基于單片機與藍牙傳輸的電子秤設計

吳瑩妃

（哈爾濱商業大學，黑龍江 哈爾濱 150028）

0 引 言

隨著科技的發展，超市對物品的稱重需求不再滿足于顯示重量，傳統簡單機械單一計重秤早已無法滿足新要求。數字化、網絡化、小型化、多功能集成化成為新的發展趨勢，具有精度高、操作簡單、體積小、計價與顯示等獨特優點的電子秤脫穎而出。對此，本文以單片機為核心控制芯片，利用24 位高精度模數轉換器（HX711）和藍牙技術，完成對具有稱重計價顯示功能且能通過藍牙將數據發送至手機APP的電子秤的設計。

1 總體設計方案

1.1 系統框圖設計

本文電子秤系統由四部分組成：質量采集模塊、數據處理模塊、人機交互界面模塊、藍牙傳輸模塊。質量采集模塊主要用于采集物品質量，并將質量由模擬量轉化為數字量，以供單片機處理，該模塊由壓力傳感器、放大電路及模數（A/D）轉換模塊組成；數據處理模塊用于對采集到的數據進行分析與計算，包括判斷物品是否超重、由單價計算總價、控制液晶顯示屏輸出字符等，其核心為單片機；人機交互模塊用于方便用戶對系統參數進行控制和用戶接收系統傳遞信息，由4×4 按鍵矩陣、液晶顯示屏組成，其中鍵盤用于輸入單價、按鍵操作等，液晶顯示屏用于顯示目前狀態；藍牙模塊核心為藍牙SPP 串口透傳，通過官方串口助手進行連接與控制，實時更新當前物品重量。此外還添加了過載蜂鳴器報警功能。系統框圖如圖1所示。

圖1 電子秤系統框圖

1.2 數據采集模塊

設計采用電阻式壓力傳感器，相對于其他傳感器，此類傳感器精度高、操作簡單、固有頻率高，容易上手。附著在應變片上的敏感元件感受壓力并產生形變，電阻式應變片感受到形變且電阻隨之改變，從而對測量電橋產生影響，并通過輸出電壓反映該變化。

對不同的金屬，電阻率有所不同，這是物體固有性質無法改變，但對某一固定金屬，一般情況下，金屬形狀越薄，則該物品電阻值越大，這就是電阻式壓力傳感器的基本工作原理：當有外力加在金屬上并造成其形變時，壓縮的力會使金屬變短變粗，相反拉伸的力會使金屬變長變薄，前者使阻值增大，后者使阻值減小。

雖然將應變片搭建成橋路并提供電源后，在輸出端就可以得到反映重量的輸出信號，但該輸出信號存在很多誤差，例如電橋非線性誤差、溫度誤差等，這是由傳感器的結構產生的，為了減少誤差，一般采用四臂差動電橋電路。

電阻應變橋式電路將物品的重量轉化為電阻的變化，并由此改變了輸出電壓值，將該結果輸出到模數（AD）轉換器中。

HX711 模數轉換芯片的精度達到了24 位。除了精度高，HX711 集成度也高，其內部集成的穩壓電源與時鐘振蕩器使其擺脫了外圍電路的束縛，使用簡單，響應速度快，靈敏度高。

作為專為電子秤設計的模數轉換芯片，HX711 有兩個通道以供選擇，通道A 增益通過編程可選擇128 或64，通道B 增益不可更改為32。控制信號由管腳驅動，不需要內部寄存器的編程，與單片機連接十分方便。進行硬件連接時，系統板無須接入其他的模擬電源，因為芯片內部集成有穩壓電源，且該穩壓電源可為傳感器和HX711 提供電源，簡化了硬件電路，且芯片自動上電，簡化了開機過程。HX711內部方框圖如圖2所示。

圖2 HX711 內部結構圖

1.3 數據處理模塊

AT89C51 單片機是一種8 位的單芯片微控制器，是MCS-51 單芯片的一種，具有4K 的ROM 和128 字節的RAM。MCS-51 采用標準40 引腳雙列直插式封裝。51 單片共有4 組I/O 口，分別為P0 口、P1 口、P2 口和P3 口，除了做普通I/O 口，P0 口還可做數據總線和地址總線，P2 口可做地址總線，P3 口可通過對特殊功能寄存器編程來設置特殊功能。

EA/VPP 引腳用于選擇控制訪問存儲器，該引腳為高電平時，單片機先讀取內部ROM，再讀取外部ROM；當為低電平時，單片機直接讀取外部ROM，而不讀取內部ROM。RET 為復位引腳，輸入超過兩個機器周期的高電平即觸發有效。

XTAL1 和XTAL2 引腳用于外接晶振，時鐘是單片機的“心臟”，時鐘既可由芯片振蕩回路提供，也可由外部時鐘提供，前者需要XTAL1 和XTAL2 引腳外接石英晶體和微調電容，后者需要XTAL1 和XTAL2 引腳外接時鐘脈沖信號。本設計采用使用內部振蕩回路，內部振蕩回路需要附加外部電路形成時鐘，即附加外接晶振和電容組成的并聯諧振回路。振蕩晶體可在1.2 MHz 到12 MHz 內選擇，電容可在20 pF到100 pF 之間選擇。

51 單片機自帶16 位的定時器/計數器T0、T1、T2，定時器/計數器有方式1 和方式2 兩種模式以供選擇，模式的選擇通過改變特殊功能寄存器TMOD 來實現，通過指令可以對特殊功能寄存器TMOD 進行編程。除此之外，定時器/計數器的模式由TCON 等特殊功能寄存器來控制。無論是定時器還是計數器，當發生溢出時，都會向CPU 發出中斷申請，CPU 根據當前中斷位的設置判斷是否響應。

1.4 人機交互模塊

人機交互模塊分為人為輸入和系統輸出，即人通過按鍵輸入單價，系統通過液晶顯示屏顯示當前屬性。本系統采用LCD1602 液晶顯示屏芯片，該芯片使用范圍廣、質量高、體積小、功耗低，由字符型液晶顯示屏LCD、控制驅動主電路及按鍵鍵盤等構成。

用戶輸入時通過4×4 矩陣鍵盤實現的，在4×4 矩陣鍵盤中，行由4 條I/O 線組成，列由4 條I/O 線組成，行和列交叉有16 個節點，每個節點有一個按鍵，交叉點的線本身不連接而是通過按鍵連接。按鍵沒有按下時，所有輸入端為高電平，當有按鍵按下時，輸入電平變為低電平，通過讀取線的電平即可確定按鍵位置。該矩陣鍵盤能夠提高I/O 口利用率。

LCD1602 的使用編程中，涉及ASCII 值的轉變與顯示。ASCII 碼值本身為數字，但它是用于表示字符的碼值，在實際運用中，不同程序的ASCII 碼值對應不同的作用。其中65 到90 為大寫的26 個英文字母，97 到122 為小寫的26 個英文字母。

1.5 藍牙模塊

藍牙是一種無線技術的標準，不僅可以實現固定設備數據交換，還可實現移動設備、樓宇個人網之間的短距離數據交換。藍牙可連接多個設備，克服了數據同步的難題。藍牙技術是世界著名的5 家大公司于1998年5月聯合宣布的一種無線通信新技術。藍牙設備是藍牙技術應用的主要載體，常見藍牙設備比如電腦、手機等。藍牙產品容納藍牙模塊，支持藍牙無線電連接與軟件應用。藍牙設備連接必須在一定范圍內進行配對。這種配對搜索被稱之為短程臨時網絡模式，也被稱之為微微網，可以容納設備最多不超過8 臺。藍牙設備連接成功，主設備只有一臺，從設備可以多臺。藍牙技術具備射頻特性。采用了TDMA 結構與網絡多層次結構，在技術上應用了跳頻技術、無線技術等，具有傳輸效率高、安全性高等優勢，所以被各行各業所應用。

JDY-31 是基于藍牙3.0SPP 協議的芯片，支持主流系統（Windows、Linux、Android）的數據透傳，工作頻段為2.4 GHz，最大發射功率為8 dB、調制方式為GFSK，傳輸距離可達30 米。貼片式JDY-31 引腳圖如圖3所示，JDY-31 使用經典藍牙協議、可應用于Windows 電腦藍牙串口透傳、Android 藍牙串口透傳、智能家居控制、汽車ODB 檢測設備、藍牙玩具、共享移動電源、共享體重秤、醫療儀器等。

圖3 JDY 引腳圖

JDY-31 使用官方串口助手，JDY-31 模塊串口發送AT指令時必須加上 ，列舉一些常用指令：AT+VERSION查詢版本號、AT+RESET 軟件復位、AT+DISC 斷開連接、AT+ENLOG 串口狀態輸出使能等。

2 系統硬件設計

2.1 最小系統電路設計

18、19 拐腳外接電容和晶振的并聯諧振電路，電容選擇為30 pF，晶振選擇為23 MHz，該回路為單片機提供了12 MHz 的時鐘。RET 拐腳外接電容與按鍵并聯電路，當按鍵按下時并保持兩個時鐘周期時，就會重新啟動單片機。P3.3 拐腳外接LED 燈，用于顯示當前單片機的開關機狀態。P0 口八個拐腳都外接上拉電阻，這是由單片機內部結構決定的，由于內部三態門且無上拉電阻，故外接上拉電阻將輸入拉高或拉低，既不影響邏輯又保證輸入不會漂空。

2.2 傳感器及模數轉換（HX711）外圍電路設計

對于單片機來說，需要將VCC 引腳接電源、GND 引腳接地。因為使用通道A，所以INNA 和INPA 連接按鍵模擬輸入，DOUT 拐腳與單片機P1.1 拐腳連接用于數字和串口數據的輸出，PD_SCK 拐腳與單片機P1.2 拐腳連接，用于實現數字、斷電控制和串口時鐘的輸入。

根據以上時序進行編程，即可完成對HX711 芯片的控制。

對于傳感器與HX711 的連接需謹慎注意，傳感器對形變的感測靈敏度很高，故要小心不要超載，以防出現外力撤銷后形狀不能復原的狀況。傳感器有四根線用于連接，其中紅線為電源正極輸入，黑線為電源負極輸入，白線輸出信號1，綠線輸出信號2。

2.3 按鍵及LCD1602 顯示電路設計

VSS 引腳和VCC 引腳分別接電源和地。BLA 和BLK是背光源的正負極分別接電源和地。V0 引腳連接上拉電阻，由于3 腳就是用來調整顯示的字符和不顯示之間的對比度，調整好了對比度，就可以讓顯示更加清晰，本次實驗中連接已調好值的電阻。RS 拐腳與單片機P2.5 拐腳連接，用于單片機控制選擇數據寄存器和指令寄存器。R/W 拐腳與單片機P2.6 連接，用于單片機進行讀操作和寫操作的控制。對RS和R/W 拐腳的控制可以實現以下功能：RS 低電平、R/W 低電平時，寫入指令和顯示地址；RS 低電平、R/W 高電平時，讀信號；RS 高電平、R/W 低電平時，寫入數據。E 引腳與單片機P2.7 拐腳連接，當P2.7 拐腳有下降沿產生時，液晶模塊執行命令。DB0 ～DB7 引腳8 051 的P0 相連，通過這8 個引腳讀寫數據和命令。

2.4 藍牙模塊及矩陣鍵盤電路設計

如圖4所示，系統采用4×4 位矩陣鍵盤，分別與單片機的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 相連，藍牙模塊JDY31 讀數據拐腳RXD 與單片機P3.0 相連，寫數據拐腳TXD 與單片機P3.1 相連，GND 拐腳連地，VCC 拐腳連+5 V 電源。

圖4 系統完整硬件設計

3 系統實現

3.1 程序與功能說明

程序流程圖如圖5所示，該電子秤系統具有去包裝稱重、去皮、有記憶微加、有記憶微減、計算總價、超重報警、液晶顯示屏顯示數值、藍牙連接手機APP 記錄數據等功能。

圖5 系統實現流程

開啟時，提示燈閃爍，期間在傳感器上放包裝盒，系統自動錄入該包裝盒重量，提示燈熄滅，蜂鳴器蜂鳴示意，之后稱重時，系統會自動去掉包裝重量。若顧客或商家想要對重量進行微調，可通過微加鍵和微減鍵進行調節，且調節結果有記憶功能，之后不必再調節。按下去皮鍵，系統對正在稱重的皮重進行記錄，并在以后的重量顯示中，去掉皮重。

輸入單價后，系統對物品進行總價計算并顯示在顯示屏上，若單價輸入錯誤，可通過按鍵返回上一步重新輸入。手機藍牙串口助手APP 通過藍牙與系統連接，此時APP 能夠接收物品總價。

3.2 實物測試

圖6為測量時，顯示屏分別顯示重量、單價及總價，此時重量為0.218 kg，單價為56.2元/kg，計算得出總價為12.2元。

圖6 測量及計價狀態

4 結 論

隨著電子技術的不斷發展，未來電子秤的功能注定得到不斷的改進。本文電子秤運用HX711、STC89C51、LCD1602 以及藍牙技術，能對5 kg 以內物品進行重量稱量，重量誤差在0.001 kg 以內，精度高，體積小，能夠輸入物品單價、計算總價并顯示，操作簡單，攜帶方便，不僅在日常家用稱重中能夠得到應用，并且在大型商場也有十分廣闊的前景，應用范圍十分廣泛。