基于單片機(jī)的廉價(jià)電子秤設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 丹

(河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，衡器技術(shù)也在不斷進(jìn)步和提高。本文設(shè)計(jì)的廉價(jià)電子秤硬件部分主要是光電斷路器中斷模塊、矩陣鍵盤(pán)模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、LED顯示模塊。該廉價(jià)電子秤的自動(dòng)稱重功能由彈簧秤及光電斷路器電路構(gòu)成的中斷模塊完成，價(jià)格輸入由鍵盤(pán)模塊完成，自動(dòng)計(jì)算功能由單片機(jī)系統(tǒng)完成，計(jì)算結(jié)果由單片機(jī)送至LED顯示模塊，由LED顯示模塊進(jìn)行顯示。

1 光電斷路器中斷模塊的作用及實(shí)現(xiàn)

1.1 傳感器的選用原則

由于該設(shè)計(jì)是廉價(jià)電子秤的設(shè)計(jì)，材料選用原則是成本盡量低，主要體現(xiàn)在傳感器的選用上。該設(shè)計(jì)可以選用多種傳感器，如位移(距離)傳感器、角度傳感器、壓力傳感器。位移傳感器、角度傳感器雖可與彈簧秤讀數(shù)保持一致，但其價(jià)格居高，不予采用。壓力傳感器完全可脫離彈簧秤而獨(dú)自測(cè)重，這可能與彈簧秤得到的讀數(shù)不符，故亦不采用。最終定為光電斷路器。

1.2 光電斷路器的工作原理

1.2.1 特性與工作原理

光電斷路器是將電信號(hào)變換為光信號(hào)的發(fā)光元件與將少量光信號(hào)變換為電信號(hào)的受光元件組合成一體化結(jié)構(gòu)的光敏傳感器。其種類很多，大致可分為透光型與光反射型。透光型是發(fā)光與受光元件之間有一定間隔而對(duì)向配置的光敏傳感器，結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，主要用于檢測(cè)發(fā)光與受光元件之間通過(guò)的物體。光反射型是在發(fā)光與受光元件之間放置遮光板而并向配置的光敏傳感器，結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，由受光元件檢測(cè)物體反射發(fā)光元件發(fā)出的光，從而達(dá)到檢測(cè)物體的目的。

圖1 光電斷路器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of photoelectric circuit breaker

透光型光電斷路器在檢測(cè)物體時(shí)，發(fā)光二極管流經(jīng)恒定電流，由光敏晶體管接收其發(fā)出的紅外光，作為光敏晶體管的集電極電流。物體通過(guò)發(fā)光與受光元件之間時(shí)，紅外光被物體遮擋，光敏晶體管的集電極電流變小，若能獲取該電流的變化，就可檢測(cè)物體通達(dá)的情況。

1.2.2 基本應(yīng)用電路

光電斷路器的基本輸出方式如圖2所示，光電斷路器采用GP1S05，也可采用其他光電斷路器元件[1-3]。光電斷路器的輸出形式有集電極輸出與發(fā)射極輸出。圖2(a)為集電極輸出電路，其響應(yīng)頻率為數(shù)十kHz，可作為控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的傳感器。圖2(b)為發(fā)射極輸出電路，性能與圖2(a)所示電路類似，但電壓利用率較低，入射光信號(hào)與輸出信號(hào)同相位，響應(yīng)頻率也與圖2(a)所示電路相同。

圖2 光電斷路器的基本輸出方式Fig.2 Basic output mode of photoelectric circuit breaker

1.3 計(jì)數(shù)盤(pán)的制作

該設(shè)計(jì)實(shí)際上是一個(gè)計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)，將質(zhì)量的更變等價(jià)為計(jì)數(shù)值的更變。光電斷路器提供計(jì)數(shù)脈沖。為了使光電斷路器能提供計(jì)數(shù)脈沖，故又設(shè)計(jì)了計(jì)數(shù)器盤(pán)，配合彈簧秤，將彈簧秤測(cè)得質(zhì)量轉(zhuǎn)化為光電斷路器的脈沖，單片機(jī)系統(tǒng)則是將計(jì)數(shù)脈沖解釋為質(zhì)量信息，并與價(jià)格信息作以處理，送入LED顯示模塊，予以顯示。

所設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)盤(pán)如圖3所示。將計(jì)數(shù)盤(pán)邊緣切割成鋸齒狀，光電斷路器安裝在計(jì)數(shù)盤(pán)邊緣。光計(jì)數(shù)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，便可向光電斷路器提供轉(zhuǎn)信息，光電斷路器便可提供計(jì)數(shù)脈沖。

圖3 計(jì)數(shù)盤(pán)的制作Fig.3 Making of counting disk

2 鍵盤(pán)模塊的硬件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)鍵盤(pán)模塊采用通用4×4矩陣鍵盤(pán)原理如圖4所示。在軟件上加以改進(jìn)，只需2次掃描，便可得到按鍵特征碼。

圖4 鍵盤(pán)模塊原理Fig.4 Principle of keyboard module

3 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)最小系統(tǒng)選用51單片機(jī)系列中的AT89S52單片機(jī)。AT89S52是一個(gè)低功耗高性能的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8 KBytes ISP(In-system programmable，在線系統(tǒng)編程)的可反復(fù)擦寫(xiě)1 000次的Flash ROM(Read Only Memory，只讀存儲(chǔ)器)，256×8 bit RAM (Random Access Memory，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)[4-8]。

單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路原理圖如圖5所示。該電路可看作由單片機(jī)AT89S52(U1)、復(fù)位電路(K1、C3、R2構(gòu)成)、振蕩電路(C1、C2、X1構(gòu)成)、電源指示(R1、D1構(gòu)成)、程序下載接口(JP1)組成。

圖5 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理Fig.5 Principle of minimum system circuit of single chip microcomputer

在該最小系統(tǒng)中，對(duì)單片機(jī)31引腳(EA/VPP)接高電平，以期單片機(jī)在復(fù)位后從內(nèi)部ROM的0000H開(kāi)始執(zhí)行；若此引腳接低電平，復(fù)位后直接從外部ROM的0000H開(kāi)始執(zhí)行，由于該系統(tǒng)為最小系統(tǒng)，不外設(shè)ROM。

(1)晶振路。若晶振X1取11.059 2 MHz，可以準(zhǔn)確地得到9 600波特率和19 200波特率，用于串口通信場(chǎng)合；若X1取12 MHz，則單片機(jī)可產(chǎn)生微秒級(jí)間歇，方便定時(shí)。二者對(duì)于此設(shè)計(jì)而言，都無(wú)多大影響，故設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，隨意選取了11.0592 MHz的晶振。

(2)復(fù)位電路。由電容C3、電阻R2構(gòu)成。結(jié)合“電容電壓不能突變”的性質(zhì)可知，當(dāng)系統(tǒng)一上電，RST腳的高電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上就將單片機(jī)復(fù)位。并且，這個(gè)高電平持續(xù)時(shí)間由電路的RC值來(lái)決定。

對(duì)于復(fù)位電路，可供計(jì)算高電平持續(xù)時(shí)間:

Ut=U0+(U1-U0)×[1-exp(-t/RC)]

(1)

t=RC×ln[(U1-U0)/U1-Ut]

(2)

在室溫下，一般高電平電壓是3.5 V，將U0=0 V，U1=5 V，Ut=3.5 V，R=1 000 Ω，C= 10 ×10-6F代入式(2)得：t=0.012 s，即該設(shè)計(jì)上電后RST管腳高電平保持時(shí)間為1.2 ms，比2個(gè)機(jī)器周期2 μs長(zhǎng)得多?？芍想姀?fù)位比較可靠。

4 軟件主程序流程

4.1 設(shè)計(jì)主函數(shù)流程介紹

上電運(yùn)行后，進(jìn)行初始化，之后進(jìn)行鍵盤(pán)掃描。若有鍵按下，進(jìn)行鍵識(shí)別。識(shí)別結(jié)果：0～10，即所按下的鍵為10個(gè)數(shù)字鍵中的一個(gè)或小數(shù)點(diǎn)，則接下來(lái)進(jìn)行價(jià)格的更改；若鍵值為11，即清零鍵，則清零當(dāng)前價(jià)格。若鍵值為14，即累計(jì)加鍵，則將當(dāng)前金額累加入合計(jì)值。若鍵值為13，則更改LED顯存，使之顯示總計(jì)值，并關(guān)閉計(jì)算。若鍵值為12，即退出鍵，則退出合計(jì)值顯示，開(kāi)始計(jì)算，進(jìn)入正常狀態(tài)。若鍵值為15，即置零鍵，則清零重量。

4.2 對(duì)流程詳圖的解釋

下面對(duì)驅(qū)動(dòng)函數(shù)的流程圖加以說(shuō)明。

(1)由于驅(qū)動(dòng)函數(shù)要對(duì)按鍵進(jìn)行去抖動(dòng)處理，這使得流程圖略顯復(fù)雜，現(xiàn)從流程詳圖中提取出鍵盤(pán)去抖動(dòng)步驟，如圖6所示。

圖6 按鍵去抖動(dòng)Fig.6 Key to remove jitter

從圖6中可看出，只是在“有鍵初按”或“有鍵初松”時(shí)，才會(huì)去避抖動(dòng)及執(zhí)行其后的代碼。“有鍵初按”與“有鍵初松”的辨別，靠當(dāng)前鍵盤(pán)狀態(tài)與此次掃描有無(wú)按鍵按下二者組合來(lái)確定。

(2)鍵盤(pán)主要用于設(shè)定單價(jià)，為了便于輸入，將單價(jià)分為整數(shù)部分和小數(shù)部分。在輸入單價(jià)時(shí)，先輸入整數(shù)，完畢后，再輸入小數(shù)。整數(shù)輸入完畢的標(biāo)志有二：①輸入了小數(shù)點(diǎn)；②整數(shù)值大于9(即整數(shù)部分已為1個(gè)2位數(shù)了)，比如，若輸入0.95可只按“.”、“9”、“5”，輸入的“.”，輸入12.35可依次輸入“1”、“2”、“3”、“5”即為整數(shù)輸入有2種方式，這2種方式導(dǎo)致了價(jià)格的輸入有2種。

小數(shù)部分的輸入與整數(shù)部分輸入不同，區(qū)別主要為輸入整數(shù)時(shí)，輸入的第一個(gè)數(shù)為整數(shù)的個(gè)位，若未輸入完畢，之后輸入的數(shù)為其十位數(shù)，而輸入小數(shù)部分時(shí)，輸入的第一個(gè)數(shù)為小數(shù)部分的十位，而后才能輸入個(gè)位數(shù)。這點(diǎn)在原程序能明顯分辨出來(lái)。

(3)對(duì)各種“清零”的解釋?！扒辶沔I”對(duì)單價(jià)進(jìn)行清零，“調(diào)零鍵”對(duì)質(zhì)量進(jìn)行清零，“退出鍵”即退出合計(jì)顯示狀態(tài)，開(kāi)始新的累加，它要對(duì)合計(jì)進(jìn)行清零。①“清零鍵”對(duì)價(jià)格清零后，要設(shè)定整數(shù)輸入使能，小數(shù)輸入失效。由于該設(shè)計(jì)為避免混亂，不能循環(huán)輸入單價(jià)，輸入一次單價(jià)后，必須按一次清零鍵，才能再次輸入新單價(jià)。故清零鍵才多此一項(xiàng)任務(wù)。②“調(diào)零鍵”對(duì)質(zhì)量清零，雖然簡(jiǎn)單，但帶來(lái)了2大好處：一是系統(tǒng)上電后，質(zhì)量顯示可能不為零，按此鍵對(duì)其調(diào)零；二是使累計(jì)加操作更加方便。比如：顧客在稱完某一物品后，可按“累計(jì)鍵”將當(dāng)次金額累加入合計(jì)金額后，可不必從彈簧秤上取下物品，此時(shí)只需按“調(diào)零鍵”，質(zhì)量自動(dòng)清零，接著可繼續(xù)往彈簧秤上放物品二，并可重新設(shè)置單價(jià)、再次累加操作。只要物品總質(zhì)量不超過(guò)彈簧秤量程，便可重復(fù)進(jìn)行上述操作。這一特點(diǎn)，可大大提高交易效率。③“退出鍵”，即退出合計(jì)顯示狀態(tài)。按“合計(jì)鍵”后，單價(jià)輸入與顯示、質(zhì)量輸入、清零與顯示將不可用，金額處將顯示合計(jì)金額，此狀態(tài)為合計(jì)顯示狀態(tài)。退出此狀態(tài)的方法有：按一下“退出鍵”，退出合計(jì)顯示狀態(tài)；復(fù)位系統(tǒng)?！巴顺鲦I”的任務(wù)是“譯碼使能”，即退出合計(jì)顯示狀態(tài)時(shí)，要允許譯碼。之所以進(jìn)入合計(jì)顯示狀態(tài)后關(guān)閉譯碼，是為了節(jié)約單片機(jī)時(shí)間，減少單片機(jī)負(fù)擔(dān)。

5 結(jié)語(yǔ)

由于設(shè)計(jì)最終要由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，硬件的變更必會(huì)帶來(lái)軟件的重寫(xiě)。為了避免硬件的改動(dòng)對(duì)軟件的較大影響，硬件分塊設(shè)計(jì)，再為各塊編寫(xiě)各自的軟件接口，這樣某一模塊的改動(dòng)只會(huì)影響它的軟件接口，對(duì)其他模塊的軟件接口并無(wú)須改動(dòng)。該設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，大部分時(shí)間是在進(jìn)行硬件的調(diào)試，即該設(shè)計(jì)受硬件影響較大。硬件的不可重塑靠軟件是無(wú)法解決的。計(jì)數(shù)盤(pán)的制作結(jié)果并不理想，光電斷路器的固定亦不如人意。該設(shè)計(jì)的幾個(gè)便于使用的優(yōu)點(diǎn)(亦是電子秤所沒(méi)有的)，都由軟件提供。這些優(yōu)點(diǎn)在調(diào)試過(guò)程中已調(diào)試正確。至此，該設(shè)計(jì)實(shí)物效果的不太理想，估計(jì)隨著計(jì)數(shù)盤(pán)的精確切割、光電斷路器的準(zhǔn)確固定，效果會(huì)有所改善。