王勝楠

（鄭州技師學(xué)院，河南 鄭州 450001）

當(dāng)下，得益于電子技術(shù)的不斷發(fā)展，生活中不斷出現(xiàn)各種測(cè)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(wú)論是賣(mài)家還是買(mǎi)家，購(gòu)物時(shí)都需要用電子秤來(lái)稱(chēng)量商品的質(zhì)量。然而，大量程的電子秤成本高、放置空間大、不易搬運(yùn)，無(wú)法適應(yīng)人工智能的發(fā)展?；诖?，筆者開(kāi)發(fā)出一種基于自制的AT89C51 單片機(jī)和全橋壓力傳感器等硬件的微型電子秤。該電子秤測(cè)量方便且精度高、簡(jiǎn)易、實(shí)用并具有極廣的適用范圍[2]。

1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要以AT89C51 單片機(jī)為主，并配有全橋傳感器、HX711、UART、單片機(jī)復(fù)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(chē)衡、軌道衡等裝置上的專(zhuān)用傳感器；HX711 是一款專(zhuān)為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的24 位A/D 轉(zhuǎn)換器芯片；UART 是一種通用串行數(shù)據(jù)總線(xiàn)，用于異步通信；單片機(jī)復(fù)位電路是一種用來(lái)使電路恢復(fù)到起始狀態(tài)的電路設(shè)備，其操作原理與計(jì)算器有著異曲同工之妙。總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)

2 設(shè)計(jì)方案及工作原理

2.1 設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)電子秤只是基于單片機(jī)將物品的質(zhì)量、分度值等其他信息顯示到顯示屏上，本文是基于UART，根據(jù)電子秤硬件設(shè)計(jì)和工作原理，編寫(xiě)出與硬件兼容的軟件系統(tǒng)。采用該軟件系統(tǒng)，電子秤可將測(cè)得的質(zhì)量數(shù)據(jù)通過(guò)AT89C51 單片機(jī)同步傳送給計(jì)算機(jī)、票據(jù)打印機(jī)生產(chǎn)廠商設(shè)計(jì)的打印系統(tǒng)以及其他需要同步獲得物體質(zhì)量的系統(tǒng)等。本軟件系統(tǒng)采用模塊化集成設(shè)計(jì)，用戶(hù)操作簡(jiǎn)便、系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間短、響應(yīng)速度快。本設(shè)計(jì)的整體方案如圖2 所示。

圖2 總體方案設(shè)計(jì)

2.2 工作原理

本文開(kāi)發(fā)的同步系統(tǒng)的各種用戶(hù)是唯一的參與者，參與者通過(guò)使用事件與系統(tǒng)進(jìn)行交互，所有的使用事件綜合起來(lái)即構(gòu)成了用戶(hù)的功能需求。用戶(hù)可將所要稱(chēng)量的物品放置于電子秤秤盤(pán)上，即系統(tǒng)的輸入量[3]。軟件系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)秤盤(pán)上是否有物品放置，當(dāng)檢測(cè)到有物品時(shí)，開(kāi)始對(duì)物品的實(shí)際質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量。系統(tǒng)將3 次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，3 次測(cè)量結(jié)果一致時(shí)，基于全橋壓力傳感器制作的電子秤將測(cè)重?cái)?shù)據(jù)通過(guò)HX711 模塊發(fā)送給AT89C51 單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)其UART 串口通訊將側(cè)重?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)或其他需要物品質(zhì)量數(shù)據(jù)的第三方系統(tǒng)進(jìn)行處理[4]。

3 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包含電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、圖像采集模塊、微控制器STC89C52 等。電子秤同步系統(tǒng)硬件總體流程如圖3 所示。

圖3 硬件總體流程圖

單片機(jī)STC89C52RC 的作用主要是處理HX711芯片傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后通過(guò)UART 串口通信將處理過(guò)后的信息傳輸?shù)絇C 端。PC 端主要接收單片機(jī)傳輸?shù)馁|(zhì)量信息，然后對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)整合處理，輸出客戶(hù)需求的詳細(xì)信息。

3.1 單片機(jī)模塊

本文所選的單片機(jī)為STC89C52 單片機(jī)如圖4 所示，具有8 K 字節(jié)系統(tǒng)并且其存儲(chǔ)區(qū)域可以編程和檫除，本單片機(jī)操作簡(jiǎn)單，具有高度集成技術(shù)，可以通過(guò)串口通信傳輸數(shù)據(jù)，計(jì)算速率較快，相對(duì)于其他微處理器不僅經(jīng)濟(jì)，且利用率高，除此之外還具有定時(shí)功能和計(jì)數(shù)功能，完全能夠滿(mǎn)足本文電子秤測(cè)重?cái)?shù)據(jù)同步傳送系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)要求。

圖4 STC89C52RC 單片機(jī)

3.2 電源模塊

電子秤測(cè)重同步數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到多個(gè)硬件模塊，每個(gè)模塊都需要電源的支撐。因?yàn)殡娮映酉到y(tǒng)一般用在居民樓用電，一般選用交流220 V 電壓，然后通過(guò)變壓模塊將電壓轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是利用HX711 芯片和傳感器結(jié)合進(jìn)行采集信息，然后對(duì)其進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后整合數(shù)字信號(hào)發(fā)送給處理器單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

傳感器的種類(lèi)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(yīng)變式稱(chēng)重傳感器，如圖6 所示，傳感器表面硅橡膠具有化學(xué)穩(wěn)定性，使輸出的電信號(hào)更加具有穩(wěn)定性；信號(hào)線(xiàn)內(nèi)又置鍍銀屏蔽線(xiàn)，防止各種高頻無(wú)線(xiàn)電波等干擾，彌補(bǔ)了穩(wěn)定性差、抗干擾能力差等缺點(diǎn)。

圖6 稱(chēng)重傳感器

目前較流行的A/D 轉(zhuǎn)換芯片有TM7711、HX711和HX712，經(jīng)分析對(duì)比后，TM7711 主要用在溫度、濕度等模糊量的轉(zhuǎn)換，HX711 和HX712 轉(zhuǎn)換器都作為一款24 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片，都是針對(duì)體積小和精確度高的稱(chēng)重傳感器而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的。它們讀數(shù)據(jù)部分都差不多，只是HX712 只能讀一個(gè)傳感器，而且?guī)щ姵貦z測(cè)，僅適合低功耗的產(chǎn)品，沒(méi)有HX711 的應(yīng)用范圍廣。因此，本設(shè)計(jì)選用HX711 作為A/D 轉(zhuǎn)換器。HX711內(nèi)部方框圖如圖7 所示。

圖7 HX711 內(nèi)部方框圖

3.4 UART 串口模塊

UART 是本設(shè)計(jì)重要的硬件系統(tǒng)，由3 根線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，第一根是用作發(fā)送數(shù)據(jù)信息的TXD 線(xiàn)口，第二根是用作接收數(shù)據(jù)信息的RXD 線(xiàn)口，第三根是用作連接大地的線(xiàn)口。在本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，總共用到了2 個(gè)UART 串口模塊，第一個(gè)是稱(chēng)重傳感器與A/D轉(zhuǎn)換芯片HX711 之間通過(guò)UART 串口連接，第二個(gè)是A/D 轉(zhuǎn)換芯片，HX711 與單片機(jī)STC89C52RC 之間通過(guò)UART 串口連接。

4 系統(tǒng)功能

本文開(kāi)發(fā)的電子秤數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)主要有以下3 部分功能性要求：①本系統(tǒng)的稱(chēng)重?cái)?shù)值可精確到小數(shù)點(diǎn)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(tǒng)運(yùn)行于自制的AT89C51 單片機(jī)上，在系統(tǒng)開(kāi)始工作前，需將單片機(jī)冷啟動(dòng)；③本系統(tǒng)結(jié)合其硬件基礎(chǔ)，設(shè)置有復(fù)位電路，在系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)，用戶(hù)可以手動(dòng)按下復(fù)位按鈕，此時(shí)系統(tǒng)重啟，開(kāi)始重新對(duì)物品質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)開(kāi)發(fā)同步傳輸系統(tǒng)，在傳統(tǒng)電子秤的基礎(chǔ)上，增加了PC 端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過(guò)同步傳輸將傳感器傳輸信息以及商品種類(lèi)、價(jià)格等信息傳送到PC端，PC 端經(jīng)過(guò)程序處理，傳輸給打印系統(tǒng)，參與者只需將商品放置傳感器，通過(guò)查看打印信息即可獲得商品的質(zhì)量、種類(lèi)以及價(jià)格。滿(mǎn)足了無(wú)人超市散裝商品無(wú)法稱(chēng)重的要求，并且其效率及準(zhǔn)確率都有所提高。此系統(tǒng)若要滿(mǎn)足智能化無(wú)人超市需求，還有2 個(gè)問(wèn)題亟待解決：物品的種類(lèi)無(wú)法識(shí)別，需要提前輸入程序；現(xiàn)在傳感器的量程為0～10 kg，需要增加量程，才能針對(duì)不同的商品進(jìn)行稱(chēng)重。后續(xù)工作將結(jié)合這2 個(gè)問(wèn)題，提高電子秤的智能性。