基于單片機的電子秤控制系統(tǒng)設(shè)計

招妙妍

摘 ?要：智能儀表是含有微型計算機或者微處理器的測量儀表，它擁有存儲數(shù)據(jù)、邏輯運算及自動化操作等功能。基于單片機的智能電子秤是智能儀表的一個重要研究方向，本文研究智能電子秤的數(shù)據(jù)采集和控制技術(shù)，研制相關(guān)系統(tǒng)，設(shè)計的智能電子秤能夠?qū)崿F(xiàn)稱重、顯示、計算價格等功能。此外，增設(shè)人機接口模塊，這使得稱重方便、讀數(shù)簡單，拓展了電子秤的功能。采用單片機作為控制器，具有速度快、高精度、節(jié)能環(huán)保的特點。

關(guān)鍵詞：智能儀表;單片機;電子秤

1. 引言

電子秤是一種由蓄電池、稱重傳感器、微處理器（MCU）、承重系統(tǒng)等組成的電子稱重衡器，通過人機接口裝置控制電子秤完成稱重、計價、信息顯示功能，具有精度高、操作簡單、體積小、效率高、節(jié)能環(huán)保的特點，適用于生產(chǎn)過程、商業(yè)貿(mào)易、日常生活以及科研領(lǐng)域中使用。

從上個世紀70年代至今，傳感器技術(shù)、儀器儀表技術(shù)、計算機技術(shù)飛速發(fā)展，技術(shù)與技術(shù)相互融合，稱重技術(shù)有了翻天覆地的變化，稱重裝置有了很大的進步，具體可以表現(xiàn)在它的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化、數(shù)字化。新技術(shù)的出現(xiàn)給電子秤的研發(fā)提供了技術(shù)支持，使得研發(fā)出滿足人們不同需求的電子秤成為可能。人們生活水平的提高，人們對電子秤的要求在不斷提高。在購買需要經(jīng)過稱量才能出售的物品時，人們希望電子秤可以增加打印的功能;在家里稱量身體重量時，人們希望電子秤可以增加分析人體是否健康的功能，或者可以方便家庭儲藏;在一些需要統(tǒng)計重量的場合，人們又希望電子秤有存儲數(shù)據(jù)的功能等等。人們對電子秤的需求是促進電子秤產(chǎn)品不斷更新的源動力。因此，有針對性地開發(fā)出一套有實用價值的智能電子秤系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義。

2總體方案設(shè)計

2.1 硬件架構(gòu)

電子秤系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

2.2 軟件架構(gòu)

電子秤系統(tǒng)在工作時，控制器STC89C51需要接受來自HX711模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的質(zhì)量采集信息、處理鍵盤模塊輸入的指令、控制LCD顯示模塊的數(shù)據(jù)顯示。因而，軟件架構(gòu)主要從實現(xiàn)這幾個功能出發(fā)，考慮軟件編寫。程序包括：系統(tǒng)初始化程序、數(shù)據(jù)采集程序、LCD顯示程序、按鍵模塊程序、低電壓報警和超量程報警程序。

在本課題中采用C語言編寫軟件，C語言在編程方面有著巨大的優(yōu)點。普中科技有51單片機的開發(fā)板，功能強大，滿足電子秤系統(tǒng)開發(fā)的前期調(diào)試需求，直接減少了開發(fā)時間和開發(fā)難度。

3 電子秤系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 STC89C51最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)是單片機運行起來所必須的基本電路，是保證整個單片機硬件平臺正常運行的最基本電路。其中包括電源電路，時鐘電路和復(fù)位電路。其中STC89C51的最小系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

A/D轉(zhuǎn)換電路用到了電子秤系統(tǒng)專用的模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)化器芯片HX711，該芯片集成度高，內(nèi)部包括了穩(wěn)壓電源和時鐘振蕩器，外圍電路無需對這兩個部分進行重復(fù)設(shè)計。電路如圖2所示。

3.3 LCD1602顯示電路設(shè)計

LCD1602的電路設(shè)計非常簡單。第1、2引腳是顯示器的電源接口，第15、16引腳是背光燈的電源接口，首先將這兩組接口按正負要求接入+5V電源中。VL端是調(diào)整液晶顯示器對比度的端口，作用是使液晶可以清楚地顯示。接電源正極對比度最小，屏幕過暗;接地則過亮。故在這個端口接入滑動變阻器調(diào)節(jié)電位從而改變對比度，選擇10kΩ的滑動變阻器。RS、R/W、E端口是控制LCD1602的端口，接入單片機P1.1、P1.2、P1.3口，D0～D7是LCD1602的數(shù)據(jù)端口，接單片機的P0口。電路圖2如圖所示。

3.4 鍵盤電路設(shè)計

本課題采用鍵盤電路實現(xiàn)計算價格的功能，彈性按鍵具有“按下則通，松開則斷”的特點，適合本課題的需求。按鍵的一端接入單片機的某個I/O口，另一端接地，按鍵按下對應(yīng)的I/O口變成低電平。對I/O口賦予高電平，單片機檢測I/O口電平并判斷是否是低電平，低電平則表示按鍵按下。這是鍵盤的檢測原理，鍵盤電路的設(shè)計就是基于此原理上的。按鍵按下與松開的過程，電路中的電壓值會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，抖動可以通過編寫特定的程序來消除它的影響。

為實現(xiàn)計算價格這一功能，系統(tǒng)至少需要16個按鍵，假如采用上文中提到的按鍵電路，則會占用單片機的16個I/O口。考慮STC89C51單片機的I/O口數(shù)量有限，這樣的連接方式不僅占用I/O口資源，而且不利于程序的編寫。因此，設(shè)計出如圖2所示的矩陣鍵盤電路，設(shè)置上拉電阻的目的是減小灌電流，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。矩陣鍵盤電路大大減少了的I/O口需求，而且按鍵越多，這一優(yōu)點越明顯。矩陣鍵盤有四行四列，同一行按鍵的左端連接到同一個I/O口，同一列按鍵的右端連接到同一個I/O口。所有的I/O口賦予高電平，檢測第一列時，第一例對應(yīng)的I/O口賦予低電平，掃描行線判斷是否有低電平信號，如果檢測到第一行是低電平，那么第一例第一行的按鍵被按下。編程中，用這樣的方式對每行每列進行檢測并不斷循環(huán)，單片機執(zhí)行程序的速度非常快，所以按下任意鍵都可以被檢測到，對每個按鍵賦予含義，按鍵程序返回按鍵所代表的含義給主函數(shù)，主函數(shù)調(diào)用計算程序，實現(xiàn)預(yù)期功能。

3.5 總體電路

根據(jù)以上要求，完成基于單片機的電子秤硬件電路如圖2所示。

4 電子秤系統(tǒng)軟件設(shè)計

硬件和軟件的關(guān)系就像“秤桿不能離開秤砣”，沒有軟件的系統(tǒng)不能正常運行，軟件在使用者和硬件之間搭起橋梁，硬件執(zhí)行軟件中的命令完成使用者想要實現(xiàn)的功能，因而軟件的編寫是根據(jù)用戶的需要而來的。電子秤系統(tǒng)的軟件主要功能是：系統(tǒng)初始化、液晶顯示器顯示、矩陣鍵盤輸入、重量值采集、A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和發(fā)送等。

4.1 系統(tǒng)程序流程

對于整個電子秤系統(tǒng)而言，首先要能滿足完成最基本的稱重功能。當(dāng)被測物體放置在承重臺上時，引起惠斯通電橋輸出電壓的變化，電壓的變化從電子秤專用模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換芯片HX711的通道A輸入，轉(zhuǎn)換芯片對其采集并轉(zhuǎn)換成24位的數(shù)字量送入51單片機的P1.5管腳，單片機內(nèi)部程序?qū)@個數(shù)字量處理，轉(zhuǎn)換成質(zhì)量值，經(jīng)液晶顯示器顯示。稱重過程結(jié)束后，使用者通過按鍵完成價格計算的功能。按鍵按下，單片機對矩陣鍵盤進行掃描，讀入按鍵值，經(jīng)內(nèi)部程序?qū)Π存I值處理，得出稱重結(jié)果，經(jīng)液晶顯示器顯示。系統(tǒng)程序流程如圖4.1所示。

4.2 數(shù)據(jù)采集與處理

電子秤系統(tǒng)的核心是對被測物體的質(zhì)量數(shù)據(jù)進行采集與處理。質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集通過稱重傳感器采集，傳感器將重力轉(zhuǎn)換成模擬電壓量輸出，把輸出的模擬電壓量接入A/D轉(zhuǎn)換接口，轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓量輸出到STC89C51單片機中。對質(zhì)量數(shù)據(jù)的處理是指在單片機中把輸出的電壓值轉(zhuǎn)換成質(zhì)量。其中，為了方便對數(shù)據(jù)處理和標定，也為了獲得與真實值盡可能相等的質(zhì)量值，需要把輸入輸出線性化或者引入非線性補償電路，從而使傳感器線性化。

4.3矩陣鍵盤掃描

單片機檢測按鍵是否被按下是根據(jù)這個按鍵對應(yīng)的單片機I/O口是否是低電平，矩陣鍵盤中的按鍵兩端都接在單片機的I/O口上，需要用軟件通過I/O口向按鍵的一端提供低電平，這樣按鍵按下才能被檢測到。先把矩陣鍵盤的第一列接入的I/O口即P1.0置低電平，其它列接入的I/O口置高電平，檢測P2.4～P2.7口的電平，倘若檢測到P2.7口為低電平，就可以確認KEY1按下。倘若沒有檢測到低電平，用同樣的方法檢測第二列、第三列、第四列。

if語句只能處理兩路分支的問題，雖然通過嵌套if語句可以實現(xiàn)多支路處理，但是太復(fù)雜不夠簡單。C語言為處理多分支結(jié)構(gòu)提供了條件選擇語句，即switch語句，一般形式如下：

switch（<表達式>）

{case <常量1>：<語句1>

case <常量2>：<語句2>

...

case <常量n>：<語句n>

default：<語句n+1>}

對鍵盤掃描可以采用switch case 語句，思路簡單，容易實現(xiàn)。

4.3 LCD1602顯示

液晶顯示器的原理是利用電流刺激液晶分子再配合背部的燈光顯示字符，1602液晶顯示器就是應(yīng)用這一原理的，它可以顯示兩行字符，每行不超過16個ASCII碼字符，而且多以并行操作方式。按本課題的使用要求，1602采用靜態(tài)顯示字符的方式。

5. 電子秤系統(tǒng)性能測試

測試電子秤系統(tǒng)的稱重性能主要是檢定其在稱重過程中的示值誤差，目的是查看本課題設(shè)計的電子秤系統(tǒng)是否能滿足性能指標，也是為電子秤系統(tǒng)的修正提供依據(jù)。示值是電子秤系統(tǒng)液晶顯示的被測物體的質(zhì)量值，示值誤差是電子秤的示值與被測物體的約定真值之差，它是能夠最直接地反映電子秤系統(tǒng)精確程度的指標。采用砝碼組成以等比數(shù)列的形式遞增質(zhì)量值的測試點，選取一定數(shù)量的測試點，得到結(jié)果如表1所示。

比較上表中的這組示值誤差與最大允許誤差之間的大小關(guān)系可知，電子秤系統(tǒng)符合設(shè)計的要求。

總結(jié)

本課題的目的是設(shè)計一款基于單片機STC89C51的電子秤系統(tǒng)，集稱量、計價、顯示等功能于一身。這款電子秤小巧玲瓏，具有節(jié)能環(huán)保、實用性強的特點。本文從克服傳統(tǒng)稱量工具的不足之處出發(fā)，深入研究人們對稱量工具提出的新的要求，在充分考慮目前智能儀表技術(shù)、微電子技術(shù)以及計算機技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀后，慎重地提出電子秤系統(tǒng)的設(shè)計方案，并成功實現(xiàn)了這樣的電子秤系統(tǒng)。

“基于單片機的電子秤系統(tǒng)”是實用性非常大的研究課題，本設(shè)計的電子秤系統(tǒng)并不是十全十美的，它存在改進的空間，具體為：如何降低電子秤的成本;如何消除溫度對電子秤的影響;如何防止電子秤作弊。

參考文獻

[1] ?董旭宇. 基于LPC1766的多功能電子秤設(shè)計[D]. 太原：太原理工大學(xué)，2012.

[2] ?程勇. 電子衡器的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 計量與測試技術(shù)，2010，（4）：57-58.

[3] ?吳瓊. 國內(nèi)稱重儀表的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 衡器，2012，（6）：1-3.

[4] ?唐立軍. 防作弊高精度電子秤研究[D]. 長沙：湖南大學(xué)，2011.

[5] ?胡翔宇. 淺析智能儀表技術(shù)的應(yīng)用討論[J]. 知識經(jīng)濟，2013，（10）：79.