電子秤測重數據同步傳送系統的嵌入式開發

王勝楠

（鄭州技師學院，河南 鄭州 450001）

當下，得益于電子技術的不斷發展，生活中不斷出現各種測量工具的身影，電子秤就是其中一種[1]。電子秤是人們生活中必不可少的工具，無論是賣家還是買家，購物時都需要用電子秤來稱量商品的質量。然而，大量程的電子秤成本高、放置空間大、不易搬運，無法適應人工智能的發展。基于此，筆者開發出一種基于自制的AT89C51 單片機和全橋壓力傳感器等硬件的微型電子秤。該電子秤測量方便且精度高、簡易、實用并具有極廣的適用范圍[2]。

1 總體設計

本設計主要以AT89C51 單片機為主，并配有全橋傳感器、HX711、UART、單片機復位電路等硬件。全橋傳感器是橋式傳感器的一種，是用在汽車衡、軌道衡等裝置上的專用傳感器；HX711 是一款專為高精度電子秤而設計的24 位A/D 轉換器芯片；UART 是一種通用串行數據總線，用于異步通信；單片機復位電路是一種用來使電路恢復到起始狀態的電路設備，其操作原理與計算器有著異曲同工之妙。總體設計如圖1所示。

圖1 總體設計

2 設計方案及工作原理

2.1 設計方案

傳統電子秤只是基于單片機將物品的質量、分度值等其他信息顯示到顯示屏上，本文是基于UART，根據電子秤硬件設計和工作原理，編寫出與硬件兼容的軟件系統。采用該軟件系統，電子秤可將測得的質量數據通過AT89C51 單片機同步傳送給計算機、票據打印機生產廠商設計的打印系統以及其他需要同步獲得物體質量的系統等。本軟件系統采用模塊化集成設計，用戶操作簡便、系統反應時間短、響應速度快。本設計的整體方案如圖2 所示。

圖2 總體方案設計

2.2 工作原理

本文開發的同步系統的各種用戶是唯一的參與者，參與者通過使用事件與系統進行交互，所有的使用事件綜合起來即構成了用戶的功能需求。用戶可將所要稱量的物品放置于電子秤秤盤上，即系統的輸入量[3]。軟件系統開始檢測秤盤上是否有物品放置，當檢測到有物品時，開始對物品的實際質量進行測量。系統將3 次測量結果進行對比，3 次測量結果一致時，基于全橋壓力傳感器制作的電子秤將測重數據通過HX711 模塊發送給AT89C51 單片機，單片機通過其UART 串口通訊將側重數據發送給計算機或其他需要物品質量數據的第三方系統進行處理[4]。

3 硬件設計

本系統的硬件設計主要包含電源模塊、數據采集模塊、圖像采集模塊、微控制器STC89C52 等。電子秤同步系統硬件總體流程如圖3 所示。

圖3 硬件總體流程圖

單片機STC89C52RC 的作用主要是處理HX711芯片傳輸的數據，然后通過UART 串口通信將處理過后的信息傳輸到PC 端。PC 端主要接收單片機傳輸的質量信息，然后對其進行數據整合處理，輸出客戶需求的詳細信息。

3.1 單片機模塊

本文所選的單片機為STC89C52 單片機如圖4 所示，具有8 K 字節系統并且其存儲區域可以編程和檫除，本單片機操作簡單，具有高度集成技術，可以通過串口通信傳輸數據，計算速率較快，相對于其他微處理器不僅經濟，且利用率高，除此之外還具有定時功能和計數功能，完全能夠滿足本文電子秤測重數據同步傳送系統的開發要求。

圖4 STC89C52RC 單片機

3.2 電源模塊

電子秤測重同步數據系統的設計涉及到多個硬件模塊，每個模塊都需要電源的支撐。因為電子秤系統一般用在居民樓用電，一般選用交流220 V 電壓，然后通過變壓模塊將電壓轉變成直流24 V 電壓或者是5 V 電壓，供其他硬件使用。電源電路如圖5 所示。

圖5 電源電路

3.3 數據采集模塊

數據采集模塊是利用HX711 芯片和傳感器結合進行采集信息，然后對其進行數模轉換，最后整合數字信號發送給處理器單片機對數據進行處理。

傳感器的種類非常之多，按照傳感器的工作原理可將其分為電阻式傳感器、電容式傳感器、熱電式傳感器和電感式傳感器等。本文選擇的傳感器是QLD-31應變式稱重傳感器，如圖6 所示，傳感器表面硅橡膠具有化學穩定性，使輸出的電信號更加具有穩定性；信號線內又置鍍銀屏蔽線，防止各種高頻無線電波等干擾，彌補了穩定性差、抗干擾能力差等缺點。

圖6 稱重傳感器

目前較流行的A/D 轉換芯片有TM7711、HX711和HX712，經分析對比后，TM7711 主要用在溫度、濕度等模糊量的轉換，HX711 和HX712 轉換器都作為一款24 位的模數轉換器芯片，都是針對體積小和精確度高的稱重傳感器而開發設計的。它們讀數據部分都差不多，只是HX712 只能讀一個傳感器，而且帶電池檢測，僅適合低功耗的產品，沒有HX711 的應用范圍廣。因此，本設計選用HX711 作為A/D 轉換器。HX711內部方框圖如圖7 所示。

圖7 HX711 內部方框圖

3.4 UART 串口模塊

UART 是本設計重要的硬件系統，由3 根線進行數據傳輸，第一根是用作發送數據信息的TXD 線口，第二根是用作接收數據信息的RXD 線口，第三根是用作連接大地的線口。在本次實驗設計過程中，總共用到了2 個UART 串口模塊，第一個是稱重傳感器與A/D轉換芯片HX711 之間通過UART 串口連接，第二個是A/D 轉換芯片，HX711 與單片機STC89C52RC 之間通過UART 串口連接。

4 系統功能

本文開發的電子秤數據同步傳輸系統主要有以下3 部分功能性要求：①本系統的稱重數值可精確到小數點后兩位，量程為0～10 kg，分辨率為1 g，誤差小于1 g；②本系統運行于自制的AT89C51 單片機上，在系統開始工作前，需將單片機冷啟動；③本系統結合其硬件基礎，設置有復位電路，在系統出錯時，用戶可以手動按下復位按鈕，此時系統重啟，開始重新對物品質量進行測量。

5 結束語

本文通過開發同步傳輸系統，在傳統電子秤的基礎上，增加了PC 端數據處理系統，通過同步傳輸將傳感器傳輸信息以及商品種類、價格等信息傳送到PC端，PC 端經過程序處理，傳輸給打印系統，參與者只需將商品放置傳感器，通過查看打印信息即可獲得商品的質量、種類以及價格。滿足了無人超市散裝商品無法稱重的要求，并且其效率及準確率都有所提高。此系統若要滿足智能化無人超市需求，還有2 個問題亟待解決：物品的種類無法識別，需要提前輸入程序；現在傳感器的量程為0～10 kg，需要增加量程，才能針對不同的商品進行稱重。后續工作將結合這2 個問題，提高電子秤的智能性。