多功能电子秤的优化设计与实现

多功能电子秤的优化设计与实现

程望斌

1,2

, 刘硕卿1, 王曾盛2, 何巧巧1, 叶珊丽1, 陈茉莉1

(1. 湖南理工学院 信息科学与工程学院, 湖南 岳阳 414006; 2. 湖南理工学院 南湖学院, 湖南 岳阳 414006) 摘 要: 以嵌入式单片机STCC52为主控制器, 设计一款多功能智能电子秤, 阐述了电子秤的总体设计方法, 重点介绍了系统硬件与软件设计流程, 详细剖析了各主要模块特征和设计方式, 最后进行了系统性能分析和效果评估. 结果表明: 电子秤优化设计效果明显, 可实现物价设定、物重测量和自动计价等功能.

关键词: STCC52; 电子秤; 数据采集; 传感器; 数据处理

中图分类号: TH715.193 文献标识码: A 文章编号: 1672-5298(2019)03-0023-03

Optimal Design and Implementation of Multifunctional Electronic Scale

CHENG Wangbin1, LIU Shuoqing1, WANG Zengsheng2, HE Qiaoqiao1,

YE Shanli1, CHEN Moli1

(1. School of Information Science and Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China;

2. Nanhu College, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China) Abstract: In this paper, a multi-function intelligent electronic scale is designed with stcc52 as the main controller. The overall design method of the electronic scale is expounded, and the system hardware and software design flow are emphatically introduced with the main module features and design methods are analyzed in detail. Finally, the system performance analysis and effect evaluation are carried out. The results show that the optimal design of electronic scale is effective and can realize the functions of price setting, weight measurement and automatic valuation.

Key words: STCC52; electronic scale; data acquisition; sensor; data processing

随着社会信息化和公众服务智能化的发展, 电子秤已成为人们生产生活中不可或缺的一部分. 为使电子秤更好地满足人们对智能化功能的要求, 需对电子秤进行优化设计, 使其更可靠、精确和更便捷[1]. 本文以嵌入式单片机STCC52为主体, 设计了一款智能电子秤. 基本原理是: 电阻式压力传感器随着待称重实物的挤压形成阻值的变化, 进而形成一定比例电压和电流的变化[2](模拟信号), 这种信号通过模数转换芯片变成数字信号, 被单片机识别并在液晶屏上得到数据显示. 同时, 这类电子秤可以实现人工交互的功能, 并可通过外接键盘或远程端设置实物价格、显示金额等.

1 总体方案设计

以常用单片机芯片STCC52为主控器件, 设计了一款高性能、高精度的智能电子秤. 硬件系统模块主要包括: 中控模块, 数据采集、处理与显示模块, 按键与报警模块等; 软件设计主要涉及数据处理模块、显示模块两部分的程序实现. 其中, 数据采集模块采用压力传感器及HX711模数转换 收稿日期: 2019-03-18

[3]

数数数数报报数数数数 单单单STCC52LCD显显按按按按图1 系统总体设计框图

基金项目: 国家级大学生创新创业训练计划项目(教高司函[2018]39号); 湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目(湘教通[2018]255号); 湖南省教育科学“十三五”规划项目(湘教科规通[2017]1号); 湖南省教学改革研究项目(湘教通[2018]436号); 2019年度湖南省社会科学成果评审委员会一般课题(以创新力为导向的地方高校电子信息类人才培养路径研究); 湖南省科技计划项目(2016TP1021)

作者简介: 程望斌(1979− ), 男, 湖北咸宁人, 硕士, 副教授. 主要研究方向: 光电子技术、竞赛指导和人才培养 通讯作者: 刘硕卿(1997− ), 女, 湖南益阳人, 硕士研究生. 主要研究方向: 光通信与信息器件

24 湖南理工学院学报(自然科学版) 第32卷

芯片, 将物体重量信息转化为数字信号, 在LCD1602上显示出来. 另外系统还具有超重保护功能: 当待测物件超过额定重量时, 蜂鸣器将被触发报警. 系统总体设计框图如图1所示.

2 系统硬件设计

2.1 硬件模块设计

硬件系统主要包括五大模块的设计, 具体介绍如下: (1) 基于STCC52的单片机控制模块

高性能的CMOS 8位微控制器, 具有8K程序存储空间. 模块使用MCS-51STCC52是一种低电压、

作为内核, 并在原设计基础上作了大幅改进; 在单芯片上, 采用8位灵巧的CPU和可编程Flash, 具备独特功能和优势, 且有较好的性能指标, 为很多嵌入式控制应用系统提供了灵活、有效的解决办法.

(2) 数据采集与处理模块

数据采集模块采用电阻应变式传感器, 其中应变片包括金属和半导体, 两者结合会产生一定的应变效应. 数据处理模块使用一款高精度的24位A/D转换器HX711作为数模转换芯片, 具有精度高、价格低、反应灵敏和抗干扰能力强等优点[4].

(3) 数据显示模块

本模块是由32个5×7点阵字符位组成的LCD1602液晶屏来显示数据, 其显示容量为32个字符(共两行, 每行显示字符数不超过16个), 且显示形式多样, 显示的内容也非常丰富, 能为用户提供更加舒适的视觉感受.

(4) 按键模块

按键模块由一个“4条I/O线为行线、4条I/O线为列线”的矩阵按键组成. 其中行线与列线两两交叉, 总共有16个交叉点, 每个交叉点都有一个按键, 结构简单. 使用的开发板键盘连在单片机的入口, I/O口默认为高电平, 在无按键按下时, 系统识别的是高电平; 反之, 系统识别的是低电平. 因此, 可以通过输入线上电压的状态来判断是否有按键被按下, 进而提高I/O口的利用率.

(5) 报警模块

本模块主要由蜂鸣器构成, 当物品的重量超出电子秤的量程时, 蜂鸣器将发出警报声, 以防止器件受到损坏. 2.2 硬件系统设计

通过STCC52单片机对数据采集和数据处理模块传送过来的信息进行显示, 并通过矩阵键盘对所测物体作一系列操作, 使这些数据通过液晶设备显示出来. 硬件系统如图2所示.

应应应应1k红红红红红E+应应应应1kGND白红红红红A-应应应应1k应应应应1k绿红红红红A+E+E-A-A+HX711GNDDOUTSCKVCCMCU黑红红红红E-VDD 图2 系统硬件设计框图

在图2中, 采用CMOS 8位STCC52RC单片机作为主控制器, 电阻式压力传感器为数据采集模块, HX711数模转换芯片作为数据处理模块, 使用矩阵键盘实现人工交互功能, LCD1602作为数据显示模块, 蜂鸣器作超重报警装置.

第3期 程望斌, 等: 多功能电子秤的优化设计与实现 25

3 软件系统设计

开初软件系统主要包括数据处理和显示模块. 利用LCD1602实现数据显示, 采用按键控制方式实现称重物件单价的设置、金额的计算、数据的清除等. 系统程序设计流程图如图3所示.

测 量[5]

初初初4 系统功能实现

4.1 主要功能实现方法

主要功能实现方法如下:

(1) 压力的测量与采集. 采用传感器, 将压力信号转换为电信号, 再运用HX711模数转换芯片将模拟信号转换为数字信号, 进行外部滤波及微弱信号隔离与处理后, 使用STM32F103RCT6进行信号采集.

(2) 压力信号处理系统的设计. 设计一个以STM32F103RCT6为控制核心的压力信号处理系统, 采用可靠、准确、稳定的压力信号进行智能测量, 并实现系统化和规范化检测.

后, 将压力信号以及集总参数所对应的子信号用液晶显示屏显示输出. 4.2 系统功能实现过程

数数数数显 显超超报 报功功按按功设设设设设结 束图3 系统程序设计流程图

(3) 嵌入式系统的外部输入与显示的设计. 通过外部键盘输入集总参数, 经过STM32F103RCT6处理

利用Keil uvision 4进行编程. 初始化界面持续2s后, 系统自动跳转到单价设置界面, 用户可根据称量物体自行设置单价. 当系统检测到待测物体时, 通过压力传感器以及HX711模数转换器, 物体的重量将会在液晶屏上方得到清晰的显示. 当用户按下称重功能键后, 系统将自动计算物体的金额并显示在显示屏上. 4.3 功能分析与效果评价

数据采集模块采用的是电阻式压力传感器, 具有灵敏度好、稳定性高、适应性强的优点. HX711模数转换器是高精度的24位A/D转换器. 两者组成了精度高、性能稳定的信息接收模块. 信息显示模块采用的是LCD1602液晶显示屏, 视觉效果好、可读性强[6].

5 结语

本文设计的电子秤主要由STCC52单片机、压力传感器和24 位 A/D 芯片 HX711组合而成, 不仅具有单价设置、自动称重、金额计算等功能, 而且测量误差小, 保证称量的精确度. 当再次称量物体时, 会自动清除先前的遗留数据; 而当重量超过压力传感器的量程时, 开发板上的蜂鸣器便会被启动而发出警报, 达到保护仪器设备的目的[7]. 因此, 本文设计的电子秤功能多、检测精度高, 并对精准测量、安全操作及系统稳定等都有较好的借鉴作用.

参考文献

[1] 赵 鹏, 侯 雯. 温度对高精度电子天平称量准确度影响的研究[J]. 科技风, 2018(28): 238

[2] 姚树坤, 倪晓昌, 杨 旭, 等. 基于电子元器件称重的高精度电子称设计与实现[J]. 智能计算机与应用, 2017, 7 (05): 142~145 [3] 秦庆磊. 基于AD7190的高精度电子秤电路设计[J]. 衡器, 2017, 46 (05): 36~39 [4] 甘慧娟. 基于HX710A的高精度电子秤设计[J]. 电子制作, 2017(11): 18~20 [5] 夏东盛. 一种高精度便携式电子秤的设计[J]. 工业加热, 2017, 46 (05): 62~65

[6] 张超洋, 周启忠, 张龙江, 等. 基于ARM单片机的高精度电子秤设计与实现[J]. 电子技术与软件工程, 2017(06): 254~255 [7] 熊芯羽, 刘忠富, 石天慈, 等. 基于无线传输的电子秤系统设计[J]. 智能计算机与应用, 2017, 7 (02): 121~124