fā)過(guò)程。開發(fā)人員可以使用IDE或其他編輯器編輯C或匯編源文件，然后編譯并連接C51和A51編輯器以生成可執(zhí)行的二進(jìn)制文件（.HEX），然后通過(guò)MCU的燒錄軟件將.HEX文件下載到MCU。軟件的運(yùn)行主要包括三個(gè)方面，即初始化系統(tǒng);密鑰檢測(cè);數(shù)據(jù)采集、處理和顯示。這三個(gè)方面的操作在主程序中執(zhí)行。程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，完整清晰，易于編程和讀取，易于調(diào)試和修改。

4 系統(tǒng)仿真

在硬件電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，原理圖的繪制采用Protel99SE軟件。Protel99SE是一款應(yīng)用于Windows9X/2000/7/NT等操作系統(tǒng)的32位EDA設(shè)計(jì)軟件，這款軟件采用設(shè)計(jì)庫(kù)管理模式，可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力、開放性及3D模擬功能，可以完成電路原理圖設(shè)計(jì)，印制電路板設(shè)計(jì)和可編程邏輯器件設(shè)計(jì)等工作，因其簡(jiǎn)單易用而深受電子工程師的喜愛。因此，它已成為許多高校電子相關(guān)專業(yè)EDA工具的必修課。采用Protel99SE軟件繪制原理圖的主要步驟如下：

（1）建立本系統(tǒng)所需原件庫(kù);

（2）將所建原件庫(kù)加載到工程項(xiàng)目中;

（3）將所需元器件放在原理圖頁(yè)面上，并根據(jù)電氣性能進(jìn)行連接;

（4）建立原件封裝庫(kù)并載入到工程文件中;

（5）繪制電路后進(jìn)行ERC電氣檢測(cè)，并生成網(wǎng)絡(luò)表。

電路原理如圖2所示。由于仿真軟件的局限性，無(wú)法制作仿真圖，因此必須嚴(yán)格按照原理圖焊接，不能出現(xiàn)絲毫差錯(cuò)，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

5 系統(tǒng)調(diào)試

5.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試

電路焊接后，進(jìn)行電路連接試驗(yàn)。首先用萬(wàn)用表檢測(cè)各連接點(diǎn)，確保各連接點(diǎn)完好，然后仔細(xì)檢測(cè)各電路之間是否有短路現(xiàn)象，如有短路現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)處理，避免損傷元件。用萬(wàn)用表檢查后，通電測(cè)試，當(dāng)產(chǎn)品與電源連接時(shí)，用萬(wàn)用表檢查各連接點(diǎn)是否符合預(yù)期電壓值，無(wú)誤后進(jìn)行聯(lián)機(jī)檢測(cè)[5]。各芯片功能測(cè)試：預(yù)編譯一個(gè)簡(jiǎn)單的程序（程序應(yīng)反映芯片的功能），將程序輸入硬件電路的微控制器MCU中，觀察各芯片是否實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)功能，如果芯片運(yùn)行正常，則表明芯片未損壞，可正常使用。新型智能電子秤實(shí)物如圖3所示。

（1）經(jīng)過(guò)放大器的傳感器信號(hào)不穩(wěn)定，且不滿足設(shè)定的放大倍數(shù)。信號(hào)不穩(wěn)定的原因在于傳感器精度不準(zhǔn)確，連線時(shí)線路不穩(wěn)定;不滿足放大倍數(shù)是由于放大器的選擇不合適，導(dǎo)致無(wú)法滿足設(shè)定的放大倍數(shù)。因此可以通過(guò)選擇精度高的傳感器，預(yù)先計(jì)算好運(yùn)算放大倍數(shù)以解決該問(wèn)題。

（2）在進(jìn)行硬件調(diào)試時(shí)，未做全方位的考慮，電源電壓過(guò)高，未做好電路保護(hù)措施。針對(duì)這類問(wèn)題，需要自身培養(yǎng)良好的習(xí)慣，杜絕犯同樣的錯(cuò)誤。

5.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試

硬件調(diào)試完成后，進(jìn)行軟件調(diào)試。軟件調(diào)試是通過(guò)連接和執(zhí)行用戶程序并發(fā)現(xiàn)程序中的語(yǔ)法和邏輯錯(cuò)誤，以消除和糾正錯(cuò)誤的過(guò)程。在調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)模塊調(diào)試實(shí)現(xiàn)程序各功能模塊的調(diào)試。首先確認(rèn)模塊程序能否正常運(yùn)行;之后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，不僅可以快速檢查程序的功能與實(shí)際需求之間的差異，更能夠在發(fā)現(xiàn)差異后快速更改程序，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求;最后，對(duì)各模塊進(jìn)行組合調(diào)試，確保各功能模塊都能實(shí)現(xiàn)功能。

6 數(shù)據(jù)分析

（1）由于稱重傳感器靈敏度高，因此在稱量物品時(shí)，所得數(shù)據(jù)會(huì)上下浮動(dòng)，但浮動(dòng)的數(shù)據(jù)均在合理的誤差范圍內(nèi)。

（2）時(shí)鐘萬(wàn)年歷具有獨(dú)立供電設(shè)備，時(shí)間的準(zhǔn)確度不受其他稱重電路的影響，因此一般不存在數(shù)據(jù)誤差。

（3）未擴(kuò)展更多電路，部分功能的實(shí)現(xiàn)通過(guò)通信接口電路與上位機(jī)（PC機(jī)）通信，將大量商品數(shù)據(jù)存于上位機(jī)，然后通過(guò)串口或并口通信與電子秤相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。

（4）在購(gòu)買元器件時(shí)，未全方位了解價(jià)格，部分元器件購(gòu)買價(jià)格偏高。之后在購(gòu)買元器件時(shí)，將吸取此次教訓(xùn)，進(jìn)行多方面的比較，爭(zhēng)取購(gòu)買價(jià)格、性能優(yōu)越的元器件。

7 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的智能電子秤，此電子秤符合國(guó)家對(duì)于計(jì)量精度和穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)要求，且制作方法簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格便宜，滿足了人民大眾的生產(chǎn)生活需要。該智能電子秤集眾多技術(shù)于一體，如單片機(jī)技術(shù)、稱重技術(shù)等，其性能特點(diǎn)主要表現(xiàn)在智能化方面，無(wú)需付出大量時(shí)間和精力便能開發(fā)出具有多樣功能的智能電子秤，如稱重計(jì)價(jià)、時(shí)鐘顯示、超重報(bào)警等。該電子秤還可以擴(kuò)展出其他功能，只需對(duì)硬件電路和軟件程序稍加修改，便能夠得到功能的改進(jìn)和擴(kuò)展。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]姬忠勇.基于單片機(jī)的電子秤的方案設(shè)計(jì)[J].科技信息，2013（18）：267-268.

[2]趙廣平，孫雯萍，孫建軍.電子稱重技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007（7）：76-77.

[3]潘佑華，林盛鑫.基于單片機(jī)的多功能電子秤設(shè)計(jì)研究[J].科技傳播，2012（11）：36-39.

[4]孫惠芹.單片機(jī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013：3-5.

[5] TEPLOV V YU，ANISIOV A V. Thermostatting system using a single-chip microcomputer and thermoelectric modules based on the peltier effect [J]. Instruments and experimental techniques，2002，4（3）：408-411.

[6]劉三清，張奇，陳曉飛.石英晶體振蕩器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子工程師，2010（11）：3-4.

[7]冉龍旭，于國(guó)龍，聶小雙，等.一種基于深度學(xué)習(xí)的自動(dòng)稱重機(jī)的設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019，9（2）：101-102.

[8]肖奇軍，李勝勇，林益平，等.智能電子稱重系統(tǒng)[J].肇慶學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，26（2）：51-53.

[9]趙東升，劉鵬程，林盛，等.單片機(jī)微實(shí)驗(yàn)與微開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019，9（1）：101-102.

[10]楊紀(jì)明，吳軍輝.一種新型電子秤的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，1999（1）：54-56.