梁芳芳

廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510520

隨著社會(huì)的發(fā)展及科學(xué)的進(jìn)步，早期傳統(tǒng)純機(jī)械結(jié)構(gòu)的單一計(jì)重秤已無(wú)法滿足現(xiàn)代社會(huì)的需求。精度高，成本低，操作簡(jiǎn)單，容易識(shí)別，計(jì)重和計(jì)價(jià)集于一身，既能精確、快速直觀顯示結(jié)果，同時(shí)還能將最終結(jié)果實(shí)時(shí)傳送到指定目的地的新一代智能電子秤成為秤的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)此，文章開(kāi)展了基于Wi-Fi技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和高精度的24位模數(shù)（AD）轉(zhuǎn)換器HX711智能遠(yuǎn)程監(jiān)控等多功能電子秤的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

文章所設(shè)計(jì)的智能電子秤主要是通過(guò)壓力傳感器模塊將物體的重量信息轉(zhuǎn)換成模擬的電信號(hào)，并將模擬電信號(hào)傳送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行抽樣、量化、編碼轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)MCU傳遞到LCD液晶顯示屏、藍(lán)牙模塊、構(gòu)成RS232接口或者USB接口的串口模塊等各個(gè)終端。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 壓力傳感器的選擇

壓力傳感器采用的是電阻應(yīng)變式橋式電路，如圖2所示。其中，R1和R2是壓力應(yīng)變式電阻，當(dāng)應(yīng)變式電阻沒(méi)有受到外來(lái)力量的作用時(shí)，電阻值保持不變；但是當(dāng)物體放到秤體上時(shí)，應(yīng)變電阻感受到外來(lái)力量F的作用，應(yīng)變電阻會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，拉伸變形。設(shè)拉伸的長(zhǎng)度變化了ΔL，則應(yīng)變電阻的橫截面積會(huì)同時(shí)發(fā)生變化，即橫截面圓的半徑會(huì)減少，假設(shè)變化量為Δr。電阻率的計(jì)算公式如下：

圖2 電阻應(yīng)變式橋式電路

式中：ρ為電阻率；R為電阻值；S為橫截面積；L為長(zhǎng)度。

由公式（1）可知，電阻率是和構(gòu)成電阻材料的長(zhǎng)度成反比，和電阻材料的橫截面積成正比，當(dāng)應(yīng)變電阻受到外力F作用時(shí)，長(zhǎng)度L和橫截面積S都發(fā)生了相應(yīng)變化，則電阻率也會(huì)發(fā)生變化。這時(shí)電阻應(yīng)變式橋式電路則將電阻阻值的變化值轉(zhuǎn)換成電壓值，并輸出到模數(shù)（AD）轉(zhuǎn)換器。

1.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD）的選擇

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD）是多功能智能電子秤設(shè)計(jì)的關(guān)鍵核心部分?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的AD芯片（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）各式各樣，有并行接口的，有串行接口的，有快速轉(zhuǎn)換的，有慢速轉(zhuǎn)換的，有低分辨率的，有高分辨率的。根據(jù)秤的需求及使用特點(diǎn)，秤對(duì)于轉(zhuǎn)換速度要求不高，接口方式也沒(méi)有特別的要求，但是對(duì)于分辨率也就是稱重的精準(zhǔn)度有一定的要求，這也是電子秤設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。根據(jù)不同的量程，分辨率有不同的要求，而這個(gè)分辨率（精準(zhǔn)度）直接由所選擇芯片的位數(shù)來(lái)決定。由下列公式可以確定采樣的級(jí)數(shù)Q及位數(shù)k：

以量程為5kg、精度為0.1g的秤為例，說(shuō)明介紹AD芯片輸出的位數(shù)的選擇，經(jīng)過(guò)計(jì)算級(jí)數(shù)Q為5000÷0.1×10=500000， 由 218=262144 ＜ 500000 ＜ 524288=219， 模 數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD）的位數(shù)k的最小值為19，即電子秤所選擇的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出位數(shù)最小為19位，而實(shí)際中的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器沒(méi)有19位的，只有20位的、24位的、32位的等。經(jīng)過(guò)綜合考慮秤體的成本、接口要求、轉(zhuǎn)換速度的要求，選擇采用海芯科技集成電路專利技術(shù)的高精度24位模數(shù)（AD）轉(zhuǎn)換器HX711的芯片。HX711引腳圖如圖3所示。

圖3 HX711引腳圖

HX711為串口數(shù)據(jù)輸出總線型的模數(shù)（AD）轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部包含穩(wěn)壓電源、時(shí)鐘振蕩電路等其他類似芯片所必需的外圍電路，集成度高，響應(yīng)時(shí)間短，抗干擾能力強(qiáng)等。選擇該芯片可以降低智能電子秤的整機(jī)成本，對(duì)整機(jī)的可靠性有一定的保證。

芯片的主要特性如下：（1）有A通道和B通道兩路通道，其中A通道的增益有128或64，可根據(jù)需要進(jìn)行選擇，B通道的增益則固定為32，用于檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)；（2）輸出數(shù)據(jù)的速率也有10Hz和80Hz兩種；（3）時(shí)鐘振蕩器靈活，可選擇片內(nèi)的，也可以由外部提供；（4）從管腳輸入控制信號(hào)，不需要對(duì)內(nèi)部的寄存器進(jìn)行編程，可以簡(jiǎn)化整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程；（5）芯片內(nèi)部包含的穩(wěn)壓電源除了可以給自身提供電源，還可以給外部的傳感器供電，電壓范圍為2.6～5.5V；（6）上電時(shí)電路自動(dòng)復(fù)位；（7）滿額度差分輸出范圍V（inp）-V（inn）為±0.5（AVDD/GAIN）V。

1.4 MCU模塊及液晶顯示屏的選型

MCU系統(tǒng)的模塊采用的芯片型號(hào)為STC89C52，這個(gè)芯片是8位的CMOS微控制器，具有功耗低、性能高的特點(diǎn)，還可以為多數(shù)嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供解決方案。MCU引腳圖如圖4所示。

圖4 MCU引腳圖

液晶顯示屏選擇的是型號(hào)為L(zhǎng)CD1602的顯示屏，這個(gè)型號(hào)的顯示屏有兩種模式，一種是有背光16腳的接口，另一種是沒(méi)有背光的14腳的接口?；陔娮映拥墓ぷ鳝h(huán)境，文章采用了16腳接口的有背光的顯示屏。其中，“1602”是指所能顯示總的字符數(shù)，“02”是指顯示屏可以顯示兩行，“16”表達(dá)的是每行顯示16個(gè)字符，這個(gè)芯片每次總共可以顯示32個(gè)字符，因此也叫字符型液晶，這些字符可以是字母，也可以是數(shù)字或者其他符號(hào)，完全滿足多功能智能電子秤設(shè)計(jì)的需求。

1.5 接口模塊電路芯片的選型

由于現(xiàn)在使用的計(jì)算機(jī)有些不再配置DB9接口，為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間的通信，需要采用相關(guān)能夠?qū)CU傳送過(guò)來(lái)的TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換成PC機(jī)所能識(shí)別信號(hào)的芯片。這里接口模塊電路采用的芯片型號(hào)為CH340，引腳圖如圖5所示。這個(gè)芯片是一個(gè)USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，可以將MCU傳送過(guò)來(lái)的TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換成PC機(jī)所能識(shí)別信號(hào)的功能。

圖5 CH340引腳圖

CH340芯片的主要特性如下：（1）外圍器件增加晶體和電容，可以設(shè)計(jì)成全速USB設(shè)備接口并能向下兼容USB V2.0；（2）屬于仿真標(biāo)準(zhǔn)串口，通過(guò)外接相關(guān)的電平轉(zhuǎn)換設(shè)備，USB接口轉(zhuǎn)換成其他相對(duì)應(yīng)的接口，例如RS232、RS42等接口，可人為增加額外的串口；（3）不需要作任何修改，完全兼容PC機(jī)終端的操作系統(tǒng)下的串口應(yīng)用程序；（4）屬于硬件的全雙工串口，支持通信的波特速率為50～2×106bps；（5）CH340外加紅外收發(fā)器即可成為紅外線發(fā)射接收的適配器，實(shí)現(xiàn)SIR紅外線通信。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 HX711的外圍電路的工作原理

JC8接壓力傳感器，JC8端口1接AVDD，JC8端口2接GND，JC8端口3接HX711 7腳通道A的負(fù)輸入端INNA，JC8端口4接HX7118腳通道A的正輸入端INPA，JC8端口5接HX7119腳通道B的負(fù)輸入端INNB，JC8端口6接HX71110腳通道B的正輸入端INPB，JC9端口3接HX71112腳。DOUT對(duì)接單片機(jī)的16腳，JC9端口2接HX71111腳，PD_SCK對(duì)接單片機(jī)的17腳，JC9端口1接VCC，JC9端口4接地。通過(guò)HX711芯片將壓力信號(hào)（模擬信號(hào)）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)相對(duì)應(yīng)的11腳和12腳傳送到CPU。HX711外圍電路圖如圖6所示。

圖6 HX711外圍電路圖

2.2 液晶顯示屏電路的設(shè)計(jì)

CPU將HX711轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)CPU芯片的P00-P07這8個(gè)數(shù)據(jù)輸出端口傳送到LCD1602的DB0-DB7這8個(gè)數(shù)據(jù)輸入端，則智能電子秤的相關(guān)秤重信息就會(huì)一目了然地顯示在液晶顯示屏上，當(dāng)物體的重量超過(guò)限重時(shí)，還會(huì)發(fā)生報(bào)警提示。具體電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 液晶顯示電路設(shè)計(jì)圖

2.3 串口電路的設(shè)計(jì)

多功能智能電子秤設(shè)計(jì)的過(guò)程中，串口模塊的設(shè)計(jì)是多元化的，而且進(jìn)行了多個(gè)預(yù)留。主要是通過(guò)復(fù)接MCU的端口10和端口11輸出的TTL信號(hào)，設(shè)計(jì)多個(gè)接口電路，可以多方式地為用戶提供秤體稱重的相關(guān)信息。RS232接口的接口電路可以直接和PC機(jī)終端直接連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送；USB接口電路采用CH340芯片，可以方便下載或上傳數(shù)據(jù)，或者通過(guò)連接其他的轉(zhuǎn)接口實(shí)現(xiàn)其他接口功能，設(shè)計(jì)電路如圖8所示。Wi-Fi接口電路可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，在終端設(shè)備裝載相關(guān)的小程序，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控相關(guān)的信息，具體如圖9所示。多種接口電路的設(shè)計(jì)，使得智能電子秤可在不同的環(huán)境使用。

圖8 USB接口電路

圖9 Wi-Fi接口電路

3 軟件設(shè)計(jì)

多功能智能電子秤的軟件設(shè)計(jì)包括初始化模塊，讀取數(shù)據(jù)、標(biāo)定模塊，稱重模塊，設(shè)置模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、接口傳輸模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等。主程序流程圖如圖10所示。

圖10 主程序流程圖

3.1 主程序設(shè)計(jì)

3.2 HX711數(shù)模轉(zhuǎn)換函數(shù)，讀出結(jié)果

3.3 遠(yuǎn)程控制，通信協(xié)議設(shè)置函數(shù)

3.4 測(cè)試

為了檢測(cè)多功能電子秤功能，可以借助網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)秤體連接第三方路由器的Wi-Fi時(shí)，移動(dòng)終端和PC終端都可以通過(guò)秤體的Wi-Fi、第三方路由器的Wi-Fi接收秤重?cái)?shù)據(jù)，上傳數(shù)據(jù)即遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。PC終端實(shí)時(shí)監(jiān)控的稱重?cái)?shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，使得各種電子產(chǎn)品的功能越來(lái)越多樣化。文章通過(guò)結(jié)合HX711、CH340及STC89C52等芯片設(shè)計(jì)的智能電子秤，具有穩(wěn)定性好，多樣化、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，無(wú)論在超市，大型的農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)、農(nóng)作物的收購(gòu)等地方都適用，由于智能電子秤具有數(shù)據(jù)上傳，遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，在進(jìn)行垃級(jí)分類處理、醫(yī)療廢物處理、礦山（稀有金屬）開(kāi)采等場(chǎng)合也適用的，應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛。