一款新型智能电子秤的设计

引 言

本产品采用软硬件结合的方法，通过向单片机内下载软件程序来控制硬件电路实现各项电子秤的功能，在电子秤的基本功能基础上扩展了时钟万年历和超重报警等新功能。新型电子秤称重系统可分为单片机最小工作系统、数据采集处理系统、人机交互界面操作系统、时钟万年历及超重报警系统等五部分 [1]。STC89C52RC 单片机和经典复位电路组成了单片机的最小系统 ；信号放大、称重传感器和模数转换组成了数据采集部分，模数转换和信号放大功能则通过 HX711 芯片实现，HX711 是一款专为高精度电子秤而设计的 24 位A 模数转换器芯片，该芯片具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等特点 ；电子秤的人机交互操作界面通过手动矩阵键盘输入和数据液晶显示完成，即键盘输入单价，液晶显示屏显示称重数据 ；时钟模块由时钟芯片 DS1302 和时钟显示电路构成 ；LCD1602 显示器可以切换显示时钟万年历 ；蜂鸣器具有报警功能，当称重物体超过 5 kg 时，蜂鸣器自动报警 [2]。

1 系统总体设计

电子秤是通过压力传感器检测物体的重量，经过信号转换和单片机的信息处理后，再控制硬件电路显示结果的电子衡器。电子秤由以下三部分组成 [3]。

(1) 承重、传力复位系统。承重、传力复位系统就是智能电子秤称重的部位，它能采集被称物体的重量，即被称物体对秤本身有力的作用。

(2) 称重传感器。称重传感器把非电量转换成电量，把对秤施加的力转换成便于计算的电信号。称重传感器是将质量信号转变为可以测量的电信号并输出的装置。要注意的是， 在应用传感器时，要注意传感器的工作环境是否适合其工作，如果出现错误，可能会造成传感器的损坏和整个系统的崩溃。

称重传感器可根据不同的结构分为不同的类型。直接位移传感器包括电容式、感应式、电位差计、腔谐振器传感器， 应变传感器主要有电阻应变传感器等。称重传感器需使得输出电量和输入重量成一定的正比关系，称重传感器灵敏度高， 对物体状态影响小，能在恶劣的工作条件下工作，具有较好的频率响应特性，稳定可靠。

(3) 测量显示和数据输出的负载测量装置。用于测量显示和数据输出的负载测量装置主要是被用来处理称重传感器信号的电子电路和指示器件。放大器、补偿元件等构成了称重传感器信号的电子线路，称重传感器的指示部件有显示、数据传输等功能。数字式测量电路通常包括前置放大、滤波、变换、控制和显示等众多环节，这些环节的学习运用比较重要。

2 单片机主控电路设计

系统的主控电路由 STC89C52RC 单片机、晶体振荡器电路和复位电路组成。主控制电路在整个系统中起着决定性作用 [4]。作为系统的核心单元，电路的连接方式如图 1 所示。

3 实验环境

系统软件设计采用 C 语言编程， 编译环境选用 KeilμVision3。Keil μVision3 是美国 Keil Software 公司开发的程序编译工具，与汇编相比具有明显优势，操作简单，被大众接受。

图 1 主控模块电路

Keil μVision3 能够完成编辑、编译、连接、调试、仿真等开发过程。开发人员可以使用 IDE 或其他编辑器编辑 C 或汇编源文件，然后编译并连接 C51 和 A51 编辑器以生成可执行的二进制文件（.HEX），然后通过 MCU 的烧录软件将 .HEX 文件下载到 MCU。软件的运行主要包括三个方面， 即初始化系统 ；密钥检测 ；数据采集、处理和显示。这三个方面的操作在主程序中执行。程序采用模块化结构，完整清晰，易于编程和读取，易于调试和修改。

4 系统仿真

在硬件电路设计过程中，原理图的绘制采用 Protel99SE 软件。Protel99SE 是一款应用于 Windows9X/2000/7/NT 等操作系统的 32 位 EDA 设计软件，这款软件采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力、开放性及 3D 模拟功能，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，因其简单易用而深受电子工程师的喜爱。因此，它已成为许多高校电子相关专业 EDA 工具的必修课。采用 Protel99SE 软件绘制原理图的主要步骤如下 ：

(1) 建立本系统所需原件库 ；

(2) 将所建原件库加载到工程项目中 ；

(3) 将所需元器件放在原理图页面上，并根据电气性能进行连接 ；

(4) 建立原件封装库并载入到工程文件中 ；

(5) 绘制电路后进行 ERC电气检测，并生成网络表。

电路原理如图 2所示。由于仿真软件的局限性，无法制作仿真图，因此必须严格按照原理图焊接，不能出现丝毫差错，否则无法实现系统功能。

5 系统调试

5.1 系统硬件调试

电路焊接后，进行电路连接试验。首先用万用表检测各连接点，确保各连接点完好，然后仔细检测各电路之间是否有短路现象，如有短路现象应及时处理，避免损伤元件。用万用表检查后，通电测试，当产品与电源连接时，用万用表检查各连接点是否符合预期电压值，无误后进行联机检测 [5]。各芯片功能测试 ：预编译一个简单的程序（程序应反映芯片的功能），将程序输入硬件电路的微控制器 MCU 中，观察各芯片是否实现了预设功能，如果芯片运行正常，则表明芯片未损坏，可正常使用。新型智能电子秤实物如图3 所示。

图 3 智能电子秤实物

在硬件调试过程中遇到的问题及解决方案。

(1) 经过放大器的传感器信号不稳定，且不满足设定的放大倍数。信号不稳定的原因在于传感器精度不准确，连线时线路不稳定 ；不满足放大倍数是由于放大器的选择不合适， 导致无法满足设定的放大倍数。因此可以通过选择精度高的传感器，预先计算好运算放大倍数以解决该问题。

(2) 在进行硬件调试时，未做全方位的考虑，电源电压过高，未做好电路保护措施。针对这类问题，需要自身培养良好的习惯，杜绝犯同样的错误。

5.2 系统软件调试

硬件调试完成后，进行软件调试。软件调试是通过连接和执行用户程序并发现程序中的语法和逻辑错误，以消除和纠正错误的过程。在调试过程中，通过模块调试实现程序各功能模块的调试。首先确认模块程序能否正常运行 ；之后进行系统调试，不仅可以快速检查程序的功能与实际需求之间的差异，更能够在发现差异后快速更改程序，直到达到设计要求 ；最后，对各模块进行组合调试，确保各功能模块都能实现功能。

6 数据分析

(1) 由于称重传感器灵敏度高，因此在称量物品时，所得数据会上下浮动，但浮动的数据均在合理的误差范围内。

(2) 时钟万年历具有独立供电设备，时间的准确度不受其他称重电路的影响，因此一般不存在数据误差。

(3) 未扩展更多电路，部分功能的实现通过通信接口电路与上位机（PC机）通信，将大量商品数据存于上位机， 然后通过串口或并口通信与电子秤相连，实现远距离控制。

(4) 在购买元器件时，未全方位了解价格，部分元器件购买价格偏高。之后在购买元器件时，将吸取此次教训，进行多方面的比较，争取购买价格、性能优越的元器件。

7 结 语

本设计是基于单片机的智能电子秤，此电子秤符合国家对于计量精度和稳定性的标准要求，且制作方法简单，操作方便，价格便宜，满足了人民大众的生产生活需要。该智能电子秤集众多技术于一体，如单片机技术、称重技术等，其性能特点主要表现在智能化方面，无需付出大量时间和精力便能开发出具有多样功能的智能电子秤，如称重计价、时钟显示、超重报警等。该电子秤还可以扩展出其他功能，只需对硬件电路和软件程序稍加修改，便能够得到功能的改进和扩展。