基于單片機(jī)的數(shù)字電子秤設(shè)計(jì)

郭曉，姚政，賀秋瑞

（1.河南理工大學(xué)鶴壁工程技術(shù)學(xué)院，河南鶴壁，458030；2.鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鶴壁，458030；3.洛陽師范學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，河南洛陽，471934）

0 前言

隨著計(jì)量技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)純機(jī)械結(jié)構(gòu)的桿秤、臺(tái)秤、磅秤等稱量裝置逐步被淘汰，而電子稱量裝置電子秤、電子天平等以其稱量準(zhǔn)確、使用方便、顯示直觀等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到人們的青睞。和傳統(tǒng)秤相比較，電子秤具有低成本，易攜帶、易操作、精度高、壽命長(zhǎng)、應(yīng)用廣等優(yōu)點(diǎn)。本文基于單片機(jī)AT89C51設(shè)計(jì)了一款智能化電子秤，可實(shí)現(xiàn)稱重、按鍵調(diào)節(jié)、顯示、超重報(bào)警等功能。設(shè)計(jì)的基本要求為：測(cè)量量程0～10kg，測(cè)量誤差不能大于5g，能夠通過按鍵完成顯示清零、去皮、校準(zhǔn)等功能，當(dāng)被測(cè)物體超過測(cè)量量程時(shí)通過蜂鳴器和紅色LED燈閃爍報(bào)警，如果未超重綠色LED燈亮[1]。

1 設(shè)計(jì)原理

本次設(shè)計(jì)的電子秤主要由6部分組成，分別是：壓力傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)主控芯片、液晶顯示器、按鍵控制、超重報(bào)警及指示燈。工作原理：(1)由壓力傳感器采集數(shù)據(jù)，將壓力轉(zhuǎn)換為微弱的模擬電壓信號(hào)；(2)HX711模塊對(duì)模擬電壓信號(hào)放大后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)；(3)單片機(jī)通過計(jì)算在顯示器上顯示物體重量；(4)如果物體超重報(bào)警器報(bào)警，且紅色LED指示燈閃爍。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可用性，本設(shè)計(jì)使用Proteus8軟件進(jìn)行仿真，用Keil uVision5進(jìn)行單片機(jī)編程實(shí)驗(yàn)。Proteus軟件是一款EDA軟件，可以完成原理圖布圖、代碼調(diào)試、單片機(jī)與外圍電路仿真及PCB板設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器。硬件電路仿真設(shè)計(jì)見圖2。

圖1 電子秤硬件原理圖

圖2 硬件電路仿真圖

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)是指用最少的元件組成的可以正常工作的電路，一般至少應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。晶振電路由兩個(gè)電容、一個(gè)電阻和晶體振蕩器組成。

復(fù)位電路由按鍵開關(guān)和電容構(gòu)成，相當(dāng)于電腦的重啟系統(tǒng)，當(dāng)單片機(jī)在工作狀態(tài)因受到環(huán)境干擾出現(xiàn)程序卡死時(shí)，按下按鍵開關(guān)后程序?qū)念^開始執(zhí)行。單片機(jī)AT89C51的第9引腳為復(fù)位引腳，當(dāng)高電平持續(xù)2便可實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能，因此通過按鍵開關(guān)的斷開和閉合控制復(fù)位。最小系統(tǒng)見圖3。

圖3 基于AT89C51的最小系統(tǒng)

2.2 壓力傳感器

電阻應(yīng)變片式壓力傳感器[3]的工作原理是電阻應(yīng)變效應(yīng)，即應(yīng)變片壓縮致應(yīng)變阻值減小，應(yīng)變片拉伸致阻值增加。應(yīng)變片阻值的改變，則橋式電路獲得電勢(shì)輸出信號(hào)，傳輸給HX711模塊，完成數(shù)據(jù)采集。該傳感器上下表面各有一個(gè)應(yīng)變片，每個(gè)應(yīng)變片內(nèi)有兩個(gè)壓力電阻，組成全橋式電路，精度較高。壓力傳感器及原理見圖4。

圖4 電阻應(yīng)變片式壓力傳感器及原理圖

2.3 專用模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換模塊

HX711是一款專為電子秤而設(shè)計(jì)的24位高精度模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器芯片，具有集成度高、響應(yīng)速度快和抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4]。HX711芯片集成了穩(wěn)壓電源，可以向內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器和外部的壓力傳感器供電。壓力傳感器產(chǎn)生的電壓信號(hào)十分微弱，而HX711芯片內(nèi)集成有低噪聲可編程、增益可調(diào)的放大器，首先完成電壓信號(hào)的放大，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

連接方式：壓力傳感器輸出電壓信號(hào)分別連接HX711芯片的引腳INNA與引腳INPA。電壓信號(hào)經(jīng)放大、數(shù)字化后通過引腳DOUT和PD_SCK傳輸給單片機(jī)，分別接單片機(jī)AT89C51的P2.0和P2.1引腳。穩(wěn)壓電路為壓力傳感器提供穩(wěn)定的輸入電壓。HX711模塊見圖5。

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊HX711

2.4 LCD液晶顯示器

本設(shè)計(jì)采用LCD1602 液晶顯示器，該液晶顯示器與單片機(jī)的連接方式有兩種：直接控制方式和間接控制方式。其中，直接控制方式是LCD1602液晶顯示器的8根數(shù)據(jù)線和3根控制線E、RS和R/W與單片機(jī)直接相連，V0引腳是液晶對(duì)比度調(diào)試端，接電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，因此需要連接一個(gè)10的電位器實(shí)現(xiàn)對(duì)比度的調(diào)整。單片機(jī)AT89C51的P0引腳漏極開路，如果所選用LCD1602的數(shù)據(jù)端口內(nèi)阻較大，可能會(huì)發(fā)生通訊異常，因此需要使用外部上拉電阻或使用LCX245等電平轉(zhuǎn)換芯片，本設(shè)計(jì)采用外加上拉電阻的方法。液晶顯示器原理圖見圖6。

圖6 液晶顯示器LCD1602原理圖

2.5 按鍵模塊

按鍵模塊由4個(gè)按鍵組成，分別完成復(fù)位清除、去皮、校準(zhǔn)加、校準(zhǔn)減四個(gè)功能。其中，復(fù)位清除功能是通過將單片機(jī)復(fù)位重啟按鍵實(shí)現(xiàn)的，即單片機(jī)復(fù)位按鍵為清除顯示按鍵。去皮、校準(zhǔn)加、校準(zhǔn)減按鍵分別接AT89C51單片機(jī)的P3.0～P3.2引腳。

2.6 超重報(bào)警模塊

超重報(bào)警模塊的主要功能是防止電子秤過載損壞，該模塊主要由三部分組成：第一部分為發(fā)出警報(bào)的蜂鳴器；第二部分為發(fā)出警報(bào)的紅色LED燈，當(dāng)被測(cè)物品超重時(shí)，紅色LED燈不停的閃爍；第三部分為指示被測(cè)物體未超重時(shí)的綠色LED燈。其中：由于單片機(jī)引腳電壓比較小，無法直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作，需要外加放大器，一般使用三極管放大器或者電流驅(qū)動(dòng)模塊，本設(shè)計(jì)采用三極管放大器。當(dāng)超重時(shí)，引腳設(shè)置為低電平，蜂鳴器響。超重報(bào)警模塊見圖7。

圖7 超重報(bào)警模塊

3 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)流程[5]：首先，對(duì)單片機(jī)、液晶顯示屏、A/D轉(zhuǎn)換芯片初始化；然后，單片機(jī)讀取A/D轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算將數(shù)字電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為重量值，并傳輸給顯示器顯示重量，再判斷是否超重；再次，如果超重，則發(fā)出指令給報(bào)警模塊，使得蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，紅色LED燈不斷閃爍，提示超重。如果未超重，綠色LED燈常亮表示正常。最后，不斷讀取A/D轉(zhuǎn)換芯片，重復(fù)以上操作。程序設(shè)計(jì)流程圖見圖8。

圖8 程序設(shè)計(jì)流程圖

4 軟硬件調(diào)試

4.1 仿真調(diào)試

根據(jù)硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用單片機(jī)仿真軟件Proteus8進(jìn)行仿真調(diào)試，按照設(shè)計(jì)圖連接好單片機(jī)以及各個(gè)模塊引腳，確定無差錯(cuò)開始進(jìn)行仿真調(diào)試。調(diào)試各個(gè)部分模塊，能夠正常工作。當(dāng)給重量加到10kg時(shí)，發(fā)現(xiàn)紅色LED閃爍但是蜂鳴器不能工作，經(jīng)過更換蜂鳴器和調(diào)試發(fā)現(xiàn)，蜂鳴器端電壓給予不足，給予蜂鳴器5V電壓后再次仿真調(diào)試，此次蜂鳴器能夠正常工作。

4.2 硬件調(diào)試

仿真完成后開始實(shí)物連接，按照仿真設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)物各個(gè)部分進(jìn)行連接，連接完成后，為防止通電后出現(xiàn)短接對(duì)芯片造成損傷等情況，需要排查連接線是否正確，確定無誤后，對(duì)實(shí)物進(jìn)行通電調(diào)試。給實(shí)物接上5V電源，開始對(duì)電子稱經(jīng)行調(diào)試，首先需要校準(zhǔn)調(diào)試，經(jīng)調(diào)試后誤差不超過5g，能夠正常使用，接著對(duì)按鍵進(jìn)行調(diào)試，復(fù)位、去皮、校準(zhǔn)功能能夠正常工作，放上10kg砝碼，LED能夠亮，蜂鳴器能夠工作，硬件調(diào)試完成。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以AT89C51單片機(jī)為主控芯片的電子秤，配備精度較高的壓力傳感器和專用A/D轉(zhuǎn)換器模塊HX711，具備實(shí)時(shí)顯示、超重報(bào)警等功能。該電子秤使用簡(jiǎn)單、攜帶方便、計(jì)量準(zhǔn)確，可以滿足基本需求。由于使用了單片機(jī)系統(tǒng)，可以通過電路擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)電子秤的進(jìn)一步智能化，如顯示日期、計(jì)算價(jià)格、語音播報(bào)、上傳數(shù)據(jù)到APP等[5～6]，也是未來工作的方向。