左 蘭,肖 潔

（畢節(jié)市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所, 貴州 畢節(jié) 551700）

0 引 言

近年來(lái)，電子稱重系統(tǒng)發(fā)展迅速。隨著信息時(shí)代的到來(lái)，數(shù)字電子秤和數(shù)字稱重系統(tǒng)在各種高端系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。基于當(dāng)前數(shù)字電子稱在電子辦公天平的商業(yè)中廣泛應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的不足，設(shè)計(jì)出一款功能齊全、價(jià)格合理、應(yīng)用廣泛的智能化、人性化、可視化、LED 屏、藍(lán)牙語(yǔ)音播報(bào)功能的智能電子稱。不僅適用于大小型商超、物流設(shè)施、工廠等，而且普通家庭也可以使用，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要的作用。

1 研究?jī)?nèi)容

本設(shè)計(jì)以STC89C54 單片機(jī)為核心，應(yīng)用多模塊化組合設(shè)計(jì)法。設(shè)計(jì)出測(cè)量精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的電子秤。當(dāng)物體放在稱量平臺(tái)上，傳感器把物體質(zhì)量改變成內(nèi)部可傳輸信號(hào)，按照標(biāo)準(zhǔn)化流程，物體質(zhì)量信息電信號(hào)改變成內(nèi)部數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)放大電路把信號(hào)放大，讓信號(hào)能穩(wěn)定、高效傳輸，進(jìn)而通過(guò)單片機(jī)的處理對(duì)物體的質(zhì)量進(jìn)行分析、處理。按動(dòng)數(shù)字或者功能按鍵將外部指令反饋給控制中心，其他功能指令傳遞回控制中心，實(shí)現(xiàn)運(yùn)算顯示、超重報(bào)警、藍(lán)牙傳輸及語(yǔ)音播報(bào)功能。

2 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)方案是根據(jù)傳感器元器件受力變化發(fā)出模擬電信號(hào)，由于發(fā)出的信號(hào)不穩(wěn)定、容易受到干擾，用放大電路把它放大，放大之后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由微處理器識(shí)別、接受數(shù)字信號(hào)進(jìn)而處理，由微處理器在處理后輸出信號(hào)到顯示器進(jìn)行顯示。本設(shè)計(jì)的電子秤有20 個(gè)鍵盤按鈕，分別是數(shù)字按鍵0～9 以及具體功能按鍵，實(shí)現(xiàn)了賦價(jià)、總價(jià)累加、清除單價(jià)、去皮、時(shí)間設(shè)置、時(shí)間播報(bào)等功能。當(dāng)鍵盤按鍵被按下后，將信號(hào)傳入到CPU 中進(jìn)行運(yùn)算處理，將單價(jià)和總價(jià)信息顯示到液晶顯示屏上。除此之外，系統(tǒng)還具有過(guò)量報(bào)警裝置及藍(lán)牙傳輸模塊，當(dāng)物體超重后，蜂鳴器會(huì)報(bào)警；稱重信息會(huì)通過(guò)藍(lán)牙模塊傳送到手機(jī)APP 中進(jìn)行顯示，同時(shí)也可通過(guò)手機(jī)APP 端進(jìn)行實(shí)時(shí)操作控制。系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1。

圖1 電子秤結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)的總體思路

壓力傳感器感受到物體存在后輸出信號(hào)，通過(guò)引腳傳遞到放大電路中把信號(hào)放大，隨后發(fā)送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，把模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后微處理器進(jìn)行信號(hào)接收、分析、處理，進(jìn)而通過(guò)鍵盤按鍵發(fā)出命令送入到CPU 中，用程序發(fā)送到顯示器上達(dá)到顯示讀數(shù)效果。同時(shí)，也可以通過(guò)手機(jī)APP 端進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。如圖2 所示，系統(tǒng)硬件由單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、稱量傳感器設(shè)計(jì)、鍵盤輸入設(shè)計(jì)、液晶顯示電路、過(guò)載報(bào)警電路、語(yǔ)音播報(bào)電路、藍(lán)牙通信電路構(gòu)成。

圖2 硬件設(shè)計(jì)的總體思路

3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)作為主控制器設(shè)備，具有可靠性較高、操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的智能電子秤，需要完成程序書(shū)寫、燒錄，且能稱量。所以選擇可編譯化程度高、價(jià)格低廉的單片機(jī)——51 系列的單片機(jī)STC89C54 作為本次的系統(tǒng)核心。STC89C54 單片機(jī)是帶16 KB、具有高性能的CMOS8 位微處理器，1 280 B RAM 等。STC89C54 單片機(jī)具有內(nèi)存大、兼容性好、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。使用一個(gè)外部可切換電容和一個(gè)并聯(lián)晶體電路來(lái)作為內(nèi)部計(jì)時(shí)系統(tǒng)。在外部加上大于兩個(gè)機(jī)器周期的高電平給復(fù)位引腳Rst 直接就能復(fù)位。然后選擇鍵盤按鍵手動(dòng)復(fù)位，其中電平復(fù)位方法就是將電源及時(shí)鐘引腳和引導(dǎo)內(nèi)部復(fù)位程序這兩個(gè)引腳連接上就可以了,整個(gè)部分用外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3 傳感器與放大電路設(shè)計(jì)

選擇應(yīng)變式傳感器，工作原理是通過(guò)電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?，本設(shè)計(jì)用的是HX711 型號(hào)的電阻應(yīng)變式稱量傳感器。HX711 稱量傳感器配備了一個(gè)24 位A/D 轉(zhuǎn)換器。這個(gè)芯片具有高度的集成度、快速的響應(yīng)速度、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，這減少了開(kāi)發(fā)成本。這種設(shè)計(jì)的最大質(zhì)量約為8 kg，質(zhì)量公差不超過(guò)±0.001 kg，其稱量規(guī)模為10.000 kg。在本設(shè)計(jì)的電路中，HX711 稱量傳感器轉(zhuǎn)換的電信號(hào)特別弱，經(jīng)過(guò)電路的傳輸，造成損耗，導(dǎo)致信息傳輸出錯(cuò)。要求將這個(gè)信號(hào)擴(kuò)大。本設(shè)計(jì)選擇具有準(zhǔn)確度高，增益大INA128 型放大器加入到電路中，將信號(hào)擴(kuò)大。

3.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)接口電路

由于順序比較模數(shù)轉(zhuǎn)換方法具有高速和高分辨率的特點(diǎn)，而且采用這種方法的ADC 芯片成本較低，因此選擇了ADC0832 集成順序比較模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。正常情況下ADC0832 與單片機(jī)的接口應(yīng)為4 條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO 端與DI端在通信時(shí)未同時(shí)使用，且與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DO 和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當(dāng)ADC0832 未工作時(shí)其CS 輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將CS 端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端CLK輸入時(shí)鐘脈沖，DO/DI 端則使用DI 端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。

3.5 顯示電路與單片機(jī)接口電路

顯示模塊有兩種：LED 數(shù)碼管顯示和LCD 液晶。根據(jù)實(shí)物圖進(jìn)行對(duì)比后LCD 顯示模塊為最佳方案。選擇LCD 顯示，單個(gè)顯示模塊就可以完成足夠多的信息展示即雙行顯示，讓信息感知力更強(qiáng)，容易操作，所以選擇LCD1602 顯示器。LCD1602 與單片機(jī)的連接如圖3 所示。通過(guò)設(shè)計(jì)，LCD1602 能夠進(jìn)行雙行持續(xù)顯示，可顯示物品的質(zhì)量、單價(jià)、總額，同時(shí)也能顯示時(shí)鐘、日歷等。

圖3 單片機(jī)與LCD1602 接線圖

3.6 鍵盤電路與單片機(jī)接口電路

根據(jù)使用最多的功能鍵需要，確定有0～9 數(shù)字鍵盤、去皮、清除、累加等功能按鍵，共需設(shè)置21 個(gè)鍵和1 個(gè)附加的復(fù)位鍵。當(dāng)鍵盤有大量的按鍵時(shí)，為了減少I/O 端口的占用，通常將按鍵排列成矩陣式配置。在矩陣式鍵盤中，水平線和垂直線在交匯處不直接連接，而是通過(guò)按鍵連接。所選擇矩陣式鍵盤的具體按鍵功能如圖4 所示。要考慮鍵盤是否持續(xù)發(fā)出請(qǐng)求，如果持續(xù)發(fā)出請(qǐng)求就降低了CPU 利用效率，這樣是不符合設(shè)計(jì)規(guī)范的，所以就要使用中斷的工作方式，提高CPU 的利用效率。

圖4 鍵盤電路與單片機(jī)的連接圖

3.7 超重報(bào)警電路

超重報(bào)警電路子程序是由單片機(jī)的I/O 口控制信號(hào)發(fā)送，當(dāng)傳感器收到的信號(hào)大于10.000 kg 時(shí)，促使電路為高電平，三極管導(dǎo)通，音頻系統(tǒng)播放提示音“請(qǐng)注意”。超重報(bào)警電路如圖5 所示。這個(gè)設(shè)計(jì)是為了增加語(yǔ)音播報(bào)功能。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，為了增加智能電子秤的便利性和實(shí)用性，語(yǔ)音芯片必須提供至少10 位0～9 的數(shù)字，“點(diǎn)”的語(yǔ)音，質(zhì)量單位的語(yǔ)音，和數(shù)值的語(yǔ)音芯片所包含的語(yǔ)音內(nèi)容，確定本設(shè)計(jì)選用的單位為千克，設(shè)定語(yǔ)音播報(bào)形式為“單價(jià)XX，當(dāng)前質(zhì)量XX 千克，總價(jià)XX”。

圖5 報(bào)警電路圖

3.8 藍(lán)牙通信電路

本設(shè)計(jì)選用HC-05 的藍(lán)牙模塊，手機(jī)與單片機(jī)連接，從而達(dá)到與手機(jī)實(shí)時(shí)傳輸、控制、顯示等目的。需要將它連接于單片機(jī)的串行端口，如圖6 所示。

圖6 藍(lán)牙通信電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)部分應(yīng)用單片機(jī)C 語(yǔ)言進(jìn)行編寫，實(shí)現(xiàn)了該設(shè)計(jì)的所有控制功能。編程使用模塊化的編程方法，給予其良好的系統(tǒng)方案。本設(shè)計(jì)電子秤擁有基本的稱量功能（稱量范圍為0～10.000 kg，質(zhì)量誤差不大于±0.001 kg）, 可以顯示時(shí)間、計(jì)算價(jià)格、電子語(yǔ)音播報(bào)，同時(shí)通過(guò)藍(lán)牙傳輸模塊能夠在手機(jī)端實(shí)時(shí)查看質(zhì)量并且進(jìn)行相對(duì)應(yīng)控制，還具有超量預(yù)防報(bào)警功能。單片機(jī)系統(tǒng)按照程序控制規(guī)定的運(yùn)行方式運(yùn)行。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。初始化程序主要完成單片機(jī)專用寄存器的配置，并指定單片機(jī)的工作方式。

4.2 子程序的設(shè)計(jì)

在ADC0832 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，電源二極管CS電平被設(shè)置為低電平，并保持低電平，直到轉(zhuǎn)換完成。當(dāng)處理器向CLK 芯片發(fā)送一個(gè)輸入時(shí)鐘脈沖時(shí)，芯片開(kāi)始進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作，并通過(guò)DO 和DI 端子向DI 端子上的通道選擇器發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)。A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)和數(shù)據(jù)讀取用于啟動(dòng)后初始化ADC0832，并將來(lái)自稱量傳感器的放大模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并傳輸給微控制器。鍵盤電路采用4×5 矩陣鍵盤，共20 個(gè)鍵。主要包括:數(shù)字0～9 按鍵、確認(rèn)鍵、清除鍵、去皮鍵、計(jì)算鍵等。

液晶端顯示字符，首先將LCD 屏幕初始化，第一時(shí)間顯示weightprice，通過(guò)鍵盤輸入掃描，功能信號(hào)發(fā)出，調(diào)用鍵盤子程序輸出程序命令，實(shí)現(xiàn)LCD屏幕顯示，最后判斷清零鍵盤是否發(fā)出指令，程序完畢。這個(gè)子程序與兩組寄存器一起工作，使用40H地址的連續(xù)單元格存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，質(zhì)量×單價(jià)為總價(jià)，是正常的價(jià)格計(jì)算公式，數(shù)字系統(tǒng)在程序中進(jìn)行了兩次轉(zhuǎn)換，內(nèi)部需要用二進(jìn)制的重量計(jì)算單價(jià)。在子程序中設(shè)定的最大值為10.000 kg，當(dāng)LCD 屏幕上顯示數(shù)值時(shí)將與其進(jìn)行比較，從高位開(kāi)始逐一比對(duì)，若從高位值大于設(shè)定值，語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行播報(bào)提醒“請(qǐng)注意”。同理，若比對(duì)后高位值相等就看低位值，同理，語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行播報(bào)提醒“請(qǐng)注意”。這里設(shè)計(jì)的就是比較程序和一部分置1 清0 程序。

5 系統(tǒng)調(diào)試

5.1 軟件調(diào)試

Keil 支持51 臺(tái)串行單片機(jī)的仿真，從而通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)生成51 個(gè)十六進(jìn)制文件。Keil 編譯接口用于在編譯前模擬項(xiàng)目。通過(guò)使用Keil 首先進(jìn)行程序編譯，進(jìn)而逐步驗(yàn)證程序的可行性、兼容性，程序運(yùn)行無(wú)錯(cuò)誤，沒(méi)有錯(cuò)誤之后通過(guò)串口燒錄到STC89C54單片機(jī)中，從而將軟件程序功能呈現(xiàn)在硬件實(shí)物上。

5.2 硬件調(diào)試

根據(jù)本次設(shè)計(jì)需求進(jìn)行硬件調(diào)試。選擇標(biāo)準(zhǔn)100 g 砝碼作為稱量標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備通電后，LCD 屏幕第一時(shí)間進(jìn)行顯示為100 g，硬件調(diào)試測(cè)試通過(guò)。

將標(biāo)準(zhǔn)100 g 砝碼放在稱臺(tái)上穩(wěn)定后，觀察LCD 顯示屏第一時(shí)間顯示出物體質(zhì)量100 g，按下數(shù)字鍵盤“19”，顯示單價(jià)為19 元即總價(jià)為1.9 元;進(jìn)而測(cè)試播報(bào)功能，當(dāng)按下播報(bào)按鍵后，第一時(shí)間人聲播報(bào)“單價(jià)一十九點(diǎn)零，當(dāng)前質(zhì)量100 g，總價(jià)一點(diǎn)九”，硬件調(diào)試測(cè)試通過(guò)。

將標(biāo)準(zhǔn)20 g 砝碼放在稱臺(tái)上穩(wěn)定后，觀察LCD顯示屏是否第一時(shí)間顯示出物體質(zhì)量20 g，按下鍵盤上功能鍵“去皮”后，調(diào)轉(zhuǎn)回待機(jī)界面顯示日歷，當(dāng)再將標(biāo)準(zhǔn)100g 砝碼放置在稱重臺(tái)上時(shí)，LCD 液晶屏顯示80 g，硬件調(diào)試測(cè)試通過(guò)。

將標(biāo)準(zhǔn)100 g 砝碼放置在稱重臺(tái)上，設(shè)定常用價(jià)格4.4、10.0 后，按下常用價(jià)格按鍵后，商品單價(jià)第一時(shí)間跳轉(zhuǎn)到4.4，再次按下常用價(jià)格后，商品單價(jià)立即跳轉(zhuǎn)到10.0，硬件調(diào)試測(cè)試通過(guò)。本設(shè)計(jì)智能電子秤通電后，待機(jī)界面默認(rèn)時(shí)間日期顯示，走時(shí)精準(zhǔn)可靠，硬件測(cè)試通過(guò)。

打開(kāi)手機(jī)端APP 連接上藍(lán)牙傳輸模塊HC-05，建立連接后, 當(dāng)手機(jī)端鍵盤功能和硬件實(shí)物完全符合，同時(shí)也能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；將標(biāo)準(zhǔn)100 g 砝碼放在稱臺(tái)上穩(wěn)定后，看到手機(jī)端實(shí)時(shí)顯示質(zhì)量為100 g；按下手機(jī)界面數(shù)字鍵“12”，通過(guò)藍(lán)牙實(shí)時(shí)控制智能電子秤，并顯示單價(jià)：12.0 元/kg，金額：1.2 元，藍(lán)牙功能測(cè)試通過(guò)。

6 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以STC89C54 單片機(jī)為主要部件，系統(tǒng)硬件包括最小系統(tǒng)部分、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、顯示電路、鍵盤電路、語(yǔ)音輸出電路和電源電路。系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)了硬件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，最終質(zhì)量顯示在液晶顯示器上。設(shè)計(jì)出的電子秤的主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控、高測(cè)量精度、高速度顯示。此外，基于STC89C54 單片機(jī)開(kāi)發(fā)的電子秤符合國(guó)家要求，在精度和測(cè)量穩(wěn)定性方面，具有良好的校準(zhǔn)和校準(zhǔn)方法，性能穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。