1071
引言
在生活中，物品的質(zhì)量起到了決定性因素，通過測量質(zhì)量而決定它自身的價值。在古時，為了對數(shù)量的改變進(jìn)行估測，使用土制器具來對產(chǎn)品交換進(jìn)行估測。隨著時代的推移，秤也逐漸出現(xiàn)在世人的眼前。根據(jù)考古研究，最早出現(xiàn)的測量儀器出土于古埃及，而最早出現(xiàn)的等臂天平也來自埃及的一座古老墓穴中。秤是家家戶戶都能用到的工具，電子秤的發(fā)展，也意味著老式的秤落下了時代的帷幕。制作簡單、智能的電子秤無疑是人們的第一選擇，電子秤在市場方面也具有極大的市場價值。
本章通過介紹電子秤的發(fā)展歷程，闡述了簡易和智能化電子秤的意義，介紹了課題研究背景、電子秤技術(shù)等。
1 概述
1.1 課題背景
相對于傳統(tǒng)的計量設(shè)備，例如：吊秤、桿秤、臺秤、案秤、彈簧秤和托盤天平等，這些計量設(shè)備都具有很高的計量效率，然而這類稱的計量精度都普遍不太高，并且隨著使用時間的加長，其使用起來也極其不穩(wěn)定。因此，設(shè)計一款基于單片機(jī)的電子秤，在滿足計量要求并且計量精度高的應(yīng)用需要的同時，增加超重報警、去皮、計算總物品的重量和價格，可以滿足使用者日常的應(yīng)用需要，也可以提高工作效率。
1.2 電子秤發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
發(fā)展現(xiàn)狀：當(dāng)前電子秤的發(fā)展，電子秤被應(yīng)用于商業(yè)，工業(yè)等行業(yè)，如今，電子秤越來越多的應(yīng)用到數(shù)據(jù)計算中，使當(dāng)今的稱量工藝成為工業(yè)、物品運(yùn)輸、收貨業(yè)務(wù)和商業(yè)等方面中不可或缺的因素。
電子秤的種類多種多樣，而且還牽涉到交易結(jié)算和大量客戶的利益，因此成為了各個國家關(guān)注和重視的對象，并被稱為是各國強(qiáng)制管理的法定計量工具。電子秤是自動化稱重控制和貿(mào)易計量的重要手段，在加強(qiáng)各企管理、生產(chǎn)、貿(mào)易結(jié)算，運(yùn)輸、貿(mào)易和研究方面都起到了決定性因素。
發(fā)展趨勢：當(dāng)前的電子秤發(fā)展現(xiàn)狀隨著科技的不斷進(jìn)步，人們也逐漸取代了以往老式的秤，如今的電子秤是由傳感器感應(yīng)，用儀器數(shù)字顯示的。電子秤是機(jī)械、電子、儀器的集合，具有多種功能可選、稱重質(zhì)量準(zhǔn)確、快速稱重、穩(wěn)定可靠等特性，代表了電子衡器的發(fā)展走向。電子秤屬于日用衡器，是勞動密集型產(chǎn)品。
2? 系統(tǒng)方案與功能指標(biāo)
2.1 系統(tǒng)方案
本系統(tǒng)采用STC89C52RC芯片為主要控制單元，并配有單片機(jī)最小系統(tǒng)，由復(fù)位模塊，晶振模塊，電源電路模塊，構(gòu)成了一個最小的主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)以4×4矩陣鍵盤作為基于單片機(jī)的電子秤系統(tǒng)的控制輸入模塊；以LCD12864液晶顯示模塊作為單片機(jī)為核心的電子秤系統(tǒng)輸出顯示模塊；5KG壓力傳感器作為基于單片機(jī)的電子秤系統(tǒng)的物品重量模擬量采集模塊；以HX711模塊作為AD模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，把讀取到的物品重量AD值傳給STC89C52RC芯片，再通過相關(guān)數(shù)據(jù)公式轉(zhuǎn)換，把物體的實際重量和物品數(shù)量總價通過LCD12864液晶顯示模塊顯示出來。基于單片機(jī)的電子秤系統(tǒng)的硬件設(shè)計圖如圖2-1所示。
圖 2-1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計框圖
2.2 任務(wù)指標(biāo)
- 電子秤稱量范圍：0g~5000g；電子秤分度值：1g-5000g；電子秤精度等級III級；
- 電子秤能測量物體質(zhì)量并可以通過顯示模塊顯示出來；
- 電子秤可以通過物體的單價計算出物體數(shù)量的總價格；
- 電子秤具備去皮功能，方便計算物體的實際重力；
3? 系統(tǒng)器件選型及參數(shù)介紹
3.1 主控芯片選擇
基于單片機(jī)的電子秤系統(tǒng)主控芯片采用的是STC公司研發(fā)的STC89C52RC直插40腳芯片。STC89C52RC芯片是STC公司研發(fā)的新一代小型單片機(jī)，其在軟件和硬件方面與MCS-51系列的單片機(jī)完全兼容，甚至更強(qiáng)，這類單片機(jī)將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，這個類型的單片機(jī)也抗干能力很強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸速率快，具備高性能的同時，其功耗也低，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一個性價比高的方案。
STC公司研發(fā)的STC89C52RC芯片特點(diǎn)：①52芯片可以在寬電源電壓2.7V~6V的電壓范圍內(nèi)工作，以及可以在寬溫度環(huán)境-40°C~85°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行工作；②52芯片可以處于全靜態(tài)工作模式，可以工作在0Hz~24Hz之間的頻率范圍；③52芯片在指令系統(tǒng)和管腳方面與MCS-51系列的微處理器之間具有很好的一致性，這就意味著MCS-51系列的微處理器可以在52芯片中直接使用；⑤52芯片支持可以三級加密的程序存儲器；⑥52芯片不支持ALE輸出；⑦52芯片具有電流保護(hù)功能，能夠在4kv范圍內(nèi)對脈沖進(jìn)行干涉。
STC公司研發(fā)的STC89C52RC芯片同時也具備非常豐富的資源：①STC89C52RC芯片內(nèi)部擁有128×8位的RAM；②STC89C52RC芯片擁有32個可以支持雙向輸入輸出的串行引腳（P0、P1、P2和P3的8位I/O端口。P0端口有三態(tài)，分別是：高阻，高電平，低電平。P1端口是專門供使用者使用的端口，是一個準(zhǔn)雙向端口；當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展時，P2端口是STC89C52RC芯片的高8位，不做外部擴(kuò)展時，也是準(zhǔn)雙向口；③STC89C52RC芯片擁有兩個16位的定時器和兩個16位的計數(shù)器；④STC89C52RC芯片擁有5個中斷源，兩級中斷優(yōu)先級；⑤STC89C52芯片具有異步通信接口等多種資源，支持全雙工。
因此，STC89C52單片機(jī)芯片成為了以MCU為核心的電子秤系統(tǒng)的主要控制芯片。STC89C52RC直插芯片實物圖如3-1所示。
3.2 顯示模塊選擇
根據(jù)自己目前所了解的相關(guān)電子元器件初步認(rèn)為以下兩種的顯示方案適合作為基于單片機(jī)的電子秤系統(tǒng)的顯示模塊：
方案1：
使用MAX7219數(shù)碼管顯示模塊作為基于單片機(jī)的電子秤系統(tǒng)輸出顯示模塊，MAX7219數(shù)碼管顯示模塊是一種已集成的驅(qū)動器，LED驅(qū)動通過3線串行傳輸數(shù)據(jù)，可與 MCU直接相連，使用者可輕松調(diào)整其內(nèi)部參數(shù)，完成多個LED顯示。整個MAX7219數(shù)碼管顯示模塊的四線串行接口可以級聯(lián)多個MAX7219數(shù)碼管顯示模塊，達(dá)到多個數(shù)碼管同時使用還不占用芯片資源的好處。
MAX7219數(shù)碼管顯示模塊可以工作在0°C~70°C的溫度范圍。MAX7219數(shù)碼管顯示模塊實物圖如圖3-2所示。
方案2：
LCD1602芯片使用方法都是相同的，LCD顯示作為基于單片機(jī)的電子秤系統(tǒng)輸出顯示模塊，LCD1602液晶顯示模塊作為各類單片機(jī)實物設(shè)計的常用顯示屏，是一種專門用于顯示單元、字母和符號等的顯示屏，LCD1602表示LCD能顯示的內(nèi)容為16×2，也就是說顯示模塊可以顯示兩行字符，每一行字符可以顯示16個字符；LCD1602的LCD模塊的讀寫操作、顯示屏和光標(biāo)操作均由程序控制（1表示高，0表示低）。
LCD1602液晶模塊實物如圖3-3所示。
方案3：
使用LCD12864液晶顯示模塊作為基于單片機(jī)的電子秤系統(tǒng)輸出顯示模塊，LCD12864液晶顯示模塊和LCD1602液晶顯示模塊一樣是各類單片機(jī)實物設(shè)計的常用顯示屏。LCD12864液晶顯示模塊也是點(diǎn)陣式液晶顯示模塊，其由12864個液晶顯示點(diǎn)組成一個128列×64行的陣列，每一個點(diǎn)都對應(yīng)這一個二進(jìn)制數(shù)。
LCD12864液晶顯示模塊的各項參數(shù)：其工作電壓在+3.3V~+5.5V之間；顯示分辨率為128×64點(diǎn)；LCD12864液晶顯示模塊內(nèi)部自帶漢字字庫，提供8192個16×16的點(diǎn)陣漢字（支持繁體字）；LCD12864液晶模塊內(nèi)部存在128個16×8點(diǎn)陣字符；LCD12864液晶顯示模塊支持的時鐘頻率可達(dá)2MHz；LCD12864液晶顯示模塊支持STN、半透和正顯等顯示方式；支持1/32DUTY和1/5BIAS驅(qū)動方式；LCD12864液晶顯示模塊支持串行和并行等通信方式。LCD12864液晶顯示模塊實物如圖3-4所示。
最后，通過三個方案的顯示模塊進(jìn)行對比，MAX7219 數(shù)碼管顯示模塊只能顯示數(shù)字、一些常用的字母以及個別字符；LCD1602液晶顯示模塊可以顯示大多數(shù)的數(shù)字、字母和符號等；LCD12864液晶顯示模塊可以顯示數(shù)字、字母和中文。結(jié)合實際并結(jié)合自身的能力，從性價比和使用角度考慮，認(rèn)為LCD12864液晶顯示模塊更適合當(dāng)前基于單片機(jī)的電子秤系統(tǒng)課題的需要，并且LCD12864液晶顯示模塊可以顯示16×8的字符，也能更好的滿足電子制作者的需求，所以基于單片機(jī)的電子秤系統(tǒng)選用LCD12864液晶顯示模塊作為輸出顯示模塊。
3.3 壓力傳感器
對于基于單片機(jī)的電子秤系統(tǒng)的重力測量方案，通過查資料和相關(guān)文獻(xiàn)了解了壓力傳感器，基于單片機(jī)的電子秤系統(tǒng)采用的是5Kg的壓力傳感器。基于單片機(jī)的電子秤系統(tǒng)使用的是5Kg的壓力傳感器的支架直徑為10cm，直徑包含托盤直徑；5Kg的壓力傳感器的電壓為3.3V或5V；最大量程可達(dá)5Kg。所使用的壓力傳感器體積小，重量也很輕，結(jié)構(gòu)也簡單，使用也十分可靠。5Kg的壓力傳感器實物如圖3-5所示。
3.4 AD采集模塊選擇
對于基于單片機(jī)的電子秤系統(tǒng)的重力AD數(shù)據(jù)采集方案，通過查資料和相關(guān)文獻(xiàn)了解了，基于單片機(jī)的電子秤系統(tǒng)采用的是與5Kg的壓力傳感器相配套的HX711模塊。
HX711芯片是一款由海芯科技研發(fā)的專為電子稱而設(shè)計的高精度的24位A/D轉(zhuǎn)換芯片。HX711模塊使用串口通訊線是由SCK引腳和DT引腳組成，其可以用來數(shù)據(jù)輸出，同時也是用來選擇信號輸入通道和增益大小的引腳，例如當(dāng)DT引腳使能為高電平時，說明模塊的A/D轉(zhuǎn)換器還未準(zhǔn)備好輸出數(shù)據(jù)等。HX711模塊集成了穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等芯片需要的外圍電路，相對于其他同類型的模塊，HX711芯片提供了可以提高整個系統(tǒng)的性能和可靠性。
HX711模塊的重要電氣參數(shù)：①HX711模塊的滿額度差分輸入范圍為：±0.5V；②輸入共模電壓范圍在AGND+1.2V，AVDD-1.3V；③輸出的數(shù)據(jù)二進(jìn)制補(bǔ)碼編碼在800000~7FFFFF之內(nèi)；④模塊輸入共模信號的抑制比是100 dB；⑤輸出參考電壓為1.25V。
HX711模塊的特點(diǎn)：①HX711模塊可以選擇兩路差分輸入；②HX711模塊由片內(nèi)低噪聲可編程放大器，可選增益有32、64和128；③HX711模塊內(nèi)部的穩(wěn)壓電路可以直接向外部傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器提供電源；④片內(nèi)的時鐘振蕩器無需任何外接電器，必要時也可以接外部時鐘；⑤HX711模塊上電自動復(fù)位；⑥HX711模塊支持10Hz或者60Hz的輸出數(shù)據(jù)速率；⑦HX711模塊可以同步抑制50Hz和60Hz的電源干擾；⑧HX711模塊可以工作在2.6V~5.5V的電壓范圍和-40°C~+85°C的溫度范圍。
HX711模塊實物圖如圖3-6所示。
圖 3-6 HX711模塊實物圖
4? 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
4.1 主控系統(tǒng)電路
主控電路由STC89C52RC直插芯片、DC-5V開關(guān)電路、電源指示燈模塊、復(fù)位電路、起振電路組成一個最小系統(tǒng)。復(fù)位電路采用了一個10K直插電阻和一個10uF的鋁電解電容，由此可以計算出系統(tǒng)的復(fù)位時間為T=RC=10ms；起振電路采用的是12MHz的晶振芯片和兩個30pF的獨(dú)石電容組成，選擇晶振12MHz是因為其能夠準(zhǔn)確的劃分時鐘頻率，與串口通信的波特率有很大的關(guān)系，其參數(shù)對于較高的波特率計算比較準(zhǔn)確，12MHz晶振對于STC89C52RC芯片的定時器來說也有很大的影響，因為用其計算的的定時器初值都是整數(shù)的，如果使用12MHz的晶振，對于波特率的計算和定時器的初值計算都存在一定的變差，但是在誤差范圍內(nèi)；同時電源指示燈是用來提示整個主控系統(tǒng)有沒有正常工作，以及獨(dú)立的程序燒寫接口，方便在編程過程中對系統(tǒng)程序進(jìn)行燒寫和擦除；DC-5V開關(guān)電路使用一個DC-5V電源接口，再接一個開關(guān)作為系統(tǒng)的電源開關(guān)，用以控制整個系統(tǒng)的電源輸入，方便使用前后的斷電和上電。主控系統(tǒng)電路如圖4-1所 示。
圖 4-1 主控系統(tǒng)電路圖
4.2 AD采集電路
AD采集電路使用的是5Kg壓力傳感器和5Kg壓力傳感器相配套的HX711模塊，HX711模塊使用串行的方式和STC89C52RC單片機(jī)進(jìn)行通信和連接。STC89C52RC單片機(jī)通過給HX711模塊時鐘信號，HX711模塊收到信號就會正常工作，當(dāng)給5Kg壓力傳感器放上一定重量的物品，傳感器采集的模擬量傳給HX711模塊，HX711模塊內(nèi)部的放大電路會把采集到的模擬量進(jìn)一步放大，再放大的模擬量進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換得到AD值，HX711模塊利用數(shù)據(jù)線把AD數(shù)值傳給STC89C52RC芯片，STC89C52RC芯片把讀取到的AD值在內(nèi)部利用轉(zhuǎn)換公式再把AD值進(jìn)行重量轉(zhuǎn)換就可以到得物品的實際重量。
AD采集電路連接電路如圖4-2所示。
圖 4-2 AD采集電路連接電路圖
4.3 矩陣鍵盤電路
矩陣鍵盤電路采用的是4×4矩陣鍵盤，通過并行與STC89C52RC芯片的P3端口進(jìn)行連接，STC89C52RC芯片內(nèi)部一直使用端口電平進(jìn)行列/行掃描就能讀取那個按鍵按下。使用4×4矩陣鍵盤是因為可以使用多個按鍵設(shè)定不同的功能，方便可以輸入不同的數(shù)值和實現(xiàn)不同的按鍵功能。4×4矩陣鍵盤連接電路如圖4-3所示。
圖 4-3 4×4矩陣鍵盤連接電路圖
4.4 LCD12864顯示電路
LCD12864液晶顯示模塊采用總線并行方式與STC89C52RC單片機(jī)通信。通過分析LCD12864液晶顯示模塊讀寫操作時序圖，寫指令時只要單片機(jī)給LCD12864液晶顯示模塊的RS端使能高電平、RW和EN端使能為低電平，就可以把指令數(shù)據(jù)送到D0~D7；寫數(shù)據(jù)時；寫數(shù)據(jù)時：LCD12864液晶顯示模塊的RS、RW和EN都要使能為低電平，就可以把數(shù)據(jù)送到D0~D7用以顯示出來。同時要給LCD12864液晶顯示模塊的對比度
引腳接上一個電位器，用于調(diào)節(jié)液晶顯示器對比度。12864顯示連接電路如4-4所示。
圖 4-4 LCD12864顯示連接電路圖
部分程序展示：
#include<reg52.h>
#include<lcd12864.H>
#include<HX711.h>
#include<KEY.h>
#include<math.h>
#include<stdio.h>
#define MAX 3???????? 宏定義，單價最大輸入3位數(shù)
sbit led=P3^2; 超重指示燈
uchar key;?????? 儲存按鍵值
double price=0;????? 儲存0時單價
double prices=0;????? 儲存最終單價
double pricess=0;??? 儲存最終總價
bit price_f=0;?????? 記錄輸入單價標(biāo)志
bit price_w=0;? ?????記錄輸入單價完成標(biāo)志
bit dian_f=0;???????? 小數(shù)單價標(biāo)志
bit dian_w=0;
uchar n=0;
uchar z_s[9]="??????? ?";
uchar wei=0;
void clear_data()
{
uchar i;
for(i=wei;i<8;i++)
z_s[i]=' ';
}
/********************************************************
void fixed_display()
{
LCD12864_display_string(0,1,"重量: ");
LCD12864_display_string(0,2,"單價: 0 ");
LCD12864_display_string(0,3,"總價: ");
LCD12864_display_string(0,4,"合計: ");
LCD12864_display_string(7,1,"g ");
LCD12864_image3216(6,2,ASI);
LCD12864_display_string(7,3,"元");
LCD12864_display_string(7,4,"元");
}
void chuli()
{
if(key<=9)//判斷當(dāng)前按下是否為0~9的數(shù)字鍵
{
if((price_f==1&&price_w==0&&n<MAX)||(dian_f==1&&dian_w==0))
{
if(dian_f==0)
{
if(price==0)
{
price=key;
n=1;
}
else
{
price=price*10+key;
n++;
}
if(n==MAX)
price_w=1;
}
else
{
price=price+(float)key/10;
dian_w=1;
price_w=1;
}
}
}
if(key=='.')
{
if(price_f==1&&dian_f==0)
dian_f=1;
}
if(key=='Q')
{
if(price_f==0)
init_val=fil(3);
}
if(key=='D')
{
price_f=1;
LCD12864_display_string(3,2,"??????? ");
}
if(key=='T')
{
if(price_f==1&&price!=0)
{
if(dian_f==1)
{
price_w=0;
dian_w=0;
dian_f=0;
price=(ulong)price;
LCD12864_display_string(3,2,"??????? ");
}
else
{
n--;
price_w=0;
price=(ulong)price/10;
LCD12864_display_string(3,2,"??????? ");
}
}
else
if(price_f==0)
{
prices=0;
LCD12864_display_string(3,2,"??????? ");
pricess=0;
LCD12864_display_string(3,4,"??????? ");
}
}
if(key=='C')
{
if(price_f==0&&value<=10000)
{
pricess+=(double)value/1000*prices;
wei=sprintf(z_s,"%0.1f",(double)pricess);
clear_data();
LCD12864_display_string(3,4,z_s);
}
}
if(key=='=')
{
if(price_f==1)
{
prices=price;
price_f=0;
price=0;
n=0;
price_w=0;
dian_f=0;
dian_w=0;
}
}
}
void main()
{
LCD12864_init();
LCD12864_display_string(0,2,"歡迎使用電子秤. ");
init_val=fil(30);
while(ii>=8000)
{
LCD12864_clear12864();
LCD12864_display_string(2,1,"☆警告☆");
LCD12864_display_string(1,2,"未檢測到模塊");
LCD12864_display_string(0,3,"關(guān)閉電源后檢測下");
LCD12864_display_string(0,4,"HX711 是否插接好");
}
init_val=fil(10);? 調(diào)用一個fil函數(shù)，給了個參數(shù)值是10，給了個返回值，init_val
write_com(0x01);
LCD12864_clear12864();
fixed_display();
while(1)
{
if(price_f==0)
{
value=fil(3);
if(value<init_val)
value=(init_val-value)/357.53;
else
{
value=0;
led=1;
}
if(value<=5000)
{
led=1;
wei=sprintf(z_s,"%ld",(ulong)value);
clear_data();
LCD12864_display_string(3,1,z_s);
wei=sprintf(z_s,"%0.1f",(double)value/1000*prices);
clear_data();
LCD12864_display_string(3,3,z_s);
}
else
{
led=0;
LCD12864_display_string(3,1,"超重??? ");
}
}
key=keyscan()
if(key!=0xff)
{
chuli();
if(price_f==1)
{
if(dian_f==1)
{
wei=sprintf(z_s,"%0.1f",price);
clear_data();
LCD12864_display_string(3,2,z_s);
LCD12864_clear3216(6,2);
}
else
{
wei=sprintf(z_s,"%ld",(ulong)price);
clear_data();
LCD12864_display_string(3,2,z_s);
LCD12864_clear3216(6,2);
}
}
else
{
wei=sprintf(z_s,"%0.1f",prices);
clear_data();
LCD12864_display_string(3,2,z_s);
LCD12864_image3216(6,2,ASI);
}
}
}
}
需要完整資料可在我的資源里下載，內(nèi)容包括：
可以加入我的紛傳圈子，里面有資源壓縮包的百度網(wǎng)盤下載地址及提取碼。
紛傳點(diǎn)擊用微信打開即可，過程有點(diǎn)繁瑣請見諒。
下載ECAD模型
