基于單片機的電子秤硬件系統設計

葛笑寒

(三門峽職業技術學院 電氣工程學院，河南 三門峽 472000）

市場上的秤樣式繁多，對于傳統的度量工具如盤秤、桿秤等，存在著測量精度不高，測量過程復雜，讀值不方便，甚至存在不法商販動手腳等問題。現在市場上，電子秤產品的總體水平普遍不高，存在運行不可靠，成本高，校正時間長，能源消耗大等問題。因此，可以從技術上解決上述難題，設計出一個簡單高效的電子秤系統，具有一定的現實意義。

1 方案設計

電子秤設計的原理就是：當放上物體時，重量轉為電信號，經過模數轉換，由單片機進行處理。本設計采用模塊化設計法，將硬件結構分功能劃成了數據采集、矩陣鍵盤、顯示、報警和單片機最小系統控制模塊。其中，數據采集模塊包括稱重傳感器和A/D轉換電路。最小系統則包括單片機、晶振、復位等部件。鍵盤由4X4位矩陣鍵盤組成，可以控制顯示重量和價錢等信息；顯示部分由LCD1602液晶顯示。報警功能則有蜂鳴器和LED燈來實現。方案如圖1所示。

圖1 硬件電路設計總框圖

2 電路設計

2.1 數據采集電路設計

數據采集電路是整個電子秤設計的基礎，所有的功能都是圍繞對采集的數據進行的操作。采集電過程包括力-電轉換和A/D轉換。稱重傳感器是電阻應變式壓力傳感器，能夠承受10kg的重量，能夠將壓力轉為電壓差讀取。而AD轉換電路采用了專用型24位AD轉換器HX 711芯片模塊。電路如圖2所示，串口數據輸出DT與P12相連，斷電控制和串口時鐘輸入SCK接P13。通過編程選擇SCK輸入脈沖數選擇通道A，增益128。

2.2 最小系統電路設計

如上所述，電源電路、時鐘電路、單片機、復位電路能夠形成一個單片機最小系統。給單片機提供一個時間基準，單片機就會按照這個決定執行速度。時鐘電路選用了12MHz的晶振提供時鐘。執行一條基本指令需要的時間為一個機器周期。其中晶振提供一個正弦波信號，電容C1和C2起穩定作用。單片機的復位電路，按下復位按鍵之后可以使單片機進入剛上電的起始狀態，只有是高電平才能正常復位。將上電復位和手動復位結合在一起組合成混合復位電路來完成復位的功能。上電復位利用RC充放電，在RST上加一個短暫的高電平，當充完電后，電容斷開，程序恢復運行。當程序死機或需要重新開始時，就需要手動復位，按下按鍵，VCC就直接連接到了RST，電容被短路放電；按鍵松開，就恢復到低電平，繼續給電容充電。圖中10K排阻為P0口的上拉電阻，由于P0口跟其他IO結構不一樣為漏極開路的結構，因此要加上拉電阻才能正常使用。

2.3 矩陣鍵盤電路設計

鍵盤是就是電子秤系統的輸入設備，能夠進行簡單的人機互動，里面包含了一組按鍵。它通過將鍵盤排列成行列式矩陣的形式，實現了對IO口復用，節約了IO口線的數目。使用的是要靠自編軟件識別的非編碼鍵盤。通過軟件設置相應按鍵的功能，輸入數據或命令，顯示屏就會顯示想要的操作結果。按鍵是處于常開狀態，只有按下時才閉合。電路如圖2所示。將每行按鍵的一端分別于P3口的前四個引腳依次相連，每個按鍵的另一端以按列的方式分別與P3端口的后四個引腳相接。使用時通過掃描法查詢哪一個按鍵處于低電平的狀態，以確定哪個按鍵被按下。將不同的按鍵返回不同的值來實現對顯示屏的操作，實現多種交互性的功能。

圖2 設計總電路圖

2.3 LCD1602顯示電路設計

由于本設計中要求顯示界面顯示一些參數，因此這里選用了LCD1602作為界面顯示，可以把一些相關的參數進行顯示。將STC89C51的PO口8個引腳分別連接到液晶屏的D0-D7即數據端；P2.5連接到LCD的片選信號，下降沿觸發；P2.6作為LCD的讀寫信號；P2.7當作基控器內寄存器選擇信號。具體如圖2所示，V0為液晶屏顯示對比度的調整端，對比度過高時會產生“鬼影”，連接了一個10K和1K的電阻，以保證顯示時不會影響讀數。

2.4 報警電路設計

報警電路由蜂鳴器和LED燈組成，超重時蜂鳴器會不斷發出響聲，紅燈也會不停閃爍。其電路如圖2所示。報警電路是聲光報警，分兩個端口對其分別進行操作。當重量大于10kg時，單片機會通過程序設置端口的電平值，從而使燈和蜂鳴器分別發出光和聲音。對于蜂鳴器，就要給P1.0一個低電平，而對于LED燈就需要給P1.1一個高電平，這樣才能使它們導通，正常工作。蜂鳴器部分使用了一個PNP型的三極管放大驅動，使其工作。

2.5 硬件電路原理總圖

基于以上分析，本次設計的電子秤需要通過鍵盤控制單價輸入、校準等功能，顯示的價格由液晶屏顯示，并且需要有超重報警的功能。所以，硬件電路除了包含單片機最小系統即振蕩電路、復位電路、電源，還在P3口接了一個4×4的矩陣鍵盤，P0端口通過10kΩ的排阻接到液晶屏的數據端，P2端口中5、6、7腳則控制液晶屏的讀寫控制。數據的采集和處理由傳感器和24位的AD轉換芯片HX711來完成，HX711的時鐘和數據輸出端分別接到P1端口的2、3腳。報警電路則由蜂鳴器和LED燈來實現，P1.0控制蜂鳴器，P1.1控制LED燈。電源為5V的直流電源，加了一個自鎖開關可以控制電源的通斷。如圖2所示。