单片机技术视角下智能电子秤的设计

唐朝栋

（云南水利水电职业学院 云南省富民县 650400）

随着社会不断进步，科技也越来越发达，常规的仪器和控制装置已经被更加先进的智能仪器所取代，也大大的提高了自动化的水平。秤运用在了生活中的很多领域，而在秤的应用中，已经出现了6种主要类型:称重天平，手臂平台秤，起重机秤，倾斜象限秤，弹簧秤和自动电子秤。电子天平应用的范围在不断的扩大，人们对电子天平的要求也在不断提高，为了满足人们对智能化设备的要求，必须对电子秤的设计进行优化，使其更加可靠、准确、便携。

20世纪以来电子秤被广泛运用于各领域。台式电子秤反应灵敏、功能多、使用方便，但它体积大、产品质量不高、携带不便而且适用场合也有局限性，为了提高质量并且完善电子秤的功能，本文提出了一种智能电子秤。

1 单片机介绍

单片机(Single-Chip Microcomputer)是一种集成电路芯片，内部集成了中央处理器等很多部件，加之众多外围部件和功能元件，从而形成一个完善的微机系统，广泛用于工业控制领域。它它具备许多优点：重量轻、体积小、价格低，为学习、应用和开发都提供了有利条件。

1.1 单片机的应用场景

单片机在电子技术行业中随处可见，单片机的发展从某种程度上就代表了电子技术行业的发展，它的应用可以在以下几个方面得以表现：

1.1.1 节能控制

单片机可以通过智能电子设备所收集的数据，推断当前设备处于低负载状态，通过负载的状态调节电压和电流的输出，使设备更加节能。此外单片机还可以控制能耗的节奏，例如在智能手环里的应用。

1.1.2 智能语音控制

人们可以通过自己的语言实现语音人机交互。在软件设计时，单片机可以先进行逻辑处理分析，随后运行智能语音处理。例如智能导航系统中可以对司机的语音处理，通过提取有效信息实现控制。而在硬件设计方面单片机技术也可以用来提高硬件响应时间。

1.1.3 报警控制

当外部环境达到限制要求时，警报装置会被触发，在一些工厂里，较大的电子设备在进行工作时，如果周围的环境不适宜，或者设备自身运行不正常，就会发出报警，提醒设备维护人员及时处理以避免危险。

1.1.4 医疗设备

在现代医学中，仪器的发展在很大程度上决定了医疗的发展，而单片机在此领域里也获得了普遍的应用。它可以实时监视患者的身体特征数据并分析数据信息，当数据出现异常时，可以提醒医护人员及时处理，更加清楚地了解患者的健康状况。

1.2 单片机的发展前景

在当前的技术时代，人们越来越关注智能电子产品，而单片机也是此领域里不可或缺的一部分。单片机的发展进入了一个崭新的时代，在自动测量和智能仪表的实践中都可以看到单片机的技术。智能电子产品越来越多，人们的需求推动了智能电子产品的更新和发展，比如智能家居等领域，也投入使用了更多的单片机。而随着单片机技术的不断完善与成熟，也将会应用到更多的新兴行业，例如人工智能领域、自动驾驶领域和更高端的科技领域。单片机应用前景广阔，适用范围大，在不久的将来一定会颠覆我们的生活。

2 单片机系统设计方案

在进行硬件设计时，应该根据既定的功能目标来设计系统硬件电路，并且硬件设计必须满足系统要求还要保证能可靠运行，基本部分主要由单片机及其扩展的外部设备及芯片组成，当硬件电路设计完成后再开始软件设计，软件设计时应先绘制出软件的流程图，再编写相应的程序，首先使用虚拟仿真开发工具来进行单片机系统的仿真设计。

2.1 电子秤基本要求

（1）称重范围：0Kg～5Kg；

（2）测量误差：≤1g；

（3）液晶显示：能显示物品的重量、单价和总金额；

（4）其它功能：去皮、报警、计价、校准。

2.2 总体设计方案

本系统采用单片机作为主控制器，采用电阻应变式传感器，具有推广价值。具体结构样态图1所示。

图1：系统总体样态图

3 单片机系统硬件设计

3.1 单片机最小系统

用最少元件组成的可以使单片机的外围电路简单，仅由时钟电路、复位电路、电源电路构成，只要以上三个电路完全具备，单片机便能运行并且完成控制任务。

3.1.1 单片机的选型

单片机的选型是一项重要而艰巨的任务，为了使单片机应用系统节省经济并能可靠的工作，支持两种节电工作方式，非常适合电池或者其他低功耗场合。AT89S52是AT89S5×系列单片机中很有代表性的产品，它不需要借助烧写器就可以实现在单片机内部编写程序，软件修改也很方便，完全可以满足电子秤系统设计的要求。因此，本文采用AT89S52作为主控制器实现单片机最小系统。

3.1.2 时钟电路

AT89S52内部有振荡电路，但是只有在外部加附加电路才能形成时钟，单片机有两种产生时钟的方法:内部时钟和外部时钟。本设计采用的是内部时钟的方法，使用外接晶体和电容来形成并联谐振电路，电容的取值会影响振荡频率输出的稳定性和大小，可以在20pF到100pF范围内取值。

3.1.3 复位电路

AT89S52的复位功能是由外部的复位电路来实现的，对于任何已经成功连接且相互识别的设备，将以双方的最高速率传输数据，L1用作电源指示，它的亮灭代表电源是否在正常工作。

3.2 数据采集模块

电子秤的数据采集模块包括称重传感器和HX711芯片。称重传感器能够将物理量转换为电信号；HX711芯片内部有一个放大处理模块和一个可调节的信号处理模块。

3.2.1 称重传感器

温度会影响电阻并导致零漂移，为了测量的准确性，需要进一步研究误差。在理想情况下，传感器的输出不会受到温度变化的影响，但实际情况中温度的变化会使电阻丝变形，从而产生温度误差，对于温度误差常常采用线路补偿或者自补偿，线路补偿就是采用电桥补偿法，将工作应变片和补偿应变片都贴在同样材料的物体上，在同样的温度下，它们的阻值变化相等，所以电桥的输出和温度无关。

四个应变片组成全桥形式工作，应变片通过差动电桥电路测量，将物体的压力信号转换成电压信号 ADDIN EN.CITE。Ui与直流电源相连接，如果最终的输出端电阻无限大，那么可将其视作开路，也就是说最终输出只有电压，如果对电源的内阻忽略不计，分压原理可被分解为：

如果R1R3等于R2R4，则Uo=0，代表电桥平衡。假设四个应变片电阻初始阻值相等，且均为R，受到相同的应变力时产生的阻值变化ΔR也相等，当进行运作时，R1=R-ΔR，R2= R-ΔR，R3= R-ΔR，R4= R-ΔR，代入（1）式，可得最终的电桥表达式为：

电阻应变片式传感器能很好的满足电子秤设计的要求，精度高、性能稳定、适应环境能力强，因此被用作测量前端。

3.2.2 A/D转换芯片

放大电路的功能是将弱的电信号提升到所需值，方便人们进行测量和使用。A/D转换器可以将模拟信号转换为数字信号，在实际的测量中所检测到的信号大多都是模拟信号，要把检测到的信号输入到单片机中，必须要先经过模拟量到数字量的转换，单片机才能进行接收和处理。

芯片共有16个引脚，它的工作电压范围为2.6V-5.5V，工作的时候电流小于1.6mA，功耗低，芯片内有两路差分输入，详细的引脚功能如下所示。

引脚符号引脚功能；VSUP 电源，稳压电路供电电源，BASE模拟输出，稳压电路控制输出，AVDD 电源，模拟电源，VFB 模拟输入，稳压电路控制输入，AGND 地，模拟地，VBG 模拟输出，参考电源输出，INA-模拟输入，通道 A 负输入端，INA+模拟输入，通道 A 正输入端，INB-模拟输入，通道 B 负输入端，INB+模拟输入，通道 B 正输入端，PD_SCK 数字输入，断电控制和串口时钟输入，DOUT 数字输出，串口数据输出，XO 数字输入输出，晶振输入，XI 数字输入，外部时钟或晶振输入，RATE 数字输入，输出数据速率控制，DVDD 电源，数字电源。

3.3 键盘输入

键盘能向单片机输入数据和命令，用户可以通过控制键盘去实现对产品信息的要求，这是人机交互的主要手段之一，键盘是由若干个按键按照一定的规律组成的。键盘的任务有以下三项：

（1）判断键盘是否有键按下？若有，则进入下一步；

（2）确定按下哪个键并找到相应的键号；

（3）根据键号，找到相应的键号处理程序入口。

当任何一个按键的两端分别连接在行线和列线时，按键是否闭合，高电平或低电平都会反映在行线的输出电压上，单片机通过对行线电平的高低状态的检测，便可以确认按键是否被按下或者释放，但是当按钮关闭和打开时会出现抖动周期，为了确保单片机识别的键号是正确的，必须消除抖动期的影响。

对矩阵键盘的查询扫描一般包括以下四个步骤：

（1）首先确认整个键盘有无键按下；

（2）消除键盘的抖动:当用户按下某个键时，系统识别后会延迟一段时间(10ms左右)，然后再次确认键盘此时的状态，如果键盘仍处于闭合状态，则认为已按下，否则为键抖动；

（3）求出按下键的键号；

（4）判断闭合键是否松开。

按照系统的要求对键盘的按键功能分配，在使用产品前应该先校准；称重前如果显示的值不为0，按下去皮键清除为0，如果被称重的物体需要用容器装载，可以先把容器放置在电子秤上，然后按下去皮键，屏幕显示0后再放入被称重物体;当键入数据错误时，可以按清除键;当显示了被称重物体的重量时，输入单价就会自动算出该物品的价格。

3.4 数据显示

数据显示设计是系统设计的必不可少的部分，普通的数码管显示比较直观而且编程简单，但是它只能显示数字和简单的字符，还会占用单片机的许多I/O口资源，LCD1602液晶显示屏不仅省电、体积小，而且抗干扰能力强，显示的内容也非常广泛。

3.5 报警电路

报警电路主要是由一个蜂鸣器和一个三极管组成的，利用PNP三极管的导通与截止特性来驱动蜂鸣器实现报警。当被测物品的重量超过最大量程时，使单片机P2.4口输出低电平，此时三极管导通，蜂鸣器BEEP报警，从而提醒人们此物品的重量超出了量程，要及时动作，避免重量太高的情况下损坏传感器。

3.6 总体电路原理图

电路原理图是电路板上各器件之间连接原理的图表。在电路设计中，原理图的作用是非常重要的，而整个系统的原理图也关乎着整个设计的质量。

4 结论

（1）不足之处：在设计硬件的时候没有充分考虑到各部分电路之间会存在干扰，会影响系统的精度;.扩展的功能不够全面，不够智能化，例如还可增加语音控制、在线支付等；对各部分芯片的掌握不够透彻，以至于在编程时程序复杂占用存储空间。在今后的学习和生活中我们应该吸取之前的实验经验，在原有的基础上不断创新和扩展，实现真正的自动化。

（2）小结：这次设计使我深入的探索了单片机的主要特点和使用方法，熟悉了一些器件的选型，进一步了解了信号的采集与转换、显示器与键盘的工作方式，还掌握了系统软件的设计方法，完成了电子秤的设计，各项指标都能达到基本的要求。随着单片机技术和传感器技术的不断发展，电子秤的设计水平和工艺都会不断完善。