曾維鵬，蔡莉莎，林爾敏

（海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院 海南 瓊海571400）

基于GSM的數(shù)字電子稱的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曾維鵬，蔡莉莎，林爾敏

（海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院 海南 瓊海571400）

本文以實(shí)現(xiàn)基于GSM通信模塊的數(shù)字電子稱為目的，采用以STC15F2K61S2單片機(jī)為主控芯片，外圍附加稱重電路、顯示電路、報(bào)警電路、鍵盤電路、GSM通信模塊等構(gòu)成智能稱重系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室測(cè)試樣品的方法，得出所設(shè)計(jì)電子稱功能穩(wěn)定，且誤差在2%以內(nèi)。

單片機(jī)；GSM通信模塊；HX711模數(shù)轉(zhuǎn)換；稱重系統(tǒng)

稱重計(jì)量器件在人們的生活中隨處可見，早期稱重計(jì)量器件主要以秤砣等物理方式進(jìn)行，然而隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子稱漸漸地出現(xiàn)了，隨著智能芯片的發(fā)展，數(shù)字電子稱技術(shù)正向著基于傳感器與主控核心的數(shù)顯電子稱的方向發(fā)展，目前人們?cè)谠O(shè)計(jì)電子秤系統(tǒng)時(shí)大量地采用集成芯片，因此電子秤系統(tǒng)已經(jīng)擺脫了以往的電子模式，正趨向智能化多元化方向發(fā)展［1］。關(guān)于數(shù)字電子稱的研究與應(yīng)用，目前大部分?jǐn)?shù)字電子稱還停留在單機(jī)工作的模式上，雖然部分智能電子稱通過藍(lán)牙與智能設(shè)備相連，但市面上還沒有通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字電子稱。為了讓智能的數(shù)字電子稱能夠在沒有WiFi或網(wǎng)絡(luò)條件較差的情況下能夠聯(lián)網(wǎng)，作者以網(wǎng)絡(luò)覆蓋較廣的GSM通信為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于GSM通信模塊的數(shù)字電子稱系統(tǒng)，本系統(tǒng)可將電子稱獲取的信息通過GSM通信模塊發(fā)送到客戶手中，客戶能夠遠(yuǎn)程獲取電子稱信息，了解貨物重量，并與電子稱進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電子稱與遠(yuǎn)程用戶的網(wǎng)絡(luò)交互。

1 設(shè)計(jì)思想

文中以一臺(tái)量程為0～5 kg的電子稱為原型，由于壓力傳感器輸出的電量是模擬量，數(shù)值比較小達(dá)不到A/D轉(zhuǎn)換接收的電壓范圍，所以送A/D轉(zhuǎn)換之前要對(duì)其進(jìn)行前端放大、整形濾波等處理，最后將A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示，其數(shù)據(jù)顯示部分采用LCD顯示［2］。

作為一款以GSM通信模塊為網(wǎng)絡(luò)載體的智能型產(chǎn)品，作者在設(shè)計(jì)時(shí)考慮使用低功耗高效率的MCS51單片機(jī)作為產(chǎn)品的控制核心系統(tǒng)框圖如圖1所示，本文采用STC15F2K61S2單片機(jī)作為控制核心［3］，GSM通訊模塊采用西門子的TC35［3］。

2 控制核心及傳感器

多功能網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制核心主要是對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、數(shù)據(jù)顯示及與GSM通信，要實(shí)現(xiàn)這樣的功能使用51系列單片機(jī)便可滿足，本文使用STC15F2K61S2單片機(jī)，作為主控核心。單片機(jī)除了處理本地?cái)?shù)據(jù)外，還需要通過串口與GSM模塊進(jìn)行通信。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

電阻應(yīng)變式壓力傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成［4］，內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）受到拉伸或壓縮應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。瑥亩闺姌蚴テ胶?，產(chǎn)生相應(yīng)的差動(dòng)信號(hào)，供后續(xù)電路測(cè)量和處理［3］。通過圖2可知，當(dāng)壓力作用于傳感器上方時(shí)，由于變形，R1、R3的阻值會(huì)增大；R2、R4的阻值會(huì)減小，導(dǎo)致電橋不平衡而產(chǎn)生了電勢(shì)差，這個(gè)壓差與所受的力成一定比例，根據(jù)比例可將壓力與電壓進(jìn)行等價(jià)，處理后得出質(zhì)量［6］。

圖2 電阻式壓力傳感器

文中采用HX711芯片作為電子稱的數(shù)據(jù)處理芯片，主要通過該芯片完成壓力傳感器的數(shù)值的處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換。HX711是一款電子稱專用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它內(nèi)部集成了穩(wěn)壓電源、時(shí)鐘振蕩器等，它擁有較高的集成度，使用可靠性高，成本低，同時(shí)電路設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單［7］。

主控芯片與HX711相連需要查看芯片手冊(cè)，了解管腳功能后再進(jìn)行操作，作者通過芯片手冊(cè)了解到，該芯片與單片機(jī)的連接較簡(jiǎn)單，單片機(jī)的管腳可直接驅(qū)動(dòng)芯片的控制信號(hào)，不需要對(duì)芯片進(jìn)行編程［8］。壓力傳感器的數(shù)值通過A或B通道進(jìn)入芯片，芯片內(nèi)部的放大電路會(huì)將壓力傳感器傳來的數(shù)值進(jìn)行增益。值得一提的是HX711內(nèi)部有穩(wěn)壓電源可直接給模數(shù)轉(zhuǎn)換器供電，不需要額外的給芯片增加電源，大大地簡(jiǎn)化了模數(shù)芯片的電路設(shè)計(jì)，其電路圖如圖3所示。

圖3 HX711模數(shù)采樣電路

GSM通信模塊采用模塊支持RS232串口和LVTTL串口，并帶硬件流控制，支持5～24 V的超寬工作范圍［9］，使得本模塊可以非常方便的與單片機(jī)進(jìn)行連接，從而給提供包括語音、短信和GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽?0］。在使用GSM模塊時(shí)由開發(fā)者編寫一套通信協(xié)議，用戶可根據(jù)通信協(xié)議的要求，本系統(tǒng)發(fā)送短信，如“zhongliang”，智能電子稱會(huì)根據(jù)用戶發(fā)送的信息，向用戶手機(jī)（開發(fā)者預(yù)設(shè)的號(hào)碼）發(fā)送質(zhì)量信息。

文中使用德國西門子工業(yè)GSM模塊TC35i模塊，該模塊由STC89C52RC單片機(jī)、GTM900-B模塊組成［11］。所設(shè)計(jì)的電子稱的主控芯片通過串口與TC35i模塊的單片機(jī)進(jìn)行串口通信，完成收、發(fā)指令的操作。STC系列單片機(jī)通過+5 V、GND、TXD、RXD4個(gè)排針下載程序，4個(gè)排針為單片機(jī)的TTL接口，使用時(shí)，系統(tǒng)主控芯片（上位機(jī)）通過此端口選擇和單片機(jī)通訊或GSM通訊。該模塊SIM卡座在GSM模塊下邊，安裝SIM卡即可使用，引腳連接示意圖如圖4所示。

圖4 GSM模塊與主控芯片引腳連接示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主函數(shù)主要完成系統(tǒng)程序的所有功能，由于采取結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方式，主函數(shù)的編碼相對(duì)較少，主要是對(duì)函數(shù)的調(diào)用。程序開始執(zhí)行時(shí)，首先進(jìn)行初始化，當(dāng)初始化完成后，調(diào)用模數(shù)轉(zhuǎn)換函數(shù)，通過處理讀取壓力傳感器的數(shù)據(jù)［12］，再通過矩陣鍵盤掃描函數(shù)，讀取單價(jià)，將處理后的壓力傳感器的數(shù)據(jù)與單價(jià)進(jìn)行處理，得出金額，將所有數(shù)據(jù)送到液晶屏上顯示，同時(shí)通過串口將數(shù)據(jù)通過GSM模塊發(fā)送到指定的手機(jī)上［13］，用戶可不在現(xiàn)場(chǎng)便得到所稱物體的質(zhì)量。程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖

A/D數(shù)據(jù)采集子程序的功能是將壓力傳感器采集到的極小電壓進(jìn)行比較放大后［14］，再送到處理芯片里進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行的。文中采用HX711芯片作為電子稱的芯片，選用了增益為128的通道A。流程圖如圖6所示。

圖6 A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖

GSM模塊編程，在程序設(shè)計(jì)中，需要設(shè)置目的手機(jī)地址、編寫發(fā)送短信內(nèi)容［15］。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)查詢、發(fā)送模式選擇、讀取短信命令等設(shè)置，程序如下：

4 測(cè)試與分析

測(cè)試設(shè)置的稱重量程為0～5 kg，測(cè)試過程中數(shù)據(jù)較為精確，誤差控制在2%，手機(jī)能夠順利接收到所測(cè)數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

本設(shè)計(jì)實(shí)物設(shè)計(jì)如圖7所示很好地將傳感器與控制器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字稱重的效果，此外，由于通過GSM與手機(jī)進(jìn)行通訊，使得在一些WiFi無法覆蓋的領(lǐng)域也能應(yīng)用。在一些果地、水果批發(fā)市場(chǎng)，當(dāng)購買方與銷售方不在一起時(shí)能夠進(jìn)行交易，大大地簡(jiǎn)化了商人們的購買手續(xù)。

圖7 系統(tǒng)運(yùn)行效果圖

5 結(jié) 論

文中闡述了數(shù)字電子稱與GSM組合的一種新用法，解決在無網(wǎng)絡(luò)條件下的智能數(shù)字網(wǎng)絡(luò)問題，不過本設(shè)計(jì)仍存在許多需要改進(jìn)的設(shè)計(jì)，比如為了防止欺詐，能否加裝攝像頭、所稱重的數(shù)據(jù)能否存儲(chǔ)并查閱等，隨著4G技術(shù)的推廣，也可采用4G通信模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，然而4G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋問題能否完美解決，這都是需要后續(xù)改進(jìn)的。

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The design of digital electronic scale based on GSM network

ZENGWei-peng，CAILi-sha，LIN Er-min
（Hainan Software Profession Institute，Qionghai571400，China）

In this paper，for the purpose of design a digital electronic scale based on GSMmodule.We adopta system design approach to design theweight circuit，LCD circuit，alarm circuit，keyboard and GSM communicationmodule.In the samples tested，we obtained the design ofelectronic scalesstable and error iswithin 2%of the conclusions.

MCU；GSM communicationmodule；HX711A/Dchange；weighing system

TN4

A

1674－6236（2016）20-0147-03

2016-06-23 稿件編號(hào)：201606182

2015海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（20156249）；2015年海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究項(xiàng)目（Hr201501）

曾維鵬（1982—），男，海南?？谌耍T士，副教授。研究方向：人工智能、嵌入式技術(shù)。