馬雅盼， 劉忠富， 李美儀， 趙詩文， 雷 禹

(大連民族大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 遼寧 大連 116600)

引言

電子秤是日常生活中常用的稱重設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中廣泛使用。相比傳統(tǒng)的機械式稱重工具，電子秤具有顯示直觀、容易操作、測量精度高等特點。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)電子產(chǎn)品需要具備無線傳輸、網(wǎng)絡(luò)連接等功能。本文以單片機 STC89C58RD+為核心的控制單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，采用壓力傳感器對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，具有藍(lán)牙HC-05傳輸和打印功能。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，功能齊全，精度高，能夠無線傳輸，具有一定的開發(fā)價值。

1 系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)在設(shè)計上可分為：基本稱重、鍵盤輸入、計算價格、顯示、藍(lán)牙傳輸和打印等功能。硬件電路主要是基于單片機 STC89C58RD+為核心的控制單元展開數(shù)據(jù)的處理[1]，采用壓力傳感器對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，使用HX711對傳感器采集到的模擬量求得A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送到單片機提供處理顯示，數(shù)據(jù)顯示由LCD12864 液晶配置生成，液晶顯示效果穩(wěn)定無閃爍，數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙HC-05與手機等建立傳輸，并通過打印機打印顯示結(jié)果。系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig. 1 Hardware block diagram of system

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

電子秤節(jié)點包括單片機最小系統(tǒng)電路、電源電路、串口通訊電路、數(shù)據(jù)存儲電路、按鍵掃描電路、顯示電路、以及壓力傳感器檢測模塊、藍(lán)牙模塊和打印模塊接口電路。這里，即針對每一部分的功能設(shè)計給出如下解析論述。

2.1 單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)中采用的微控制器是STC89C58RD+。設(shè)計上則是由時鐘電路和復(fù)位電路組成，該電路作為整個系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心單元。連接方式如圖2所示。其中，CY1和CY2 的值通常選擇為30 pF左右，晶振Xl選擇11.059 2 MHz，為了更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，振蕩器電容在安裝上應(yīng)盡可能地靠近單片機引腳 XTAL1和 XTAL2[2]。

圖2 最小系統(tǒng)電路圖Fig. 2 Microcontroller circuit

2.2 串口通訊電路

本設(shè)計使用的是MAX232[3]，選用+5 V單電源供電。主要功能是用于將普通5 V的TTL電平轉(zhuǎn)換為10 V串口通信電平。研究可得串口通訊電路圖如3所示。

圖3 串口通訊電路Fig. 3 Serial communication circuit

2.3 數(shù)據(jù)存儲電路

數(shù)據(jù)存儲電路可以存儲數(shù)據(jù)，即單片機下載了程序后，斷電數(shù)據(jù)不丟失，這是由AT24C02設(shè)計構(gòu)成的。AT24C02用來存儲不同物品的單價信息。參考電路如圖4所示，AT24C02的A0～A2接地，SCL、SDA接單片機的P3.6和P3.7引腳，WP接地。

2.4 按鍵掃描電路

鍵盤控制電路為4*4矩陣鍵盤，這樣不僅便于控制，還減少了I/O口的使用[4]。按鍵實現(xiàn)單價調(diào)節(jié)的功能，每當(dāng)有一個鍵按下，單片機的P1口檢測到發(fā)生動作的按鍵號，根據(jù)該按鍵的不同，將向單片機發(fā)送不同的調(diào)節(jié)單價命令，按鍵控制電路即如圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)存儲電路Fig. 4 Data storage circuit

圖5 按鍵掃描電路Fig. 5 Key scanning circuit

2.5 壓力傳感器檢測模塊設(shè)計

壓力傳感器檢測模塊在硬件上由壓力傳感器HL-8電路和A/D轉(zhuǎn)換器HX711電路組成[5]，主要用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換。其中，數(shù)據(jù)采集部分由壓力傳感器、信號放大單元集結(jié)構(gòu)成，而模數(shù)轉(zhuǎn)換部分由A/D轉(zhuǎn)換芯片HX711來調(diào)控實際效果。壓力傳感器的工作原理是：運用惠思通電橋，電橋搭建中選用的是電阻應(yīng)變片式的壓力傳感器，而其獲得廣泛應(yīng)用的原因是溫度特性好，減小溫度變化帶來的誤差。膜片上的壓力使得電橋不再平衡，從而產(chǎn)生一個差動的輸出信號，這種結(jié)構(gòu)的基本特性之一是其差動輸出電壓與偏置電壓成正比關(guān)系，這種關(guān)系在一定程度上制約著壓力測量精度，直接決定偏置電源的容限值。當(dāng)4個橋臂電阻達(dá)到預(yù)期設(shè)定的比例關(guān)系時，電橋輸出為零，或者就有電壓輸出。同時，該研究也能提供一種溫度補償?shù)某Ｒ?guī)通用方法[6]。HX711設(shè)計連接電路如圖6所示。

圖6 傳感器接口電路圖Fig. 6 Sensor interface circuit

2.6 顯示電路設(shè)計

LCD12864由單片機P0.0～P0.7以及P2.2～P2.7口控制，讀寫接口分別接入P22和P23口。通過軟件編程，利用P22和P23 口來智能處理控制LCD 12864的讀寫功能；而通過利用其他I/O口操作驅(qū)動12864的寄存器輸入和顯示數(shù)據(jù)，從而達(dá)到預(yù)設(shè)顯示目的。

2.7 藍(lán)牙模塊設(shè)計

藍(lán)牙的型號為HC-05，這是主從一體的藍(lán)牙串口模塊。簡單地說，當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備與藍(lán)牙設(shè)備配對連接成功后，可以忽略藍(lán)牙內(nèi)部的通信協(xié)議，直接將藍(lán)牙當(dāng)做串口用。當(dāng)建立連接，兩設(shè)備共同使用一通道也就是同一個串口，一個設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到通道中，另外一個設(shè)備便可以接收通道中的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，對于建立這種通道連接是有一定條件的，那就是對藍(lán)牙的應(yīng)用設(shè)置后便能支持生成配對連接的AT模式。

藍(lán)牙模塊引腳分別為：1腳RXD(接收端)、2腳TXD(發(fā)送端)、3腳AT(設(shè)置工作模式)、4腳VCC、5腳GND。

HC-05由P30口和P31口連接RXD和TXD控制其數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。通過軟件編程下載后，打開串口調(diào)試助手可以看到屏幕上數(shù)據(jù)的顯示，也可以通過藍(lán)牙與手機建立連接，通過手機上的串口調(diào)試工具也可以看到數(shù)據(jù)的顯示。

2.8 打印模塊設(shè)計

打印模塊[7]使用的是JF-P32微型熱敏打印機，不僅體積小、打印迅速，并且還配有2種控制方式：一種是并行接口的TTL電平控制，另外一種是串行接口的232電平或TTL電平控制。在本系統(tǒng)中采用了串行接口的232電平。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用了C語言編程[8]，程序的編寫重點在于壓力傳感器對不同物品重量檢測的函數(shù)算法、藍(lán)牙程序設(shè)計和打印程序設(shè)計。系統(tǒng)首先對單片機的串口、中斷和顯示模塊發(fā)出初始化，并不斷對單片機的各模塊接口電路的I/O口循環(huán)發(fā)出檢測，每當(dāng)檢測到壓力傳感器有測量信息時，就將測量到的數(shù)據(jù)提交處理，并在顯示函數(shù)再次展開計算，然后再分有線和藍(lán)牙兩種途徑給出顯示，最終會通過按鍵控制打印。主程序流程具體如圖7所示。

圖7 主程序流程圖Fig. 7 Main program flow chart

4 系統(tǒng)測試

用10個100 g的砝碼構(gòu)成一組，并代替不同的重物來進(jìn)行測試。準(zhǔn)備就緒后，分別向稱臺上擱置數(shù)目不同的砝碼，讀取稱量值，并記錄下來。測量都會存在誤差，測量結(jié)果見表1。由表1測量數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)最大相對誤差小于0.2%。

表1 系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)表Tab. 1 System measurement data sheet

5 結(jié)束語

本文將STC89C58RD+單片機、HC-05藍(lán)牙模塊、HX711壓力傳感器結(jié)合在一起設(shè)計推出了一種高精度的電子秤系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)超市電子秤智能化，具有一定的推廣價值。

[1] 吳瑋瑋. 基于單片機的電子秤系統(tǒng)設(shè)計[J]. 機械與電子，2016,34(5):46-48,54.

[2] 佟瑩欣. 遠(yuǎn)距離高精度電子秤設(shè)計[J]. 遼寧科技學(xué)院學(xué)報，2006，8(3)：16-17.

[3] 殷金元. 基于單片機設(shè)計的多功能電子秤[J]. 無線互聯(lián)科技，2017(19)：68-69.

[4] 羅及紅. 一種高精度的電子秤設(shè)計[J]. 計算機測量與控制，2010,18(8)：1955-1958.

[5] 黃俊梅. 基于單片機教學(xué)和實訓(xùn)應(yīng)用的電子秤的設(shè)計[J]. 內(nèi)燃機與配件，2016(9):153-155.

[6] 武世卿. 電阻應(yīng)變式傳感器原理及故障分析[J]. 中國科技縱橫，2015(21):56.

[7] 何毅. MCS-51單片微機型電子秤[J]. 建設(shè)機械技術(shù)與管理，1999(6):17-19.

[8] 馬宏坤. 51系列單片機C語言應(yīng)用[J]. 工業(yè)控制計算機，2016(1):132-134，139.

[9] 劉美娟，張琦，穆遠(yuǎn)威. 基于HX711的高精度電子秤的設(shè)計[J]. 信息通信，2017(1):142-144.

[10]胡美嬌，高美春. 基于24位A/D轉(zhuǎn)換的高精度電子秤的設(shè)計[J]. 現(xiàn)代計算機(專業(yè)版)，2013(11中):61-63，68.