引 言

本產(chǎn)品采用軟硬件結(jié)合的方法，通過(guò)向單片機(jī)內(nèi)下載軟件程序來(lái)控制硬件電路實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)電子秤的功能，在電子秤的基本功能基礎(chǔ)上擴(kuò)展了時(shí)鐘萬(wàn)年歷和超重報(bào)警等新功能。新型電子秤稱重系統(tǒng)可分為單片機(jī)最小工作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、人機(jī)交互界面操作系統(tǒng)、時(shí)鐘萬(wàn)年歷及超重報(bào)警系統(tǒng)等五部分 [1]。STC89C52RC 單片機(jī)和經(jīng)典復(fù)位電路組成了單片機(jī)的最小系統(tǒng) ；信號(hào)放大、稱重傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換組成了數(shù)據(jù)采集部分，模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大功能則通過(guò) HX711 芯片實(shí)現(xiàn)，HX711 是一款專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的 24 位A 模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片，該芯片具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn) ；電子秤的人機(jī)交互操作界面通過(guò)手動(dòng)矩陣鍵盤輸入和數(shù)據(jù)液晶顯示完成，即鍵盤輸入單價(jià)，液晶顯示屏顯示稱重?cái)?shù)據(jù) ；時(shí)鐘模塊由時(shí)鐘芯片 DS1302 和時(shí)鐘顯示電路構(gòu)成 ；LCD1602 顯示器可以切換顯示時(shí)鐘萬(wàn)年歷 ；蜂鳴器具有報(bào)警功能，當(dāng)稱重物體超過(guò) 5 kg 時(shí)，蜂鳴器自動(dòng)報(bào)警 [2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

電子秤是通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)物體的重量，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換和單片機(jī)的信息處理后，再控制硬件電路顯示結(jié)果的電子衡器。電子秤由以下三部分組成 [3]。

(1) 承重、傳力復(fù)位系統(tǒng)。承重、傳力復(fù)位系統(tǒng)就是智能電子秤稱重的部位，它能采集被稱物體的重量，即被稱物體對(duì)秤本身有力的作用。

(2) 稱重傳感器。稱重傳感器把非電量轉(zhuǎn)換成電量，把對(duì)秤施加的力轉(zhuǎn)換成便于計(jì)算的電信號(hào)。稱重傳感器是將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詼y(cè)量的電信號(hào)并輸出的裝置。要注意的是， 在應(yīng)用傳感器時(shí)，要注意傳感器的工作環(huán)境是否適合其工作，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，可能會(huì)造成傳感器的損壞和整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。

稱重傳感器可根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)分為不同的類型。直接位移傳感器包括電容式、感應(yīng)式、電位差計(jì)、腔諧振器傳感器， 應(yīng)變傳感器主要有電阻應(yīng)變傳感器等。稱重傳感器需使得輸出電量和輸入重量成一定的正比關(guān)系，稱重傳感器靈敏度高， 對(duì)物體狀態(tài)影響小，能在惡劣的工作條件下工作，具有較好的頻率響應(yīng)特性，穩(wěn)定可靠。

(3) 測(cè)量顯示和數(shù)據(jù)輸出的負(fù)載測(cè)量裝置。用于測(cè)量顯示和數(shù)據(jù)輸出的負(fù)載測(cè)量裝置主要是被用來(lái)處理稱重傳感器信號(hào)的電子電路和指示器件。放大器、補(bǔ)償元件等構(gòu)成了稱重傳感器信號(hào)的電子線路，稱重傳感器的指示部件有顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。?shù)字式測(cè)量電路通常包括前置放大、濾波、變換、控制和顯示等眾多環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)運(yùn)用比較重要。

2 單片機(jī)主控電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控電路由 STC89C52RC 單片機(jī)、晶體振蕩器電路和復(fù)位電路組成。主控制電路在整個(gè)系統(tǒng)中起著決定性作用 [4]。作為系統(tǒng)的核心單元，電路的連接方式如圖 1 所示。

3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用 C 語(yǔ)言編程， 編譯環(huán)境選用 KeilμVision3。Keil μVision3 是美國(guó) Keil Software 公司開發(fā)的程序編譯工具，與匯編相比具有明顯優(yōu)勢(shì)，操作簡(jiǎn)單，被大眾接受。

圖 1 主控模塊電路

Keil μVision3 能夠完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等開發(fā)過(guò)程。開發(fā)人員可以使用 IDE 或其他編輯器編輯 C 或匯編源文件，然后編譯并連接 C51 和 A51 編輯器以生成可執(zhí)行的二進(jìn)制文件（.HEX），然后通過(guò) MCU 的燒錄軟件將 .HEX 文件下載到 MCU。軟件的運(yùn)行主要包括三個(gè)方面， 即初始化系統(tǒng) ；密鑰檢測(cè) ；數(shù)據(jù)采集、處理和顯示。這三個(gè)方面的操作在主程序中執(zhí)行。程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，完整清晰，易于編程和讀取，易于調(diào)試和修改。

4 系統(tǒng)仿真

在硬件電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，原理圖的繪制采用 Protel99SE 軟件。Protel99SE 是一款應(yīng)用于 Windows9X/2000/7/NT 等操作系統(tǒng)的 32 位 EDA 設(shè)計(jì)軟件，這款軟件采用設(shè)計(jì)庫(kù)管理模式，可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力、開放性及 3D 模擬功能，可以完成電路原理圖設(shè)計(jì)，印制電路板設(shè)計(jì)和可編程邏輯器件設(shè)計(jì)等工作，因其簡(jiǎn)單易用而深受電子工程師的喜愛。因此，它已成為許多高校電子相關(guān)專業(yè) EDA 工具的必修課。采用 Protel99SE 軟件繪制原理圖的主要步驟如下 ：

(1) 建立本系統(tǒng)所需原件庫(kù) ；

(2) 將所建原件庫(kù)加載到工程項(xiàng)目中 ；

(3) 將所需元器件放在原理圖頁(yè)面上，并根據(jù)電氣性能進(jìn)行連接 ；

(4) 建立原件封裝庫(kù)并載入到工程文件中 ；

(5) 繪制電路后進(jìn)行 ERC電氣檢測(cè)，并生成網(wǎng)絡(luò)表。

電路原理如圖 2所示。由于仿真軟件的局限性，無(wú)法制作仿真圖，因此必須嚴(yán)格按照原理圖焊接，不能出現(xiàn)絲毫差錯(cuò)，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

5 系統(tǒng)調(diào)試

5.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試

電路焊接后，進(jìn)行電路連接試驗(yàn)。首先用萬(wàn)用表檢測(cè)各連接點(diǎn)，確保各連接點(diǎn)完好，然后仔細(xì)檢測(cè)各電路之間是否有短路現(xiàn)象，如有短路現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)處理，避免損傷元件。用萬(wàn)用表檢查后，通電測(cè)試，當(dāng)產(chǎn)品與電源連接時(shí)，用萬(wàn)用表檢查各連接點(diǎn)是否符合預(yù)期電壓值，無(wú)誤后進(jìn)行聯(lián)機(jī)檢測(cè) [5]。各芯片功能測(cè)試 ：預(yù)編譯一個(gè)簡(jiǎn)單的程序（程序應(yīng)反映芯片的功能），將程序輸入硬件電路的微控制器 MCU 中，觀察各芯片是否實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)功能，如果芯片運(yùn)行正常，則表明芯片未損壞，可正常使用。新型智能電子秤實(shí)物如圖3 所示。

圖 3 智能電子秤實(shí)物

在硬件調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決方案。

(1) 經(jīng)過(guò)放大器的傳感器信號(hào)不穩(wěn)定，且不滿足設(shè)定的放大倍數(shù)。信號(hào)不穩(wěn)定的原因在于傳感器精度不準(zhǔn)確，連線時(shí)線路不穩(wěn)定 ；不滿足放大倍數(shù)是由于放大器的選擇不合適， 導(dǎo)致無(wú)法滿足設(shè)定的放大倍數(shù)。因此可以通過(guò)選擇精度高的傳感器，預(yù)先計(jì)算好運(yùn)算放大倍數(shù)以解決該問(wèn)題。

(2) 在進(jìn)行硬件調(diào)試時(shí)，未做全方位的考慮，電源電壓過(guò)高，未做好電路保護(hù)措施。針對(duì)這類問(wèn)題，需要自身培養(yǎng)良好的習(xí)慣，杜絕犯同樣的錯(cuò)誤。

5.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試

硬件調(diào)試完成后，進(jìn)行軟件調(diào)試。軟件調(diào)試是通過(guò)連接和執(zhí)行用戶程序并發(fā)現(xiàn)程序中的語(yǔ)法和邏輯錯(cuò)誤，以消除和糾正錯(cuò)誤的過(guò)程。在調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)模塊調(diào)試實(shí)現(xiàn)程序各功能模塊的調(diào)試。首先確認(rèn)模塊程序能否正常運(yùn)行 ；之后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，不僅可以快速檢查程序的功能與實(shí)際需求之間的差異，更能夠在發(fā)現(xiàn)差異后快速更改程序，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求 ；最后，對(duì)各模塊進(jìn)行組合調(diào)試，確保各功能模塊都能實(shí)現(xiàn)功能。

6 數(shù)據(jù)分析

(1) 由于稱重傳感器靈敏度高，因此在稱量物品時(shí)，所得數(shù)據(jù)會(huì)上下浮動(dòng)，但浮動(dòng)的數(shù)據(jù)均在合理的誤差范圍內(nèi)。

(2) 時(shí)鐘萬(wàn)年歷具有獨(dú)立供電設(shè)備，時(shí)間的準(zhǔn)確度不受其他稱重電路的影響，因此一般不存在數(shù)據(jù)誤差。

(3) 未擴(kuò)展更多電路，部分功能的實(shí)現(xiàn)通過(guò)通信接口電路與上位機(jī)（PC機(jī)）通信，將大量商品數(shù)據(jù)存于上位機(jī)， 然后通過(guò)串口或并口通信與電子秤相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。

(4) 在購(gòu)買元器件時(shí)，未全方位了解價(jià)格，部分元器件購(gòu)買價(jià)格偏高。之后在購(gòu)買元器件時(shí)，將吸取此次教訓(xùn)，進(jìn)行多方面的比較，爭(zhēng)取購(gòu)買價(jià)格、性能優(yōu)越的元器件。

7 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的智能電子秤，此電子秤符合國(guó)家對(duì)于計(jì)量精度和穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)要求，且制作方法簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格便宜，滿足了人民大眾的生產(chǎn)生活需要。該智能電子秤集眾多技術(shù)于一體，如單片機(jī)技術(shù)、稱重技術(shù)等，其性能特點(diǎn)主要表現(xiàn)在智能化方面，無(wú)需付出大量時(shí)間和精力便能開發(fā)出具有多樣功能的智能電子秤，如稱重計(jì)價(jià)、時(shí)鐘顯示、超重報(bào)警等。該電子秤還可以擴(kuò)展出其他功能，只需對(duì)硬件電路和軟件程序稍加修改，便能夠得到功能的改進(jìn)和擴(kuò)展。