【正文】 增加推理、判斷、自診斷、自適應、自組織等一些智能功能，這就是當今市場上采用微機化稱重顯示控制器的電子衡器與采用智能化稱重顯示控制器的電子衡器的根本區(qū)別。對某些商用電子計價秤來說，只單單具備稱重、計價、顯示、打印這些功能還是遠遠不夠的，現(xiàn)代商業(yè)系統(tǒng)還要求它能提供各種銷售信息，把稱重與管理自動化緊密結合在一起，使稱重、計價、進庫、銷售管理一體化，實現(xiàn)管理自動化。 （6）組合性 在工業(yè)稱重計量過程中，不少稱重計量系統(tǒng)還要求具有可組合性，就是指測量范圍等可以任意的設定；硬件能夠依據(jù)一定的條件作某些相應的調整，硬件功能向軟件方向發(fā)展；軟件能按一定的程序進行修改。電子秤產品的整體水平不高，部分小企業(yè)的產品質量差且技術力量薄弱，缺乏產品的開發(fā)能力，電子秤產品處在低層次。數(shù)字電子秤的設計與實現(xiàn)22 設計思路 新事物的產生必然會有新科技的推動，電子秤及其各種技術發(fā)展到今天有了特別巨大的進步。 設計要求 （1）基本要求設計并制作一款基于單片機的數(shù)字電子秤。外圍電路主要有電源模塊、信號采集模塊、信號放大積分模塊、數(shù)據(jù)處理存儲模塊、顯示模塊、電壓報警模塊六部分組成。 （3）主要設計功能如下： ① 可實現(xiàn)電子稱基本的稱重功能（稱重范圍為 0～10Kg ，重量誤差不大于177。 設計方案的確定 過查找資料和論證，結合所學知識，可通過以下方案來實現(xiàn)課題要求實現(xiàn)的指標，各方案介紹如下所述。數(shù)字電子秤的設計與實現(xiàn)3數(shù)據(jù)采集 AD 轉換 單片機處理 LED 顯示圖 21 數(shù)碼管顯示方案簡圖 此方案利用數(shù)碼管顯示物體重量，簡單可行，可以采用內部帶有模數(shù)轉換功能的單片機。缺點是：硬件部分簡單，雖然可以實現(xiàn)電子稱基本的稱重功能，但是不能實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的輸入，無法根據(jù)實際情況靈活地設定各種控制參數(shù)。又因為采用了具有模數(shù)轉換功能的單片機，系統(tǒng)電路過于簡單，系統(tǒng)硬件的擴展必受到限制，電子秤的功能過于單一，達不到設計的標準。結構簡圖如圖 22 所示。在顯示重量時，如果數(shù)碼管沒有足夠的位數(shù)，對大部分字符不能很好的顯示，不僅稱量物體重量的精度必受到限制，而且動態(tài)掃描時處理不好易出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。這樣在處理輸入輸出接口時需要另行擴展足夠多的 I/O 接口供數(shù)碼管使用，比較麻煩。這種方案不僅加強了人機交換的能力，而且滿足設計要求，可以顯示購物清單、所稱量的物體信息等相關內容，當需要增加擴展功能時可以通過切換液晶顯示界面的方式來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集AD 轉換 單片機處理 LCD 顯示按鍵處理信號放大圖 23 帶有鍵盤輸入及液晶顯示的結構簡圖 鑒于上述三種方案的優(yōu)缺點，本系統(tǒng)在設計時充分考慮到系統(tǒng)的實用性及成本的可行性的前提下，不僅能夠達到設計要求，而且使硬件電路設計模塊達到最簡優(yōu)化。 電子秤的主要組成 通過以下部分的介紹，可以對電子秤的主要模塊以及工作原理有一個大概的了解。不管依據(jù)什么原理制成的電子秤均由以下三部分組成： （1）稱重傳感部分 即由非電量（質量或重量）轉換成電量的轉換元件，它是直接與物體接觸把支承力變換成電的或其它形式的適合于計量求值的信號所用的一種輔助手段。 對稱重傳感器的基本要求是：輸出電量與輸入重量保持單值對應，并有良好的線性關系；數(shù)字電子秤的設計與實現(xiàn)5有較高的靈敏度；對被稱物體的狀態(tài)的影響要?。荒茉谳^差的工作條件下工作；有較好的頻率特性；穩(wěn)定可靠。其具體來說主要是把電子秤從外圍傳來的各種信號，通過相應的邏輯關系，計算處理數(shù)據(jù)，再把處理好的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳哪K進行顯示和控制。當然由于專用芯片的技術性和專一性強，本設計不考慮用電子秤的專用芯片。 （3）鍵盤輸入、顯示和輸出模塊 鍵盤輸入主要是通過鍵盤輸入的數(shù)值改變不同物體價格的具體參數(shù)，使不通的物體對應不同的價格，通過數(shù)據(jù)處理中心的處理，做出最終的結果，顯示到顯示器上，其主要有各種按鍵組成。其中液晶顯示又包含很多種，如 16012864 等等許多。在數(shù)字式的測量電路中，通常包括放大、濾波、變換、運算、計數(shù)、寄存、控制和驅動等環(huán)節(jié)。此信號由放大電路進行放大、經濾波后再由模/數(shù)(A/D )器進行轉換，數(shù)字信號再送到微處器的 CPU 處理，CPU 不斷掃描鍵盤和各功能開關，根據(jù)鍵盤輸入內容和各種功能開關的狀態(tài)進行必要的判斷、分析、由儀表的軟件來控制各種運算。一般地信號的放大、濾波、A/D 轉換以及信號各種運算處理都在儀表中完成。 （1）量程：電子衡器的最大稱量 Max，即電子秤在正常工作情況下，所能稱量的最大值。 （3）分度數(shù)：衡器的測量范圍被分成若干等份，總份數(shù)即為分度數(shù)用 n 表示。表 21 不同準確度的電子秤和分數(shù)度標志及等級 電子秤分類 分度數(shù)范圍特種準確度 基準衡器 n 100000高準確度 精密衡器 10000 n≤100000中準確度 商業(yè)衡器 1000 n≤10000普通準確度 粗衡器 100n≤1000數(shù)字電子秤的設計與實現(xiàn)73 元件選擇及硬件電路的設計 以下主要介紹內容是電子秤的元件以及硬件電路模塊。 單片機的選擇 單片機的選擇在整個系統(tǒng)設計中至關重要，要滿足大內存、高速率、通用性、價格便宜等要求，鑒于以上考慮本課題選擇 AT89S52 作為整個系統(tǒng)的主控芯片。AT89S52 芯片具有以下特性： （1）指令集和芯片引腳與 Intel 公司的 8051 兼容； （2）8KB 片內在系統(tǒng)可編程 Flash 程序存儲器； （3）時鐘頻率為 0～33MHz； （4）128 字節(jié)片內隨機讀寫存儲器（RAM） ； （5）32 個可編程輸入/輸出引腳； （6）2 個 16 位定時/計數(shù)器； （7）2 個中斷優(yōu)先級； （8）全雙工串行通信接口； （9）監(jiān)視定時器； （10）2 個數(shù)據(jù)指針。AT89S52 單片機引腳圖如圖 31 所示。其工作原理是基于某些材料受力后在其相應的特定表面產生電荷的壓電效應。目前多用于加速度和動態(tài)力或壓力的測量。功率小，輸出的能量微弱，電纜的分布電容及噪聲干擾影響輸出特性，這對外接電路要求很高。電阻應變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電阻應變效應，電阻應變片即可單獨作為傳感器使用，又能作為敏感元件結合彈性元件構成力學量傳感器。電阻應變片把機械應變信號轉換為△R/R后，由于應變量及相應電阻變化一般都很微小，難以直接精確測量，且不便處理。 直流電橋的特點是信號不會受各元件和導線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強，但因機械應變的輸出信號小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。Rd RaRc RbEinEout圖 32 電阻應變式傳感器原理圖 設各橋臂的初始電阻為 Ra=Rb=Rc=Rd=R，當彈性體承受載荷產生變形時，4 個橋臂電阻分別產生微小變化，輸出信號電壓可由下式給出： ????Rcb2Rad2Einout ?????上式說明電橋的輸出電壓 Eout 和四個橋臂的應變片感受應變量的關系。 A/D轉換器的選擇 無線數(shù)據(jù) HX711 是一款專為高精度電子秤而設計的 24 位 A/D 轉換器芯片。降低了電子秤的整機成本，提高了整機的性能和可靠性。數(shù)字電子秤的設計與實現(xiàn)10圖 33 HX711 管腳定義該芯片與后端 MCU 芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號由管腳驅動，無需對芯片內部的寄存器編程。通道 A 的可編程增益為 128 或 64，對應的滿額度差分輸入信號幅值分別為177。40mV。芯片內提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內的 A/D 轉換器提供電源，系統(tǒng)板上無需另外的模擬電源。上電自動復位功能簡化了開機的初始化過程。LCD1602 可以顯示 2 行 16 個字符，有 8 位數(shù)據(jù)總線 D0D7 和 RS、R/W、EN 三個控制端口，工作電壓為 5V，并且?guī)в凶址麑Ρ榷日{節(jié)和背光調節(jié)。數(shù)字電子秤的設計與實現(xiàn)11表 31 LCD1602 液晶顯示器引腳說明編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明1 VSS 電源地 9 D2 Data I/O2 VDD 電源正極 10 D3 Data I/O3 VL 液晶顯示偏壓信號 11 D4 Data I/O4 RS 數(shù)據(jù)/命令選擇端 12 D5 Data I/O5 R/W 讀/寫選擇端 13 D6 Data I/O6 E 使能信號 14 D7 Data I/O7 D0 Data I/O 15 BLA 背光源正極8 D1 Data I/O 16 BLK 背光源負極 LCD1602 液晶模塊內部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經存儲了 160 個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、日文假名等。因此，用 LCD1602 能很好的滿足設計要求。 電源電路由于該系統(tǒng)中 51 單片機及 AD 轉換芯片及液晶顯示器所需供電電壓均為 5V 電壓，所以要保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作，需要設計一個可以穩(wěn)定提供 5V 電壓的供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)電源電路設計如圖 24 所示。圖 35 主控電路圖復位是單片機的初始化操作，單片機系統(tǒng)在上電啟動運行時，都需要先復位。但單片機本身是不能自動復位的，必須配合相應的外部復位電路才能實現(xiàn)。初始復位不改變 RAM（包括工作寄存器 R0R7）的狀態(tài)，復位后單片機片內各特殊功能寄存器的狀態(tài)見表 32，表中“x”為不定數(shù)。復位后，P0P3 口輸出高電平且使這些雙向口皆處于輸入狀態(tài)，并將 07H 寫入堆棧指針 SP，同時將PC 和其余特殊功能寄存器清零。所以，當單片機運行出錯或者進入死循環(huán)時，可使其復位后重新運行。單片機的時序就是 CPU 在執(zhí)行指令時所需控制信號的時間順序。AT89S52 內部有一個高增益反相放大器，用于構成振蕩器，但要形成時鐘脈沖，外部還需附加電路，本設計采用內部時鐘方式，利用芯片內部的振蕩器，然后在引腳 XTAL1 和XTAL2 兩端跨接晶體振蕩器，就構成了穩(wěn)定的自激振蕩器，發(fā)出的脈沖直接送入內部時鐘電路。為了減小寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，振蕩器電容應盡可能安裝得與單片機引腳 XTAL1 和 XTAL2 靠近。 顯示電路顯示部分采用 LCD1602 液晶顯示，液晶板上排列著若干 5*7 或 5*10 點陣的字符顯示位，每個顯示位可顯示 1 個字符，從規(guī)格上分為每行 12340 位，有一行、兩行及四行三類。圖 36 顯示電路圖P1 的引腳 1 和引腳 2 為液晶 1602 地和電源引腳。4 腳、5 腳、6 腳為液晶片選控制引腳，分別連接到單片機的 、 、 端口。EN 為使能端，當 EN 由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。由于單片機 P0 口內部沒有上拉電阻，要想液晶顯示器正常穩(wěn)定工作，必須給 P0 加一個上拉電阻，用 8 位排阻加入電路。超重報警指示電路如圖 37 所示。在單片機應用系統(tǒng)中，為了控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以及向系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)，應用系統(tǒng)需要單獨設計專用的小鍵盤。編碼鍵盤本身除了按鍵以外，還包括產生編碼的硬件電路，使用雖然方便，但價格較高，在一般單片機應用系統(tǒng)中很少采用。若每一個按鍵都占用一條 I/O 口線，當按鍵數(shù)目較多時，就要使用大量的 I/O 口線，為了減少鍵盤與單片機接口時所占用 I/O 口線的數(shù)目，通常設置兩組互不連接的行線和列線，在行線與列線的交叉處設置一個按鍵，本次設計即是利用單片機技術，采用中斷查詢的方法，設計了一個 4*4 的鍵盤模塊，無按鍵按下時，行線與列線不連接，有鍵按下時，行線與列線接通，并利用數(shù)液晶顯示器顯示相應的按鍵值。數(shù)字電子秤的設計與實現(xiàn)16圖 38 按鍵輸入電路圖在這種行列式無編碼鍵盤中，對按鍵的識別由軟件完成，通常有兩種方法：一是速度較快的線反轉法；二是傳統(tǒng)的行掃描法。若矩陣鍵盤上有按鍵被按下，則高四位中會有一個電平從 1 被翻轉到 0，低四位則不會改變電平狀態(tài)，然后即可確定矩陣鍵盤上被按下的按鍵的所在行的具體位置。若矩陣鍵盤上有按鍵被按下，則低四位中會會有一個電平 1 翻被轉為 0，高四位則不會改變電平狀態(tài)，然后即可確定矩陣鍵盤上被按下的按鍵的所在列的具體位置。 （2）行掃描法和線反轉法實現(xiàn)的步驟類似，同樣一般也是兩步來實現(xiàn)，即： ① 將連接的全部行線置為低電平，然后檢測所有列線的電位狀態(tài)。反之，若所有列線電位均為高電平，則表示矩陣鍵盤中沒有按鍵被按下。然后再依次將所有行線電位置為低電平，即只有一根行線為低電平，其余行線則為高電平。若某根列線的電位為低電平，則被按下的按鍵就處在這根列線和低電平行線的交叉處。 HX711轉換電路前面元件選擇中有講，本設計采用的是一款專為高精度電子秤而設計的 24 位 A/D 轉換器芯片 HX711。圖 39 HX711 轉換電路圖 如果將管腳 XI 接地，HX711 將自動選擇使用內部時鐘振蕩器，并自動關閉外部時鐘輸入和晶振的相關電路。如果需要準確的輸出數(shù)據(jù)速率，可將外部輸入時鐘通過一個 20pF 的隔直電容連接到 XI 管腳上，或將晶振連接到 XI 和 XO 管腳上。此時，若晶振頻率為 ，輸出數(shù)據(jù)速率為準確的 10Hz 或80Hz。使用外部輸入時鐘時，外部時鐘信號不一定需要為方波。外部時鐘輸入信號的幅值可低至 150mV。當 SDA 從高電平變低電平后