1、基于单片机实现智能电子秤的设计摘要：在人们的日常生活中，常常需要测量物体的质量，因此，测量的准确性就显得尤为重要。而作为重要的称量工具，秤在人们平时的生活中扮演着必不可少的角色。随着称重技术的发展和电子工艺的提升，传统的纯机械式结构的台秤、杆秤等存在测量不太准确，速度较慢，不能计价，不便于携带和移动等缺点，已经逐渐被电子产品取代。该电子秤由单片机STC89C52为主控制芯片，使用应变式压力传感器进行数据采集，通过AD转换器放大信号，并进行数据转换，通过键盘输入的数据进行相应的计算，将结果显示在LCD1602显示屏上，并通过语音播报芯片播报重量及总价。本设计采用模块化设计，逻辑简单，结构清晰，设
2、计的电子秤可以通过键盘设置物品的单价及控制语音播报，通过显示屏显示物品的重量、设置的单价及所需要的总金额，实现基本的称重功能。本系统设计结构简单，使用方便，精度高，具有一定的开发功能。关键词：电子秤 压力传感器 AT89C52 语音播报 A/D转换器1.引言电子秤是日常生活中常用的电子衡器，广泛应用于超市、大中型商场、物流配送中心。电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。相比传统的机械式称量工具，电子秤具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点，在外形布局、工作原理、结构和材料上都是全新的计量衡器。电子秤的设计首先是通过称重传感器采集到被测物体的重量并将
3、其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过高精度高增益AD芯片HX711的信号放大与AD转换，转换成数字量被送入到主控电路的单片机中处理，再经过单片机控制显示器，从而显示出被测物体的重量。而目前市场上电子秤产品的整体水平不高，部分小型企业产品质量差且技术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，有针对性地开发出一套有实用价值的电子秤系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善电子秤系统在应用中的不足之处，具有现实意义。现代信息技术的三大基础是信息的采集、传输和处理技术，即传感技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。信息采集系
4、统的首要部件是传感器，且置于系统的最前端。在一个现代自动检测系统中，如果没有传感器就无法监测与控制表征生产过程中各个环节的各种参量，也就无法实现自动控制。在现代技术中，传感器实际上是现代测试技术和自动化技术的基础科学技术的飞速发展,由称重传感器制作的电子衡器也已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量。特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器，目前，称重传感器几
5、乎运用到了所有的称重领域。为了提高我们对数据采集及数据处理方面知识的处理能力，并且考虑到作品的实用性和个人兴趣等因数，我们设计了一台基于51单片机的智能电子秤。本系统通过称重传感器采样，A/D转换后输入单片机，通过按键设置单价后，经过单片机主控制器件的处理后，液晶上就会显示：商品的名称、数量、重量，单价、本次购物总金额，同时语音播报以上内容，达到了数字化、智能化的要求。2.电子秤系统概述2.1 电子秤的基本结构电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。不管根据什么原理制成的电子秤均由以下三部分组成：（1）承重、传力复位系统 它
6、是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。(2)称重传感器即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条
7、件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。(3)测量显示和数据输出的载荷测量装置即处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补尝元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮器件等）。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。2.2 电子秤的设计需求1) 称重范围：不超过20Kg2) 测量精度： 0.005Kg3) 显示方式：LCD显示所称量的物品重量，单价和所有物品的总金额。4) 使用操作：键盘输入数据，操作简单方便。5) 特殊功能：语音播报2.3 电子秤工作原理
8、电子称是利用物体的重力作用来确定物体质量的测量仪器，也可用来确定与物体质量相关的其他量的大小，参数，或特性。电子称一般由以下三部分组成。承重、传力复位系统，称重传感器，测量显示和数据输出的的载荷测量装置。当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成正比关系)的电信号(电压或电流等)。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数（A/D）器进行转换，数字信号再送到微处器的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各种功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运
9、算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示，或送打印机打印。一般地信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。系统组成的框图如下：信号滤波放大处理器A/D转换器单片机键盘控制LCD显示语音播报压 力传感器图1 系统组成的框图2.4 电子秤器件AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，
10、AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。2.5 单片机工作原理STC89C52是一种低功耗、高性能8位微控制器，具有8K的可编程flash存储器5。使用高密度非易失性存储器技术制造，
11、与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。内512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHZ，6T/12T可选。片上flash允许程序存储器在线可编程，也适于常规编程器6。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在
12、系统上可编程闪烁存储单元，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案，因此笔者在设计时选择了51单片机作为解决方案。STC89C52具有以下标准功能：8K字节闪烁存储器，256字节读写存储器，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许读写存储器、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，读写存储器内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位
13、为止。图2所示为单片机内部结构。图2 单片机内部结构2.5.1 STC89C52单片机引脚功能VCC：电源。P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在闪烁编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻6。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入
14、口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送“1”。在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在闪烁编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双
15、向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。RST：复位输入。当晶振工作时，RST引脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在闪烁编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。2.5.2 复位电路单片机上电时，当振荡
16、器正在运行时，只要持续给出RST引脚两个机器周期的高电平，便可完成系统复位。外部复位电路是为提供两个机器周期以上的高电平而设计的。系统采用上电自动复位，上电瞬间电容器上的电压不能突变，RST上的电压是VCC上的电压与电容器上的电压之差，因而RST上的电压与VCC上的电压相同。随着充电的进行，电容器上的电压不断上升，RST上的电压就随着下降，RST脚上只要保持10ms以上高电平，系统就会有效复位。电容C1可取10-33F，R取10K，充电时间常数为1010-610103=100ms。复位电路的实现可以有很多种方法，但是从功能上一般分为两种：一种是电源复位，即外部的复位电路在系统通上电源之后直接使
17、单片机工作，单片机的起停通过电源控制；另一种方法是在复位电路中设计按键开关，通过按键开关触发复位电平，控制单片机的复位。本设计使用了第二种方法，其电路图如图3所示。图3 STC89C52单片机复位、晶振电路图2.5.3 晶振电路STC89C52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端，外接石英晶体或陶瓷振荡器以及补偿电容C2、C3构成并联谐振电路。当外接石英晶体时，电容C2、C3选30pF10pF；当外接陶瓷振荡器时，电容C2、C3选40pF10pF。STC89C52系统中晶振频率一般在1.2-12MHz选择。外接电容C2、C3的大小会影响振
18、荡器频率的高低、振荡频率的稳定度、起振时间及温度稳定性。在本系统中，选择了12MHz石英晶振，电容C1、C2为30pF。其电路图如图3所示。2.6 A/D转换器工作原理A/D转换器是一种能把输入模拟电压或电流-成与它成正比的数字量，也就是说能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。A/D转换器种类较多，从原理上可分为四种：双积分式A/D转换器，逐次逼近式A/D转换器、并行A/D转换器、计数器式A/D转换器及型A/D转换器。在电子秤的设计中用的比较多的是双积分式A/D转换器和型A/D转换器。双积分ADC的基本原理是对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成
19、正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。如图2-6所示是电子秤中常用的双积分式A/D转换电路，它由积分器、比较器、模拟电子开关，积分电阻、积分电容、自动回零电阻、电容组成。其中VG是模拟地，VFR是基准电压（相对于VG为负值），VX是检测电压。其次双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50HZ的工频干扰抑制能力特强，对高于工频干扰（例如噪声电压）也具有良好的滤波作用。只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。故而采用双积分型A/D转换器可大大降低
20、对滤波电路的要求。作为电子秤，系统对AD的转换速度要求并不高，精度上14位的AD足以满足要求。另外双积分型A/D转换器较强的抗干扰能力，和精确的差分输入，低廉的价格。最终选择了精度为10Kg/ 20000= 0.5g的ICL7135。图4 A/D转换器原理图2.7 传感器工作原理传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。此外传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为
21、电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。称重传感器在电子秤中占有十分重要的位置，被喻为电子秤的心脏部件，它的性能好坏很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。通常称重传感器产生的误差约占电子秤整机误差的50%70%。若在环境恶劣的条件下（如高低温、湿热），传感器所占的误差比例就更大，因此，在人们设计电子秤时，正确地选用称重传感器非常重要。称重传感器的种类很多，根据工作原理来分常用的有以下几种： 电阻应变式、电容式、压磁式、压电式、谐振式等。（本设计采用的是电阻应变式）。电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片
22、电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片（转换元件）受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，供后续电路测量和处理。当传感器不受载荷时，弹性敏感元件不产生应变，粘贴在其上的应变片不发生变形，阻值不变，电桥平衡，输出电压为零；当传感器受力时，即弹性敏感元件受载荷P时，应变片就会发生变形，阻值发生变化，电桥失去平衡，有输出电压。图5 传感器原理图R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻，组成了桥式测量电路，Rm为温度补偿电阻，e为激励电压，V为输出电压。 若不考虑Rm，在应变片电阻变化以前，电桥的输出电压
23、为：V= 由于桥臂的起始电阻全等，即R1 = R2 = R3 = R4 = R，所以V=0 。当应变片的电阻R1、R2、R3、R4变成R+R1、R+R2、R+R3、R+R4时，电桥的输出电压变为：V=通过化简，上式则变为：V=也就是说，电桥输出电压的变化与各臂电阻变化率的代数和成正比。如果四个桥臂应变片的灵敏系数相同，且 = K，则上式又可写成：V=1 - 2 + 3 - 4 ）式中K为应变片灵敏系数，为应变量。上式表明，电桥的输出电压和四个轿臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比。在电阻应变式称重传感器中，4个应变片分别贴在弹性梁的4个敏感部位，传感器受力作用后发生变形。在力的作用下，R1、
24、R3被拉伸，阻值增大，R1、R3正值，R2、R4被压缩，阻值减小，R2、R4为负值。再加之应变片阻值变化的绝对值相同，即R1 = R3 = + R或1 = 3 = +R2 = R4= - R或2 = 4 = - 因此，V=4 = e K。若考虑 Rm，则电桥的输出电压变成：V= = K e令SU = ，则SU = K SU称为传感器系数或传感器输出灵敏度。对于一个高精度的应变传感器来说，仅仅靠4个应变片组成桥式测量电路还是远远不够的。由于弹性梁材料金相组织的不均匀性及热处理工艺、应变片性能及粘贴工艺、温度变化等因素的影响，传感器势必产生一定的误差。为了减少传感器随温度变化产生的误差，提高其精度
25、和稳定性，需要在桥路两端和桥臂中串入一些补偿元件。如：初始不平衡值的补偿、零载输出温度补偿、输出灵敏度温度补偿等。3.系统的电路设计3.1系统控制电路的设计本系统通过传感器将压力这种物理量转化为电信号，即传感器内部的电阻应变片感应到压力后，电阻发生微小变化，通过全桥测量电路将电阻的微小变化转化成电压的微小变化，HX711将信号调整到A/D能采集的范围，然后由A/D进行采集转换，接着把采集到的24位高低电平通过DOUT送到单片机进行处理，单片机处理后，把数字信号输送到显示电路中，由显示电路输出测量结果。整个系统实现了用单片机来控制输出，在线性度的确定过程中，需要对程序进行反复的修改，最终实现设计
26、的要求。系统的关键技术在于将物理量转化为可以传递处理的电信号。本设计笔者使用了HX711来解决这一技术难题。HX711直接将压力传感器送出的微弱电信号，经过内部放大和24位A/D转换器，转化为处理器可以识别和处理的数字量3。通过软件方法，将A/D所采集的数字量进行滤波和标定，最终输出重量值。并由LCD显示屏进行显示。 图6 系统控制电路原理图3.2 键盘控制电路设计键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。键盘是由若干个按键开关组成，键的多少根据单片机应用系统的用途而定。键盘由许多键组成，每一个键相当于一个机械开关触点，当键按下时，触点闭合，当键松开时，触点断开。
27、单片机接收到按键的触点信号后作相应的功能处理。因此，相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号。ZLG7289是周立功单片机公司设计的串行输入输出可编程键盘显示芯片，有强大的键盘显示功能，支持64键控制，可以比较方便地扩展系统。另外ZLG7289内部有译码电路，大大简化了程序。最终选择ZLG7289作为键盘扫描显示芯片。本系统采用了AT89C52单片机，44矩阵式键盘，4位LED数码显示，其接法如图7所示。图7 单片机与键盘LED的接法图8是键盘与单片机P1口P3口的连接方法，其中P1.0P1.3接键盘的行，P3.2P3.5接键盘的列。图8 键盘与单片机P1口，P3口的连接方法从按一个键到键的
28、功能被执行应包含两项工作：一是键的识别，即在键盘中找到被按的是哪个键；另一项是键功能的实现。对第一项内容，键盘接口应完成以下操作功能：键盘扫描，以判定是否有键被按下键识别，以确定闭合键的行列位置产生闭合键键码排除多键，串键及去抖动具体过程如下，先由P3.2P3.5输出全0，再由P1.4P1.7读入数据，如果为全1则说明没有键按下。如果某一位为零则说明有键按下，同时可以判断出的哪一根线是低电平，即判断出是哪一行。这时P3.5P3.2再依次输出0111B，1011B，1101B，1110B，分别由P1.4P1.7读入，由此就可以判断出是哪一列。这样就可以判断出是哪一个键被按下了。为保证键扫描的正确
29、，需要进行去抖动处理。去抖动有硬件和软件两种方法。软件方法比较常用，它是采用延迟以躲过抖动，待行线状态稳定后，再进行状态输入。另外，得到键码之后需要再延时以等待按键的释放。3.3 LED显示电路设置1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等点阵型液晶模块它有若干个5*7或者5*11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原
30、理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。1602外围电路简单微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。图9 液晶显示电路图4.系统硬件的实现系统软件采用了模块化设计，主要包括毫秒级延时子函数、A/D数据采集子函数、软件滤波子程序、LCD显示子函数和主函数。4.1 A/D转换芯片HX711接口电路的设计根据设计要求，系统要求输出的电流信号为20-1000mA，步进为1mA，且要求显示数值，因此，给定量的执行元件A/D转换器至少需要10位的转换精度7。结合系统的设计要求，并考虑到单片机的I/O接口资源紧张等因素
31、，最终确定选用HX711量化精度能达到1/40961/10，完全能达到设计的精度要求。HX711接口电路如图10所示。图10 HX711接口电路图HX711是一款专为高精度秤重传感器而设计的24位A/D转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点、降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性8。该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A的可编程增益为128
32、或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为20mV或40mV。通道B则为固定的64增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接部件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。4.1.1 HX711引脚功能及电器特性表1 HX711引脚功能管脚号名秤性能描述1VSUP电源稳压电路供电电源：2.6-5.5V（不用稳压电路时接AVDD）2BASE模拟输出稳压电路控制输出（不用稳压电路时为无连接）3AVDD电源模拟电源：2.6-5.5V4VFB模拟输入稳压电路控制输入（不用稳压电路时应接地）5
33、AGND地模拟地6VBG模拟输出参考电源输入7INA模拟输入通道A负输入端8INA+模拟输入通道A正输入端9INB模拟输入通道B负输入端10INB+模拟输入通道B正输入端11PD-SCK数字输入断电控制（高电平有效）和串口时钟输入12DOUT数字输出串口数据输出13X0数字输入输出晶振输入（不用晶振时为无连接）14X1数字输入外部时钟或晶振输入，0：使用片内振荡器15RATE数字输入输出数据速率控制，0：10Hz；1：80Hz16DVDD电源数字电源：2.6-5.5V表2 主要电气参数参数条件及说明最小值典型值最大值单位满额度差分输入范围V（inp）-V(inn)0.5(AVDD/GAIN)V
34、输入共模电压范围AGND+0.6 AVDD-0.6V输出数据速率使用片内振荡器，RATE=010Hz使用片内振荡器，RATE=DVDD80外部时钟或晶振，RATE=0fclk/1,105,920外部时钟或晶振，RATE=DVDDfclk/138，240输出数据编码二进制补码800000 7FFFFF(HEX)输出稳定时间（1）RATE=0400mvRATE=DVDD50输入零点漂移增益=1280.2增益=640.8输入噪声增益=128，RATE=050nV(ms)增益=128，RATE= DVDD90温度系数输入零点漂移（增益=128）7nV/输入共模信号抑制比增益=128，RATE=0100
35、dB电源干扰抑制比增益=128，RATE=0100dB输出参考电压（VBG）1.25V外部时钟或晶振频率11.0592 30MHz电源电压DVDD2.6 5.5VAVDD,VSUP2.6 5.5模拟电源电路（含稳压电路）正常工作1600uA断电0.3数字电源电路正常工作100uA断电0.2表3 输入通道和增益选择PD-SCK脉冲数输入通道增益25A12826B6427A644.1.2 HX711管脚说明模拟输入通道A模拟差分输入可直接与桥式传感器的差分输出相接。由于桥式传感器输出的信号较小，为了充分利用A/D转换器的输入动态范围，该通道的可编程增益较大，为128或64。这些增益所对应的满量程差
36、分输入电压分别20mV或40mV。通道B为固定的增益，所对应的满量程差分输入电压为40mV。通道B应用于包括电池在内的系统参数检测。供电电源数字电源（DVDD）应使用与MCU芯片相同的数字供电电源。HX711芯片内稳压电路可同时向A/D转换器和外部传感器提供模拟电源。稳压电源的供电电压（VSUP）可与数字电源（DVDD）相同。稳压电源的输出电压值（VAVDD）由外部分电阻R1、R2和芯片的输出参考电压VBG决定（图4），VAVDD=VBG（R1+ R2）/ R2。应选择该输出电压比稳压电源的输入电压（VSUP）低至少100mV。如果不使用芯片内的稳压电路，管脚VSUP和管脚AVDD应相连，并接
37、到电压为2.6-5.5V的低噪声模拟电源。管脚VBG上不需要外接电容，管脚VFB应接地，管脚BASE为无连接。时钟选择如果将管脚XI接地，HX711将自动选择使用内部时钟振荡器，并自动关闭外部时钟输入和晶振的相关电路。这种情况下，典型输出数据速率为10Hz或80Hz。如果需要准确的输出数据速率，可将外部输入时钟通过一个20pF的隔直电容连接到XI管脚上，或将晶振连接到XI和XO管脚上。这种情况下，芯片内的时钟振荡器电路会自动关闭，晶振时钟或外部输入时钟被采用。此时，若晶振频率为11.0592MHz，输出数据速率为准确的10Hz或80Hz。输出数据速率与晶振频率以上述关系按比例增加或减少。使用外
38、部输入时钟，外部时钟信号不一定需要为方波。可将MCU芯片的晶振输出管脚上的时钟信号通过20pF的隔直电容连接到XI管脚上，作为外部时钟输入。外部时钟输入信号的幅值可低至150 mV。HX711管脚说明如图11所示12345678910111213141516AVDD 数字电源RATE 输出数据速率控控制输入XI 外部时钟或晶振输入XO 晶振输入DOUT 串口数据输出PD_SCK 断电和串口时钟输入INPB 通道B正输入端INNB 通道B负输入端稳压电路电源 VSUP稳压电源控制输入 VBF模拟电源 AVDD稳压电源控制输出 BASE模拟地 AGND参考电源输出 VBG通道A负输入端 INNA通
39、道A正输入端 INPA 图11 HX711管脚说明复位和断电当芯片上电时，芯片内的上电自动复位电路会使芯片自动复位。管脚PD-SCK输入来控制HX711的断电。当PD-SCK为低电平时，芯片处于正常工作状态。图11 断电设置如果PD-SCK从低电平变高电平并保持在高电平超过60 us，HX711即进入断电状态。如果使用片内稳压电源电路，断电时，外部传感器和片内A/D转换器会被同时断电。当PD-SCK重新回到低电平时，芯片会自动复位后进入正常工作状态。芯片从复位或断电状态后，通道A和增益128会被自动选择为作为第一次A/D转换的输入通道和增益。随后的输入通道和增益选择由PD-SCK的脉冲数决定，
40、参见串口通讯一节。芯片从复位或断电状态进入正常工作状态后，A/D转换器需要4个数据输出周期才能稳定。DOUT在4个数据输出周期后才会从高电平变为低电平，输出有效数据。4.1.3 HX711的时序图HX711为串行数据总线型A/D转化器。作为串行通讯方式，那么掌握其时序图对于该器件的使用和操作起到了至关重要的作用。串口通讯线由管脚PD-SCK和DOUT组成，用来输出数据，选择输入通道和增益。当数据输出管脚DOUT为高电平，表明A/D转换器还未准备好输出数据，此时串口时钟输入信号PD-SCK应为低电平。当DOUT从高电平变低电平后，PD-SCK应输入25至27个不等的时钟脉冲。其中第一个时钟脉冲的
41、上升沿将读出输出24位数据的最高位（MSB），直至第24个时钟脉冲用来选择下一个A/D转换的输入通道和增益。其时序如图12所示：图12 串行时序图5.系统软件的设计5.1系统软件的整体方案本系统程序由以下几个部分组成：主函数（main）：主要实现判断是否有键按下，得到键码，调用显示函数，键码识别函数及实现按键功能。显示子函数（LEDshow）：将接收到的实际数转化成LED要显示的数，并实现循环显示。键盘扫描子函数（kbscan，kbscan2）：判断出按键的行列。（流程图略）键码处理子函数（kbscandw）：实现键码功能。5.1.1软件开发环境介绍本设计中使用STC单片机，开发环境使用配套的
42、开发环境KEIL C51开发，它同时支持汇编语言和C语言编写，通过配套的仿真器可以方便地代码下载和在线调试。5.2单片机初始化在系统通电后，主程序首先完成系统初始化，其中包括系统变量定义和给系统变量赋初值等，然后调用A/D采集函数，将A/D采集模块输出的24位二进制串行数据转化为十进制，接着进行调零和定标，最后分离出6位十进制数据的千位、百位、十位和个位，调用数码管显示函数，将对应的数值送到对应的地址上进行显示。系统主函数初始化流程图如图13所示。图13 初始化流程图单片机完成初始化程序后进入主程序，主程序主要完成对存储参数的读取，对检测到的数据进行数据处理，键处理，显示处理等。图14 主程序
43、流程图5.3 A/D转换启动及数据读取程序设计A/D转换子程序主要是指在系统开始运行时，把称重传感器传递过来的模拟信号转换成数字信号并传递到单片机所涉及到的程序设计。设计流程图如图15所示。图15 A/D转换启动及数据读取程序流程图5.4 键盘扫描子程序的设计键盘电路设计成4X4矩阵式，由键盘编码方式可以得出0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E。在程序中可以先判断按键编码，然后根据编码将键盘代表的数值送到相应的存储单元，再进行功能选择或数据处理。键盘输入LCD初始化字符显示界面字符显示调用LCD显示原地跳转原地跳转有功能键按下输入完毕有返回键按下NYNNY图5.4 键盘扫
44、描子程序设计流程图6.结语随着集成电路和计算机技术的迅速发展，使电子仪器的整体水平发生巨大变化，传统的仪器逐步的被智能仪器所取代。智能仪器的核心部件是单片机，因其极高的性价比得到广泛的应用与发展，从而加快了智能仪器的发展。而传感器作为测控系统中对象信息的入口，越来越受到人们的关注。传感器好比人体“五官”的工程模拟物，它是一种能将特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置本次设计中的半桥电子秤就是在以上仪器的基础上设计而成的。因此，只有充分了解有关智能仪器、单片机、传感器以及各部分之间的关系才能达到要求。首先是传感器的精密度，它将直接影响电子秤的称重
45、准确度。课设时由于传感器发出的信号不是很稳定，所以称重时误差很大。如果使用精密度较高的传感器，效果会好的多。其次是数据采集处理阶段，此阶段是对传感器发出的信号进行量化、采集，主要分为信号放大、采集，然后进行A/D转换。该阶段需注意的地方是对传感器输出的信号进行放大时，应选取合适的运算放大电路。最好是预先计算好应放大的倍数，以便选取。还有就是进行数据处理时，选取适当的数据转换系数，使输出满足量程要求。参考文献1 李桂平,黄有全.基于STC12C5A的多路检测智能防盗报警器研究J.Electronic Design Engineering,2013,21(3):89912 邱文静,基于GSM短信息
46、的家居设施遥控监测系统设计D.南京：南京理工大学，20123 邹曙光.基于GSM网络的无线显示系统设计J .Modern Electronics Technique，2011,34(17):34364 赵冲,代茗枢.基于GSM 的防盗报警系统J.西安：西安科技大学学报(增刊),20065 聂琼,张陈陈,宋博,任海梅.一种家用防盗光电报警器的设计J.Science & Technology Information,2013,(13):23266 黄世轩,郑艺,李萍.基于GSM模块的智能防盗报警系统的设计J.China New Telecommunications,2013,(15):8117 Meeh
陕公网安备 61072602000132号 违法和不良信息举报：0916-4228922