單片機技術(shù)視角下智能電子秤的設(shè)計

唐朝棟

（云南水利水電職業(yè)學(xué)院 云南省富民縣 650400）

隨著社會不斷進步，科技也越來越發(fā)達，常規(guī)的儀器和控制裝置已經(jīng)被更加先進的智能儀器所取代，也大大的提高了自動化的水平。秤運用在了生活中的很多領(lǐng)域，而在秤的應(yīng)用中，已經(jīng)出現(xiàn)了6種主要類型:稱重天平，手臂平臺秤，起重機秤，傾斜象限秤，彈簧秤和自動電子秤。電子天平應(yīng)用的范圍在不斷的擴大，人們對電子天平的要求也在不斷提高，為了滿足人們對智能化設(shè)備的要求，必須對電子秤的設(shè)計進行優(yōu)化，使其更加可靠、準(zhǔn)確、便攜。

20世紀(jì)以來電子秤被廣泛運用于各領(lǐng)域。臺式電子秤反應(yīng)靈敏、功能多、使用方便，但它體積大、產(chǎn)品質(zhì)量不高、攜帶不便而且適用場合也有局限性，為了提高質(zhì)量并且完善電子秤的功能，本文提出了一種智能電子秤。

1 單片機介紹

單片機(Single-Chip Microcomputer)是一種集成電路芯片，內(nèi)部集成了中央處理器等很多部件，加之眾多外圍部件和功能元件，從而形成一個完善的微機系統(tǒng)，廣泛用于工業(yè)控制領(lǐng)域。它它具備許多優(yōu)點：重量輕、體積小、價格低，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)都提供了有利條件。

1.1 單片機的應(yīng)用場景

單片機在電子技術(shù)行業(yè)中隨處可見，單片機的發(fā)展從某種程度上就代表了電子技術(shù)行業(yè)的發(fā)展，它的應(yīng)用可以在以下幾個方面得以表現(xiàn)：

1.1.1 節(jié)能控制

單片機可以通過智能電子設(shè)備所收集的數(shù)據(jù)，推斷當(dāng)前設(shè)備處于低負(fù)載狀態(tài)，通過負(fù)載的狀態(tài)調(diào)節(jié)電壓和電流的輸出，使設(shè)備更加節(jié)能。此外單片機還可以控制能耗的節(jié)奏，例如在智能手環(huán)里的應(yīng)用。

1.1.2 智能語音控制

人們可以通過自己的語言實現(xiàn)語音人機交互。在軟件設(shè)計時，單片機可以先進行邏輯處理分析，隨后運行智能語音處理。例如智能導(dǎo)航系統(tǒng)中可以對司機的語音處理，通過提取有效信息實現(xiàn)控制。而在硬件設(shè)計方面單片機技術(shù)也可以用來提高硬件響應(yīng)時間。

1.1.3 報警控制

當(dāng)外部環(huán)境達到限制要求時，警報裝置會被觸發(fā)，在一些工廠里，較大的電子設(shè)備在進行工作時，如果周圍的環(huán)境不適宜，或者設(shè)備自身運行不正常，就會發(fā)出報警，提醒設(shè)備維護人員及時處理以避免危險。

1.1.4 醫(yī)療設(shè)備

在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，儀器的發(fā)展在很大程度上決定了醫(yī)療的發(fā)展，而單片機在此領(lǐng)域里也獲得了普遍的應(yīng)用。它可以實時監(jiān)視患者的身體特征數(shù)據(jù)并分析數(shù)據(jù)信息，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，可以提醒醫(yī)護人員及時處理，更加清楚地了解患者的健康狀況。

1.2 單片機的發(fā)展前景

在當(dāng)前的技術(shù)時代，人們越來越關(guān)注智能電子產(chǎn)品，而單片機也是此領(lǐng)域里不可或缺的一部分。單片機的發(fā)展進入了一個嶄新的時代，在自動測量和智能儀表的實踐中都可以看到單片機的技術(shù)。智能電子產(chǎn)品越來越多，人們的需求推動了智能電子產(chǎn)品的更新和發(fā)展，比如智能家居等領(lǐng)域，也投入使用了更多的單片機。而隨著單片機技術(shù)的不斷完善與成熟，也將會應(yīng)用到更多的新興行業(yè)，例如人工智能領(lǐng)域、自動駕駛領(lǐng)域和更高端的科技領(lǐng)域。單片機應(yīng)用前景廣闊，適用范圍大，在不久的將來一定會顛覆我們的生活。

2 單片機系統(tǒng)設(shè)計方案

在進行硬件設(shè)計時，應(yīng)該根據(jù)既定的功能目標(biāo)來設(shè)計系統(tǒng)硬件電路，并且硬件設(shè)計必須滿足系統(tǒng)要求還要保證能可靠運行，基本部分主要由單片機及其擴展的外部設(shè)備及芯片組成，當(dāng)硬件電路設(shè)計完成后再開始軟件設(shè)計，軟件設(shè)計時應(yīng)先繪制出軟件的流程圖，再編寫相應(yīng)的程序，首先使用虛擬仿真開發(fā)工具來進行單片機系統(tǒng)的仿真設(shè)計。

2.1 電子秤基本要求

（1）稱重范圍：0Kg～5Kg；

（2）測量誤差：≤1g；

（3）液晶顯示：能顯示物品的重量、單價和總金額；

（4）其它功能：去皮、報警、計價、校準(zhǔn)。

2.2 總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)采用單片機作為主控制器，采用電阻應(yīng)變式傳感器，具有推廣價值。具體結(jié)構(gòu)樣態(tài)圖1所示。

圖1：系統(tǒng)總體樣態(tài)圖

3 單片機系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 單片機最小系統(tǒng)

用最少元件組成的可以使單片機的外圍電路簡單，僅由時鐘電路、復(fù)位電路、電源電路構(gòu)成，只要以上三個電路完全具備，單片機便能運行并且完成控制任務(wù)。

3.1.1 單片機的選型

單片機的選型是一項重要而艱巨的任務(wù)，為了使單片機應(yīng)用系統(tǒng)節(jié)省經(jīng)濟并能可靠的工作，支持兩種節(jié)電工作方式，非常適合電池或者其他低功耗場合。AT89S52是AT89S5×系列單片機中很有代表性的產(chǎn)品，它不需要借助燒寫器就可以實現(xiàn)在單片機內(nèi)部編寫程序，軟件修改也很方便，完全可以滿足電子秤系統(tǒng)設(shè)計的要求。因此，本文采用AT89S52作為主控制器實現(xiàn)單片機最小系統(tǒng)。

3.1.2 時鐘電路

AT89S52內(nèi)部有振蕩電路，但是只有在外部加附加電路才能形成時鐘，單片機有兩種產(chǎn)生時鐘的方法:內(nèi)部時鐘和外部時鐘。本設(shè)計采用的是內(nèi)部時鐘的方法，使用外接晶體和電容來形成并聯(lián)諧振電路，電容的取值會影響振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性和大小，可以在20pF到100pF范圍內(nèi)取值。

3.1.3 復(fù)位電路

AT89S52的復(fù)位功能是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的，對于任何已經(jīng)成功連接且相互識別的設(shè)備，將以雙方的最高速率傳輸數(shù)據(jù)，L1用作電源指示，它的亮滅代表電源是否在正常工作。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

電子秤的數(shù)據(jù)采集模塊包括稱重傳感器和HX711芯片。稱重傳感器能夠?qū)⑽锢砹哭D(zhuǎn)換為電信號；HX711芯片內(nèi)部有一個放大處理模塊和一個可調(diào)節(jié)的信號處理模塊。

3.2.1 稱重傳感器

溫度會影響電阻并導(dǎo)致零漂移，為了測量的準(zhǔn)確性，需要進一步研究誤差。在理想情況下，傳感器的輸出不會受到溫度變化的影響，但實際情況中溫度的變化會使電阻絲變形，從而產(chǎn)生溫度誤差，對于溫度誤差常常采用線路補償或者自補償，線路補償就是采用電橋補償法，將工作應(yīng)變片和補償應(yīng)變片都貼在同樣材料的物體上，在同樣的溫度下，它們的阻值變化相等，所以電橋的輸出和溫度無關(guān)。

四個應(yīng)變片組成全橋形式工作，應(yīng)變片通過差動電橋電路測量，將物體的壓力信號轉(zhuǎn)換成電壓信號 ADDIN EN.CITE。Ui與直流電源相連接，如果最終的輸出端電阻無限大，那么可將其視作開路，也就是說最終輸出只有電壓，如果對電源的內(nèi)阻忽略不計，分壓原理可被分解為：

如果R1R3等于R2R4，則Uo=0，代表電橋平衡。假設(shè)四個應(yīng)變片電阻初始阻值相等，且均為R，受到相同的應(yīng)變力時產(chǎn)生的阻值變化ΔR也相等，當(dāng)進行運作時，R1=R-ΔR，R2= R-ΔR，R3= R-ΔR，R4= R-ΔR，代入（1）式，可得最終的電橋表達式為：

電阻應(yīng)變片式傳感器能很好的滿足電子秤設(shè)計的要求，精度高、性能穩(wěn)定、適應(yīng)環(huán)境能力強，因此被用作測量前端。

3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換芯片

放大電路的功能是將弱的電信號提升到所需值，方便人們進行測量和使用。A/D轉(zhuǎn)換器可以將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，在實際的測量中所檢測到的信號大多都是模擬信號，要把檢測到的信號輸入到單片機中，必須要先經(jīng)過模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，單片機才能進行接收和處理。

芯片共有16個引腳，它的工作電壓范圍為2.6V-5.5V，工作的時候電流小于1.6mA，功耗低，芯片內(nèi)有兩路差分輸入，詳細(xì)的引腳功能如下所示。

引腳符號引腳功能；VSUP 電源，穩(wěn)壓電路供電電源，BASE模擬輸出，穩(wěn)壓電路控制輸出，AVDD 電源，模擬電源，VFB 模擬輸入，穩(wěn)壓電路控制輸入，AGND 地，模擬地，VBG 模擬輸出，參考電源輸出，INA-模擬輸入，通道 A 負(fù)輸入端，INA+模擬輸入，通道 A 正輸入端，INB-模擬輸入，通道 B 負(fù)輸入端，INB+模擬輸入，通道 B 正輸入端，PD_SCK 數(shù)字輸入，斷電控制和串口時鐘輸入，DOUT 數(shù)字輸出，串口數(shù)據(jù)輸出，XO 數(shù)字輸入輸出，晶振輸入，XI 數(shù)字輸入，外部時鐘或晶振輸入，RATE 數(shù)字輸入，輸出數(shù)據(jù)速率控制，DVDD 電源，數(shù)字電源。

3.3 鍵盤輸入

鍵盤能向單片機輸入數(shù)據(jù)和命令，用戶可以通過控制鍵盤去實現(xiàn)對產(chǎn)品信息的要求，這是人機交互的主要手段之一，鍵盤是由若干個按鍵按照一定的規(guī)律組成的。鍵盤的任務(wù)有以下三項：

（1）判斷鍵盤是否有鍵按下？若有，則進入下一步；

（2）確定按下哪個鍵并找到相應(yīng)的鍵號；

（3）根據(jù)鍵號，找到相應(yīng)的鍵號處理程序入口。

當(dāng)任何一個按鍵的兩端分別連接在行線和列線時，按鍵是否閉合，高電平或低電平都會反映在行線的輸出電壓上，單片機通過對行線電平的高低狀態(tài)的檢測，便可以確認(rèn)按鍵是否被按下或者釋放，但是當(dāng)按鈕關(guān)閉和打開時會出現(xiàn)抖動周期，為了確保單片機識別的鍵號是正確的，必須消除抖動期的影響。

對矩陣鍵盤的查詢掃描一般包括以下四個步驟：

（1）首先確認(rèn)整個鍵盤有無鍵按下；

（2）消除鍵盤的抖動:當(dāng)用戶按下某個鍵時，系統(tǒng)識別后會延遲一段時間(10ms左右)，然后再次確認(rèn)鍵盤此時的狀態(tài)，如果鍵盤仍處于閉合狀態(tài)，則認(rèn)為已按下，否則為鍵抖動；

（3）求出按下鍵的鍵號；

（4）判斷閉合鍵是否松開。

按照系統(tǒng)的要求對鍵盤的按鍵功能分配，在使用產(chǎn)品前應(yīng)該先校準(zhǔn)；稱重前如果顯示的值不為0，按下去皮鍵清除為0，如果被稱重的物體需要用容器裝載，可以先把容器放置在電子秤上，然后按下去皮鍵，屏幕顯示0后再放入被稱重物體;當(dāng)鍵入數(shù)據(jù)錯誤時，可以按清除鍵;當(dāng)顯示了被稱重物體的重量時，輸入單價就會自動算出該物品的價格。

3.4 數(shù)據(jù)顯示

數(shù)據(jù)顯示設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的必不可少的部分，普通的數(shù)碼管顯示比較直觀而且編程簡單，但是它只能顯示數(shù)字和簡單的字符，還會占用單片機的許多I/O口資源，LCD1602液晶顯示屏不僅省電、體積小，而且抗干擾能力強，顯示的內(nèi)容也非常廣泛。

3.5 報警電路

報警電路主要是由一個蜂鳴器和一個三極管組成的，利用PNP三極管的導(dǎo)通與截止特性來驅(qū)動蜂鳴器實現(xiàn)報警。當(dāng)被測物品的重量超過最大量程時，使單片機P2.4口輸出低電平，此時三極管導(dǎo)通，蜂鳴器BEEP報警，從而提醒人們此物品的重量超出了量程，要及時動作，避免重量太高的情況下?lián)p壞傳感器。

3.6 總體電路原理圖

電路原理圖是電路板上各器件之間連接原理的圖表。在電路設(shè)計中，原理圖的作用是非常重要的，而整個系統(tǒng)的原理圖也關(guān)乎著整個設(shè)計的質(zhì)量。

4 結(jié)論

（1）不足之處：在設(shè)計硬件的時候沒有充分考慮到各部分電路之間會存在干擾，會影響系統(tǒng)的精度;.擴展的功能不夠全面，不夠智能化，例如還可增加語音控制、在線支付等；對各部分芯片的掌握不夠透徹，以至于在編程時程序復(fù)雜占用存儲空間。在今后的學(xué)習(xí)和生活中我們應(yīng)該吸取之前的實驗經(jīng)驗，在原有的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新和擴展，實現(xiàn)真正的自動化。

（2）小結(jié)：這次設(shè)計使我深入的探索了單片機的主要特點和使用方法，熟悉了一些器件的選型，進一步了解了信號的采集與轉(zhuǎn)換、顯示器與鍵盤的工作方式，還掌握了系統(tǒng)軟件的設(shè)計方法，完成了電子秤的設(shè)計，各項指標(biāo)都能達到基本的要求。隨著單片機技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，電子秤的設(shè)計水平和工藝都會不斷完善。