基于單片機(jī)的電子秤設(shè)計

李小朋，李保育，雷豪豪

（長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引言

近四十年來，電子稱重技術(shù)在我們生活中扮演著越來越重的角色。我們生活中不乏稱重計量衡器的影子，尤其在商業(yè)中電子秤地位特別高。稱重技術(shù)從發(fā)展初期的桿秤、天平到彈簧秤、地磅，再到如今的電子化的稱重系統(tǒng)。目前農(nóng)貿(mào)市場上普遍存在的是臺秤以及簡易的電子秤，大型商場和工廠主要使用地磅和智能稱重機(jī)等稱重設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)給我們帶來的便利，單片機(jī)電子秤的出現(xiàn)使稱重技術(shù)又向前邁了一步。

在我們?nèi)粘Ｉ钪须娮映又袘?yīng)用非常廣泛，在稱物品重量時基本上都會用到，小到農(nóng)商商販、交易市場的稱重工具，大到工程中大型企業(yè)的稱重。由于集成電路的大面積應(yīng)用，使得體積微小、智能精確的特點(diǎn)成為了電子秤的主要發(fā)展方向[1]。電子秤的量程可根據(jù)不同場合的需要選擇不同的量程，精度也可以進(jìn)行調(diào)整，所以適用場合非常多，和過去的桿秤相比，無論是精確度還是方便程度都得到大幅度提升。研究以單片機(jī)為中心系統(tǒng)的電子秤不僅加大了衡器的使用，還能夠擴(kuò)大單片機(jī)的使用領(lǐng)域，使單片機(jī)技術(shù)進(jìn)一步更新和發(fā)展。

1 電子秤的硬件模塊及電路設(shè)計

1.1 核心控制器選型

本設(shè)計選擇STC89C52作為主要控制芯片。本型號芯片內(nèi)核模塊采用的是MCS-51，CPU使用的是讀取速度更快的8位CPU和可以自主編程的Flash功能，因為以上設(shè)計使得本型號芯片提升了整體的運(yùn)行和讀寫速度，和同類控制器芯片相比，綜合性能表現(xiàn)更加突出[2]。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊及電路設(shè)計

為了得到更加精確的數(shù)據(jù)，本設(shè)計進(jìn)行數(shù)據(jù)采集使用的傳感器是HS02B S型傳感器。本型號傳感器核心是A/D轉(zhuǎn)換電路，放在托盤中的物體給傳感器一個壓力，傳感器輸出的是模擬信號，因為單片機(jī)只能接收數(shù)字信號，所以傳感器輸出的信號必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成單片機(jī)能夠識別的數(shù)字量才行[3]。此時就需要有A/D轉(zhuǎn)換電路來完成此轉(zhuǎn)變過程[4]，完成這個轉(zhuǎn)化后，電路將數(shù)字量運(yùn)送到單片機(jī)中，單片機(jī)接受信號之后加以分析和處理，此過程完成之后，電路再將結(jié)果運(yùn)送到其他位置。轉(zhuǎn)換電路數(shù)據(jù)處理使用的是芯片HX711，此型號轉(zhuǎn)換芯片精度很高、價格相對便宜、處理數(shù)據(jù)速度較快的特點(diǎn)，因此選擇此型號芯片。數(shù)據(jù)采集模塊具體電路設(shè)計如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集模塊的電路設(shè)計

1.3 顯示模塊及電路設(shè)計

由于電子秤上要顯示稱重物品的“單價”、稱重物品的“總價”、儀器是否會“超重”測量得出的物體的“重量”等信息，本設(shè)計的顯示器使用的是LCD12864液晶屏。與同類別顯示器相比，該型號液晶顯示屏耗電量少、顯示直觀方便，能夠顯示漢字、圖形等特殊符號。此外，該型號顯示屏價格便宜、使用范圍廣，在進(jìn)行本模塊硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計和編程時，程序編寫也比較容易實現(xiàn)設(shè)計要求的功能。綜合以上優(yōu)點(diǎn)，LCD12864液晶屏作為本設(shè)計顯示模塊的主要元件非常合適[5]。顯示模塊主要是通過顯示屏可以看到經(jīng)過CPU處理過的數(shù)據(jù)，是對測量結(jié)果的一種反饋，人們按照自己的需要記錄相應(yīng)的計算結(jié)果。具體電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 顯示模塊的電路設(shè)計

1.4 鍵盤模塊和報警模塊及電路設(shè)計

為了實現(xiàn)人工鍵盤輸入和應(yīng)急情景及時反饋的功能的實現(xiàn)，本設(shè)計加入了鍵盤模塊和報警模塊。我們可以通過鍵盤輸入各種不同的信息，比如物品的單價、去皮等數(shù)據(jù)，通過發(fā)送指令實現(xiàn)人機(jī)交互，更加方便準(zhǔn)確地得到想要的數(shù)據(jù)。報警模式是當(dāng)電子秤處于不平穩(wěn)、超重等意外情景時，通過報警信息使我們可以第一時間接收信息，并及時做出調(diào)整。本設(shè)計輸入鍵盤是由16個小型按鍵開關(guān)按照方格狀依次排列得出的4×4矩陣鍵盤。報警模塊設(shè)計比較簡單，報警元器件是發(fā)出聲音的蜂鳴器和顯示紅色光的LED燈組成。當(dāng)電子秤稱重盤處于懸空狀態(tài)使，系統(tǒng)報警；當(dāng)稱重物體達(dá)到10 kg以上時，蜂鳴器發(fā)出警報聲音，LED燈也出現(xiàn)異常的閃爍。鍵盤模塊的電路設(shè)計如圖3所示。報警模塊具體電路設(shè)計如圖4所示。

1.5 電子秤的相關(guān)電路設(shè)計

本設(shè)計選擇使用的主控制芯片是STC89C52，本設(shè)計系統(tǒng)有供電系統(tǒng)、最小系統(tǒng)模塊、通斷開關(guān)、數(shù)據(jù)收集、1602型LED燈、人機(jī)交互模塊六部分構(gòu)成。本設(shè)計預(yù)先設(shè)置的稱重范圍為0~10 kg，每一次稱重出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差在±0.004 kg之間。本設(shè)計為了方便人們使用，添加了報警模塊，使得使用者能第一時間察覺電子秤在工作出現(xiàn)的異常情況。與市場上同功能電子秤比較，本次設(shè)計的電子秤具有一定的優(yōu)勢。根據(jù)需要實現(xiàn)的功能設(shè)計出的電子秤設(shè)計框圖如圖5所示。

圖3 鍵盤模塊的電路設(shè)計

圖4 報警模塊的電路設(shè)計

圖5 電子秤的設(shè)計框圖

1.6 最小系統(tǒng)模塊電路的設(shè)計

本模塊的采用的是5 V電壓為電路供電。時鐘電路為單片機(jī)提供驅(qū)動元，促使單片機(jī)正常工作，時鐘電路和晶振電路共同為單片機(jī)創(chuàng)造了運(yùn)行時鐘的條件，使單片機(jī)有序處理不同的數(shù)據(jù)。在設(shè)計時，為了使單片機(jī)產(chǎn)生一個精度很高的脈沖一般選用8 MHz或者25 MHz的晶振。復(fù)位電路是從外部將單片機(jī)重新啟動的輔助電路，一般在上電過程或者調(diào)試過程中起作用。復(fù)位電路由電容和電阻組成，在上電或斷電時，電路先為電容充電或是電容放電，使得單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，防止上電或斷電的同時單片機(jī)發(fā)出錯誤指令。最小系統(tǒng)模塊電路圖如圖6所示。

圖6 最小系統(tǒng)模塊電路圖

2 電子秤的軟件設(shè)計

電子秤的軟件設(shè)計是控制單片機(jī)運(yùn)行的重要部分，通過編寫軟件，使單片機(jī)按照程序的指令分析和處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)并發(fā)出不同的指令，以此完成本設(shè)計的稱重任務(wù)。

本設(shè)計主程序部分是由不同模塊程序共同組成的，先將不同的模塊程序編寫在主程序中，根據(jù)需要進(jìn)行子程序調(diào)用。當(dāng)需要電子秤工作時，首先給系統(tǒng)供電，供電的同時系統(tǒng)各部分進(jìn)行初始化進(jìn)程，系統(tǒng)初始化完成后，根據(jù)檢測到的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，若系統(tǒng)顯示屏不適正確的數(shù)據(jù)，可根據(jù)按鍵調(diào)用主程序中的清零、去皮、價格輸入、數(shù)據(jù)累加等子程序，若屏幕顯示正確，則可進(jìn)行物品稱重。本設(shè)計主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

3 結(jié)束語

由于本課題的研究是基于現(xiàn)實中隨處可見的稱重衡器作為切入點(diǎn)，市場應(yīng)用范圍廣。目前，由于受到當(dāng)今現(xiàn)有發(fā)展水平的限制，不管是在國內(nèi)還是在國際市場，相對于高新技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用而言，電子秤的技術(shù)含量相對都偏低。未來的電子衡器會隨著科技的不斷進(jìn)步向模塊化、小型化、輕便化、集成化等方向發(fā)展，稱重精度會變得越來越高、穩(wěn)定性會越來越強(qiáng)、數(shù)據(jù)處理會越來越快，也只有這樣的衡器才會受到人們的青睞。