一款新型智能電子秤的設計

張思卿 張帆

摘 要：基于STC89C52RC單片機的智能電子秤的設計分為三大板塊，即硬件排版、布局設計，軟件編寫、下載、調(diào)試及產(chǎn)品焊接。基于單片機的智能電子秤是以STC89C52RC單片機為核心的控制系統(tǒng)，單片機內(nèi)下載軟件程序?qū)附油瓿傻挠布娐愤M行指令控制，當硬件電路中的壓力傳感器檢測到外界壓力發(fā)生變化時，新型智能電子秤模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片HX711對壓力傳感器收到的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，之后把數(shù)字信號傳送到單片機進行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理完成后通過液晶進行數(shù)據(jù)的直觀顯示，得到稱重結(jié)果。

關(guān)鍵詞：單片機;電子秤;傳感器;HX711;模數(shù)轉(zhuǎn)換;液晶顯示

中圖分類號：TP23文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）07-00-03

0 引 言

本產(chǎn)品采用軟硬件結(jié)合的方法，通過向單片機內(nèi)下載軟件程序來控制硬件電路實現(xiàn)各項電子秤的功能，在電子秤的基本功能基礎(chǔ)上擴展了時鐘萬年歷和超重報警等新功能。新型電子秤稱重系統(tǒng)可分為單片機最小工作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、人機交互界面操作系統(tǒng)、時鐘萬年歷及超重報警系統(tǒng)等五部分[1]。STC89C52RC單片機和經(jīng)典復位電路組成了單片機的最小系統(tǒng);信號放大、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)換和信號放大功能則通過HX711芯片實現(xiàn)，HX711是一款專為高精度電子秤而設計的24位A模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片，該芯片具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等特點;電子秤的人機交互操作界面通過手動矩陣鍵盤輸入和數(shù)據(jù)液晶顯示完成，即鍵盤輸入單價，液晶顯示屏顯示稱重數(shù)據(jù);時鐘模塊由時鐘芯片DS1302和時鐘顯示電路構(gòu)成;LCD1602顯示器可以切換顯示時鐘萬年歷;蜂鳴器具有報警功能，當稱重物體超過5 kg時，蜂鳴器自動報警[2]。

1 系統(tǒng)總體設計

電子秤是通過壓力傳感器檢測物體的重量，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換和單片機的信息處理后，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、傳力復位系統(tǒng)。承重、傳力復位系統(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，把對秤施加的力轉(zhuǎn)換成便于計算的電信號。稱重傳感器是將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詼y量的電信號并輸出的裝置。要注意的是，在應用傳感器時，要注意傳感器的工作環(huán)境是否適合其工作，如果出現(xiàn)錯誤，可能會造成傳感器的損壞和整個系統(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、感應式、電位差計、腔諧振器傳感器，應變傳感器主要有電阻應變傳感器等。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特性，穩(wěn)定可靠。

（3）測量顯示和數(shù)據(jù)輸出的負載測量裝置。用于測量顯示和數(shù)據(jù)輸出的負載測量裝置主要是被用來處理稱重傳感器信號的電子電路和指示器件。放大器、補償元件等構(gòu)成了稱重傳感器信號的電子線路，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)的學習運用比較重要。

2 單片機主控電路設計

系統(tǒng)的主控電路由STC89C52RC單片機、晶體振蕩器電路和復位電路組成。主控制電路在整個系統(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 實驗環(huán)境

系統(tǒng)軟件設計采用C語言編程，編譯環(huán)境選用Keil μVision3。Keil μVision3是美國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，操作簡單，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)行的二進制文件（.HEX），然后通過MCU的燒錄軟件將.HEX文件下載到MCU。軟件的運行主要包括三個方面，即初始化系統(tǒng);密鑰檢測;數(shù)據(jù)采集、處理和顯示。這三個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

在硬件電路設計過程中，原理圖的繪制采用Protel99SE軟件。Protel99SE是一款應用于Windows9X/2000/7/NT等操作系統(tǒng)的32位EDA設計軟件，這款軟件采用設計庫管理模式，可以進行聯(lián)網(wǎng)設計，具有很強的數(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計，印制電路板設計和可編程邏輯器件設計等工作，因其簡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;

（2）將所建原件庫加載到工程項目中;

（3）將所需元器件放在原理圖頁面上，并根據(jù)電氣性能進行連接;

（4）建立原件封裝庫并載入到工程文件中;

（5）繪制電路后進行ERC電氣檢測，并生成網(wǎng)絡表。

電路原理如圖2所示。由于仿真軟件的局限性，無法制作仿真圖，因此必須嚴格按照原理圖焊接，不能出現(xiàn)絲毫差錯，否則無法實現(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，進行電路連接試驗。首先用萬用表檢測各連接點，確保各連接點完好，然后仔細檢測各電路之間是否有短路現(xiàn)象，如有短路現(xiàn)象應及時處理，避免損傷元件。用萬用表檢查后，通電測試，當產(chǎn)品與電源連接時，用萬用表檢查各連接點是否符合預期電壓值，無誤后進行聯(lián)機檢測[5]。各芯片功能測試：預編譯一個簡單的程序（程序應反映芯片的功能），將程序輸入硬件電路的微控制器MCU中，觀察各芯片是否實現(xiàn)了預設功能，如果芯片運行正常，則表明芯片未損壞，可正常使用。新型智能電子秤實物如圖3所示。

（1）經(jīng)過放大器的傳感器信號不穩(wěn)定，且不滿足設定的放大倍數(shù)。信號不穩(wěn)定的原因在于傳感器精度不準確，連線時線路不穩(wěn)定;不滿足放大倍數(shù)是由于放大器的選擇不合適，導致無法滿足設定的放大倍數(shù)。因此可以通過選擇精度高的傳感器，預先計算好運算放大倍數(shù)以解決該問題。

（2）在進行硬件調(diào)試時，未做全方位的考慮，電源電壓過高，未做好電路保護措施。針對這類問題，需要自身培養(yǎng)良好的習慣，杜絕犯同樣的錯誤。

5.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試

硬件調(diào)試完成后，進行軟件調(diào)試。軟件調(diào)試是通過連接和執(zhí)行用戶程序并發(fā)現(xiàn)程序中的語法和邏輯錯誤，以消除和糾正錯誤的過程。在調(diào)試過程中，通過模塊調(diào)試實現(xiàn)程序各功能模塊的調(diào)試。首先確認模塊程序能否正常運行;之后進行系統(tǒng)調(diào)試，不僅可以快速檢查程序的功能與實際需求之間的差異，更能夠在發(fā)現(xiàn)差異后快速更改程序，直到達到設計要求;最后，對各模塊進行組合調(diào)試，確保各功能模塊都能實現(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，所得數(shù)據(jù)會上下浮動，但浮動的數(shù)據(jù)均在合理的誤差范圍內(nèi)。

（2）時鐘萬年歷具有獨立供電設備，時間的準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）未擴展更多電路，部分功能的實現(xiàn)通過通信接口電路與上位機（PC機）通信，將大量商品數(shù)據(jù)存于上位機，然后通過串口或并口通信與電子秤相連，實現(xiàn)遠距離控制。

（4）在購買元器件時，未全方位了解價格，部分元器件購買價格偏高。之后在購買元器件時，將吸取此次教訓，進行多方面的比較，爭取購買價格、性能優(yōu)越的元器件。

7 結(jié) 語

本設計是基于單片機的智能電子秤，此電子秤符合國家對于計量精度和穩(wěn)定性的標準要求，且制作方法簡單，操作方便，價格便宜，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，如單片機技術(shù)、稱重技術(shù)等，其性能特點主要表現(xiàn)在智能化方面，無需付出大量時間和精力便能開發(fā)出具有多樣功能的智能電子秤，如稱重計價、時鐘顯示、超重報警等。該電子秤還可以擴展出其他功能，只需對硬件電路和軟件程序稍加修改，便能夠得到功能的改進和擴展。

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