基于单片机的数字电子秤设计

郭晓，姚政，贺秋瑞

（1.河南理工大学鹤壁工程技术学院，河南鹤壁，458030；2.鹤壁职业技术学院，河南鹤壁，458030；3.洛阳师范学院信息技术学院，河南洛阳，471934）

0 前言

随着计量技术和电子技术的发展，传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，而电子称量装置电子秤、电子天平等以其称量准确、使用方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。和传统秤相比较，电子秤具有低成本，易携带、易操作、精度高、寿命长、应用广等优点。本文基于单片机AT89C51设计了一款智能化电子秤，可实现称重、按键调节、显示、超重报警等功能。设计的基本要求为：测量量程0～10kg，测量误差不能大于5g，能够通过按键完成显示清零、去皮、校准等功能，当被测物体超过测量量程时通过蜂鸣器和红色LED灯闪烁报警，如果未超重绿色LED灯亮[1]。

1 设计原理

本次设计的电子秤主要由6部分组成，分别是：压力传感器、A/D转换器、单片机主控芯片、液晶显示器、按键控制、超重报警及指示灯。工作原理：(1)由压力传感器采集数据，将压力转换为微弱的模拟电压信号；(2)HX711模块对模拟电压信号放大后进行A/D转换，输出数字信号给单片机；(3)单片机通过计算在显示器上显示物体重量；(4)如果物体超重报警器报警，且红色LED指示灯闪烁。

2 硬件电路设计

为了验证设计的可用性，本设计使用Proteus8软件进行仿真，用Keil uVision5进行单片机编程实验。Proteus软件是一款EDA软件，可以完成原理图布图、代码调试、单片机与外围电路仿真及PCB板设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。硬件电路仿真设计见图2。

图1 电子秤硬件原理图

图2 硬件电路仿真图

2.1 单片机最小系统

单片机最小系统是指用最少的元件组成的可以正常工作的电路，一般至少应该包括：单片机、晶振电路、复位电路。晶振电路由两个电容、一个电阻和晶体振荡器组成。

复位电路由按键开关和电容构成，相当于电脑的重启系统，当单片机在工作状态因受到环境干扰出现程序卡死时，按下按键开关后程序将从头开始执行。单片机AT89C51的第9引脚为复位引脚，当高电平持续2便可实现复位功能，因此通过按键开关的断开和闭合控制复位。最小系统见图3。

图3 基于AT89C51的最小系统

2.2 压力传感器

电阻应变片式压力传感器[3]的工作原理是电阻应变效应，即应变片压缩致应变阻值减小，应变片拉伸致阻值增加。应变片阻值的改变，则桥式电路获得电势输出信号，传输给HX711模块，完成数据采集。该传感器上下表面各有一个应变片，每个应变片内有两个压力电阻，组成全桥式电路，精度较高。压力传感器及原理见图4。

图4 电阻应变片式压力传感器及原理图

2.3 专用模数(A/D)转换模块

HX711是一款专为电子秤而设计的24位高精度模数（A/D）转换器芯片，具有集成度高、响应速度快和抗干扰性强等优点[4]。HX711芯片集成了稳压电源，可以向内部的A/D转换器和外部的压力传感器供电。压力传感器产生的电压信号十分微弱，而HX711芯片内集成有低噪声可编程、增益可调的放大器，首先完成电压信号的放大，再进行A/D转换。

连接方式：压力传感器输出电压信号分别连接HX711芯片的引脚INNA与引脚INPA。电压信号经放大、数字化后通过引脚DOUT和PD_SCK传输给单片机，分别接单片机AT89C51的P2.0和P2.1引脚。稳压电路为压力传感器提供稳定的输入电压。HX711模块见图5。

图5 模数转换模块HX711

2.4 LCD液晶显示器

本设计采用LCD1602 液晶显示器，该液晶显示器与单片机的连接方式有两种：直接控制方式和间接控制方式。其中，直接控制方式是LCD1602液晶显示器的8根数据线和3根控制线E、RS和R/W与单片机直接相连，V0引脚是液晶对比度调试端，接电源时对比度最弱，接地时对比度最高，因此需要连接一个10的电位器实现对比度的调整。单片机AT89C51的P0引脚漏极开路，如果所选用LCD1602的数据端口内阻较大，可能会发生通讯异常，因此需要使用外部上拉电阻或使用LCX245等电平转换芯片，本设计采用外加上拉电阻的方法。液晶显示器原理图见图6。

图6 液晶显示器LCD1602原理图

2.5 按键模块

按键模块由4个按键组成，分别完成复位清除、去皮、校准加、校准减四个功能。其中，复位清除功能是通过将单片机复位重启按键实现的，即单片机复位按键为清除显示按键。去皮、校准加、校准减按键分别接AT89C51单片机的P3.0～P3.2引脚。

2.6 超重报警模块

超重报警模块的主要功能是防止电子秤过载损坏，该模块主要由三部分组成：第一部分为发出警报的蜂鸣器；第二部分为发出警报的红色LED灯，当被测物品超重时，红色LED灯不停的闪烁；第三部分为指示被测物体未超重时的绿色LED灯。其中：由于单片机引脚电压比较小，无法直接驱动蜂鸣器工作，需要外加放大器，一般使用三极管放大器或者电流驱动模块，本设计采用三极管放大器。当超重时，引脚设置为低电平，蜂鸣器响。超重报警模块见图7。

图7 超重报警模块

3 程序设计

程序设计流程[5]：首先，对单片机、液晶显示屏、A/D转换芯片初始化；然后，单片机读取A/D转换芯片的数据，通过计算将数字电压信号转换为重量值，并传输给显示器显示重量，再判断是否超重；再次，如果超重，则发出指令给报警模块，使得蜂鸣器发出警报，红色LED灯不断闪烁，提示超重。如果未超重，绿色LED灯常亮表示正常。最后，不断读取A/D转换芯片，重复以上操作。程序设计流程图见图8。

图8 程序设计流程图

4 软硬件调试

4.1 仿真调试

根据硬件电路系统设计使用单片机仿真软件Proteus8进行仿真调试，按照设计图连接好单片机以及各个模块引脚，确定无差错开始进行仿真调试。调试各个部分模块，能够正常工作。当给重量加到10kg时，发现红色LED闪烁但是蜂鸣器不能工作，经过更换蜂鸣器和调试发现，蜂鸣器端电压给予不足，给予蜂鸣器5V电压后再次仿真调试，此次蜂鸣器能够正常工作。

4.2 硬件调试

仿真完成后开始实物连接，按照仿真设计对实物各个部分进行连接，连接完成后，为防止通电后出现短接对芯片造成损伤等情况，需要排查连接线是否正确，确定无误后，对实物进行通电调试。给实物接上5V电源，开始对电子称经行调试，首先需要校准调试，经调试后误差不超过5g，能够正常使用，接着对按键进行调试，复位、去皮、校准功能能够正常工作，放上10kg砝码，LED能够亮，蜂鸣器能够工作，硬件调试完成。

5 结语

本设计实现了以AT89C51单片机为主控芯片的电子秤，配备精度较高的压力传感器和专用A/D转换器模块HX711，具备实时显示、超重报警等功能。该电子秤使用简单、携带方便、计量准确，可以满足基本需求。由于使用了单片机系统，可以通过电路扩展实现电子秤的进一步智能化，如显示日期、计算价格、语音播报、上传数据到APP等[5～6]，也是未来工作的方向。