基于單片機與藍牙傳輸?shù)碾娮映釉O(shè)計

吳瑩妃

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150028）

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，超市對物品的稱重需求不再滿足于顯示重量，傳統(tǒng)簡單機械單一計重秤早已無法滿足新要求。數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、小型化、多功能集成化成為新的發(fā)展趨勢，具有精度高、操作簡單、體積小、計價與顯示等獨特優(yōu)點的電子秤脫穎而出。對此，本文以單片機為核心控制芯片，利用24 位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器（HX711）和藍牙技術(shù)，完成對具有稱重計價顯示功能且能通過藍牙將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機APP的電子秤的設(shè)計。

1 總體設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)框圖設(shè)計

本文電子秤系統(tǒng)由四部分組成：質(zhì)量采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、人機交互界面模塊、藍牙傳輸模塊。質(zhì)量采集模塊主要用于采集物品質(zhì)量，并將質(zhì)量由模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，以供單片機處理，該模塊由壓力傳感器、放大電路及模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換模塊組成；數(shù)據(jù)處理模塊用于對采集到的數(shù)據(jù)進行分析與計算，包括判斷物品是否超重、由單價計算總價、控制液晶顯示屏輸出字符等，其核心為單片機；人機交互模塊用于方便用戶對系統(tǒng)參數(shù)進行控制和用戶接收系統(tǒng)傳遞信息，由4×4 按鍵矩陣、液晶顯示屏組成，其中鍵盤用于輸入單價、按鍵操作等，液晶顯示屏用于顯示目前狀態(tài)；藍牙模塊核心為藍牙SPP 串口透傳，通過官方串口助手進行連接與控制，實時更新當前物品重量。此外還添加了過載蜂鳴器報警功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 電子秤系統(tǒng)框圖

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

設(shè)計采用電阻式壓力傳感器，相對于其他傳感器，此類傳感器精度高、操作簡單、固有頻率高，容易上手。附著在應(yīng)變片上的敏感元件感受壓力并產(chǎn)生形變，電阻式應(yīng)變片感受到形變且電阻隨之改變，從而對測量電橋產(chǎn)生影響，并通過輸出電壓反映該變化。

對不同的金屬，電阻率有所不同，這是物體固有性質(zhì)無法改變，但對某一固定金屬，一般情況下，金屬形狀越薄，則該物品電阻值越大，這就是電阻式壓力傳感器的基本工作原理：當有外力加在金屬上并造成其形變時，壓縮的力會使金屬變短變粗，相反拉伸的力會使金屬變長變薄，前者使阻值增大，后者使阻值減小。

雖然將應(yīng)變片搭建成橋路并提供電源后，在輸出端就可以得到反映重量的輸出信號，但該輸出信號存在很多誤差，例如電橋非線性誤差、溫度誤差等，這是由傳感器的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，為了減少誤差，一般采用四臂差動電橋電路。

電阻應(yīng)變橋式電路將物品的重量轉(zhuǎn)化為電阻的變化，并由此改變了輸出電壓值，將該結(jié)果輸出到模數(shù)（AD）轉(zhuǎn)換器中。

HX711 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的精度達到了24 位。除了精度高，HX711 集成度也高，其內(nèi)部集成的穩(wěn)壓電源與時鐘振蕩器使其擺脫了外圍電路的束縛，使用簡單，響應(yīng)速度快，靈敏度高。

作為專為電子秤設(shè)計的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，HX711 有兩個通道以供選擇，通道A 增益通過編程可選擇128 或64，通道B 增益不可更改為32?？刂菩盘栍晒苣_驅(qū)動，不需要內(nèi)部寄存器的編程，與單片機連接十分方便。進行硬件連接時，系統(tǒng)板無須接入其他的模擬電源，因為芯片內(nèi)部集成有穩(wěn)壓電源，且該穩(wěn)壓電源可為傳感器和HX711 提供電源，簡化了硬件電路，且芯片自動上電，簡化了開機過程。HX711內(nèi)部方框圖如圖2所示。

圖2 HX711 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.3 數(shù)據(jù)處理模塊

AT89C51 單片機是一種8 位的單芯片微控制器，是MCS-51 單芯片的一種，具有4K 的ROM 和128 字節(jié)的RAM。MCS-51 采用標準40 引腳雙列直插式封裝。51 單片共有4 組I/O 口，分別為P0 口、P1 口、P2 口和P3 口，除了做普通I/O 口，P0 口還可做數(shù)據(jù)總線和地址總線，P2 口可做地址總線，P3 口可通過對特殊功能寄存器編程來設(shè)置特殊功能。

EA/VPP 引腳用于選擇控制訪問存儲器，該引腳為高電平時，單片機先讀取內(nèi)部ROM，再讀取外部ROM；當為低電平時，單片機直接讀取外部ROM，而不讀取內(nèi)部ROM。RET 為復(fù)位引腳，輸入超過兩個機器周期的高電平即觸發(fā)有效。

XTAL1 和XTAL2 引腳用于外接晶振，時鐘是單片機的“心臟”，時鐘既可由芯片振蕩回路提供，也可由外部時鐘提供，前者需要XTAL1 和XTAL2 引腳外接石英晶體和微調(diào)電容，后者需要XTAL1 和XTAL2 引腳外接時鐘脈沖信號。本設(shè)計采用使用內(nèi)部振蕩回路，內(nèi)部振蕩回路需要附加外部電路形成時鐘，即附加外接晶振和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在1.2 MHz 到12 MHz 內(nèi)選擇，電容可在20 pF到100 pF 之間選擇。

51 單片機自帶16 位的定時器/計數(shù)器T0、T1、T2，定時器/計數(shù)器有方式1 和方式2 兩種模式以供選擇，模式的選擇通過改變特殊功能寄存器TMOD 來實現(xiàn)，通過指令可以對特殊功能寄存器TMOD 進行編程。除此之外，定時器/計數(shù)器的模式由TCON 等特殊功能寄存器來控制。無論是定時器還是計數(shù)器，當發(fā)生溢出時，都會向CPU 發(fā)出中斷申請，CPU 根據(jù)當前中斷位的設(shè)置判斷是否響應(yīng)。

1.4 人機交互模塊

人機交互模塊分為人為輸入和系統(tǒng)輸出，即人通過按鍵輸入單價，系統(tǒng)通過液晶顯示屏顯示當前屬性。本系統(tǒng)采用LCD1602 液晶顯示屏芯片，該芯片使用范圍廣、質(zhì)量高、體積小、功耗低，由字符型液晶顯示屏LCD、控制驅(qū)動主電路及按鍵鍵盤等構(gòu)成。

用戶輸入時通過4×4 矩陣鍵盤實現(xiàn)的，在4×4 矩陣鍵盤中，行由4 條I/O 線組成，列由4 條I/O 線組成，行和列交叉有16 個節(jié)點，每個節(jié)點有一個按鍵，交叉點的線本身不連接而是通過按鍵連接。按鍵沒有按下時，所有輸入端為高電平，當有按鍵按下時，輸入電平變?yōu)榈碗娖?，通過讀取線的電平即可確定按鍵位置。該矩陣鍵盤能夠提高I/O 口利用率。

LCD1602 的使用編程中，涉及ASCII 值的轉(zhuǎn)變與顯示。ASCII 碼值本身為數(shù)字，但它是用于表示字符的碼值，在實際運用中，不同程序的ASCII 碼值對應(yīng)不同的作用。其中65 到90 為大寫的26 個英文字母，97 到122 為小寫的26 個英文字母。

1.5 藍牙模塊

藍牙是一種無線技術(shù)的標準，不僅可以實現(xiàn)固定設(shè)備數(shù)據(jù)交換，還可實現(xiàn)移動設(shè)備、樓宇個人網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換。藍牙可連接多個設(shè)備，克服了數(shù)據(jù)同步的難題。藍牙技術(shù)是世界著名的5 家大公司于1998年5月聯(lián)合宣布的一種無線通信新技術(shù)。藍牙設(shè)備是藍牙技術(shù)應(yīng)用的主要載體，常見藍牙設(shè)備比如電腦、手機等。藍牙產(chǎn)品容納藍牙模塊，支持藍牙無線電連接與軟件應(yīng)用。藍牙設(shè)備連接必須在一定范圍內(nèi)進行配對。這種配對搜索被稱之為短程臨時網(wǎng)絡(luò)模式，也被稱之為微微網(wǎng)，可以容納設(shè)備最多不超過8 臺。藍牙設(shè)備連接成功，主設(shè)備只有一臺，從設(shè)備可以多臺。藍牙技術(shù)具備射頻特性。采用了TDMA 結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)多層次結(jié)構(gòu)，在技術(shù)上應(yīng)用了跳頻技術(shù)、無線技術(shù)等，具有傳輸效率高、安全性高等優(yōu)勢，所以被各行各業(yè)所應(yīng)用。

JDY-31 是基于藍牙3.0SPP 協(xié)議的芯片，支持主流系統(tǒng)（Windows、Linux、Android）的數(shù)據(jù)透傳，工作頻段為2.4 GHz，最大發(fā)射功率為8 dB、調(diào)制方式為GFSK，傳輸距離可達30 米。貼片式JDY-31 引腳圖如圖3所示，JDY-31 使用經(jīng)典藍牙協(xié)議、可應(yīng)用于Windows 電腦藍牙串口透傳、Android 藍牙串口透傳、智能家居控制、汽車ODB 檢測設(shè)備、藍牙玩具、共享移動電源、共享體重秤、醫(yī)療儀器等。

圖3 JDY 引腳圖

JDY-31 使用官方串口助手，JDY-31 模塊串口發(fā)送AT指令時必須加上 ，列舉一些常用指令：AT+VERSION查詢版本號、AT+RESET 軟件復(fù)位、AT+DISC 斷開連接、AT+ENLOG 串口狀態(tài)輸出使能等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 最小系統(tǒng)電路設(shè)計

18、19 拐腳外接電容和晶振的并聯(lián)諧振電路，電容選擇為30 pF，晶振選擇為23 MHz，該回路為單片機提供了12 MHz 的時鐘。RET 拐腳外接電容與按鍵并聯(lián)電路，當按鍵按下時并保持兩個時鐘周期時，就會重新啟動單片機。P3.3 拐腳外接LED 燈，用于顯示當前單片機的開關(guān)機狀態(tài)。P0 口八個拐腳都外接上拉電阻，這是由單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的，由于內(nèi)部三態(tài)門且無上拉電阻，故外接上拉電阻將輸入拉高或拉低，既不影響邏輯又保證輸入不會漂空。

2.2 傳感器及模數(shù)轉(zhuǎn)換（HX711）外圍電路設(shè)計

對于單片機來說，需要將VCC 引腳接電源、GND 引腳接地。因為使用通道A，所以INNA 和INPA 連接按鍵模擬輸入，DOUT 拐腳與單片機P1.1 拐腳連接用于數(shù)字和串口數(shù)據(jù)的輸出，PD_SCK 拐腳與單片機P1.2 拐腳連接，用于實現(xiàn)數(shù)字、斷電控制和串口時鐘的輸入。

根據(jù)以上時序進行編程，即可完成對HX711 芯片的控制。

對于傳感器與HX711 的連接需謹慎注意，傳感器對形變的感測靈敏度很高，故要小心不要超載，以防出現(xiàn)外力撤銷后形狀不能復(fù)原的狀況。傳感器有四根線用于連接，其中紅線為電源正極輸入，黑線為電源負極輸入，白線輸出信號1，綠線輸出信號2。

2.3 按鍵及LCD1602 顯示電路設(shè)計

VSS 引腳和VCC 引腳分別接電源和地。BLA 和BLK是背光源的正負極分別接電源和地。V0 引腳連接上拉電阻，由于3 腳就是用來調(diào)整顯示的字符和不顯示之間的對比度，調(diào)整好了對比度，就可以讓顯示更加清晰，本次實驗中連接已調(diào)好值的電阻。RS 拐腳與單片機P2.5 拐腳連接，用于單片機控制選擇數(shù)據(jù)寄存器和指令寄存器。R/W 拐腳與單片機P2.6 連接，用于單片機進行讀操作和寫操作的控制。對RS和R/W 拐腳的控制可以實現(xiàn)以下功能：RS 低電平、R/W 低電平時，寫入指令和顯示地址；RS 低電平、R/W 高電平時，讀信號；RS 高電平、R/W 低電平時，寫入數(shù)據(jù)。E 引腳與單片機P2.7 拐腳連接，當P2.7 拐腳有下降沿產(chǎn)生時，液晶模塊執(zhí)行命令。DB0 ～DB7 引腳8 051 的P0 相連，通過這8 個引腳讀寫數(shù)據(jù)和命令。

2.4 藍牙模塊及矩陣鍵盤電路設(shè)計

如圖4所示，系統(tǒng)采用4×4 位矩陣鍵盤，分別與單片機的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 相連，藍牙模塊JDY31 讀數(shù)據(jù)拐腳RXD 與單片機P3.0 相連，寫數(shù)據(jù)拐腳TXD 與單片機P3.1 相連，GND 拐腳連地，VCC 拐腳連+5 V 電源。

圖4 系統(tǒng)完整硬件設(shè)計

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 程序與功能說明

程序流程圖如圖5所示，該電子秤系統(tǒng)具有去包裝稱重、去皮、有記憶微加、有記憶微減、計算總價、超重報警、液晶顯示屏顯示數(shù)值、藍牙連接手機APP 記錄數(shù)據(jù)等功能。

圖5 系統(tǒng)實現(xiàn)流程

開啟時，提示燈閃爍，期間在傳感器上放包裝盒，系統(tǒng)自動錄入該包裝盒重量，提示燈熄滅，蜂鳴器蜂鳴示意，之后稱重時，系統(tǒng)會自動去掉包裝重量。若顧客或商家想要對重量進行微調(diào)，可通過微加鍵和微減鍵進行調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)結(jié)果有記憶功能，之后不必再調(diào)節(jié)。按下去皮鍵，系統(tǒng)對正在稱重的皮重進行記錄，并在以后的重量顯示中，去掉皮重。

輸入單價后，系統(tǒng)對物品進行總價計算并顯示在顯示屏上，若單價輸入錯誤，可通過按鍵返回上一步重新輸入。手機藍牙串口助手APP 通過藍牙與系統(tǒng)連接，此時APP 能夠接收物品總價。

3.2 實物測試

圖6為測量時，顯示屏分別顯示重量、單價及總價，此時重量為0.218 kg，單價為56.2元/kg，計算得出總價為12.2元。

圖6 測量及計價狀態(tài)

4 結(jié) 論

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，未來電子秤的功能注定得到不斷的改進。本文電子秤運用HX711、STC89C51、LCD1602 以及藍牙技術(shù)，能對5 kg 以內(nèi)物品進行重量稱量，重量誤差在0.001 kg 以內(nèi)，精度高，體積小，能夠輸入物品單價、計算總價并顯示，操作簡單，攜帶方便，不僅在日常家用稱重中能夠得到應(yīng)用，并且在大型商場也有十分廣闊的前景，應(yīng)用范圍十分廣泛。