基于单片机的电子秤设计

于雯雯

（大连职业技术学院，辽宁大连 116037）

0 引言

电子秤在日常生活中有着广泛的应用，由于其测量精度高、使用简单、重量值和价格读取直观，因此取代了传统的以杆平衡为原理的机械秤。随着电子技术的不断发展，人们对于电子秤的功能要求也越来越多，除了能够称量物体以外，还需要能够计算和显示价格。以单片机作为核心控制芯片，设计一款电子秤，应用Altium Designer 18 软件设计电子秤的硬件电路，运用Keil 软件设计出电子秤的控制程序，使用该电子秤能够精确测量0～5 kg 的物体。该电子秤不仅能够精确测量物体重量，还能输入单价、计算物体总价并显示出来。

1 总体设计方案

所设计的电子秤可实现基本的称重功能，称重范围为0～5 kg，重量误差≤±0.005 kg；能够输入物体的单价，准确计算出被秤物体的总价；被称物体的重量、单价、总价可以通过显示屏显示出来；当被秤物体的重量超过最大测量范围5 kg 时，电子秤能够发出报警信号。为了实现上述功能，电子秤应包含数据采集模块、信号放大模块、A/D 转换模块、显示模块和按键处理模块，电子秤设计方案框图如图1 所示。

图1 电子秤系统框图

2 系统的硬件设计

基于单片机的电子秤除了控制核心单片机以外，还包括单片机最小系统、由称重传感器构成的数据采集电路、由A/D 转换芯片构成的信号放大和A/D 转换电路、由LCD1602 构成的显示电路、矩阵键盘电路和报警电路，其硬件电路如图2 所示。

图2 电子秤硬件电路

电子秤的核心控制单元采用STC89C52 单片机。数据采集模块、信号放大模块和A/D 转换模块由压力传感器和A/D 转换芯片组成。本设计选择双孔悬臂平行梁电阻应变式称重传感器，量程为5 kg，精度为0.01%，它利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。称重传感器采集的压力信号是模拟量，且传感器应变产生的电信号也比较弱，通常只有几十mV；单片机系统内部运算处理的都是数字信号，因此单片机无法直接处理运算模拟量，必须将传感器产生的微弱信号进行放大处理，再将处理过的模拟量转换为数字量，提供给微处理器处理。模数（A/D）转换芯片就是将输入的模拟信号转换成数字信号的电路，采用HX711 作为A/D 转换芯片，这是电子秤常用的一种A/D 转换芯片，它是24 位的高精度A/D 转换芯片，与单片机的接口和编程都比较简单，所有控制信号都是由单片机引脚驱动，不需要对HX711 内部的寄存器进行编程。单价的输入需要通过按键完成，因为按键较多，使用独立键盘会占用较多I/O口，因此采用矩阵键盘。HX711 的PD_SCK 引脚与单片机P2.0引脚连接在一起，DOUT 引脚与单片机P2.1 引脚连接。电子秤采用LCD1602 显示被称量物体的重量、单价和总价，第一行显示重量和单价，第二行显示总价。LCD1602 的VSS 引脚接地，VDD 引脚接电源，VEE 引脚接103 电位器的中间，电位器两端分别接电源和地。控制引脚RS 接单片机P1.0 引脚，RW 接单片机P1.1，E 接单片机P1.2。数据引脚D0～D7 分别接单片机的P0.0～P0.7。背光控制引脚15 接电源，16 引脚接地。矩阵键盘连接在单片机的P3 口上，P3.0～P3.3 连接矩阵键盘的行线，P3.4～P3.7 连接矩阵键盘的列线。键盘要能完成单价的输入，即数值输入，当输入错误时可以撤销错误输入并修改；单价输入后系统可以根据物体的重量计算出总价。所设计电子秤称重范围是0～5 kg，为了防止称量物体超过称重范围，设计超重报警电路，该电路由蜂鸣器和PNP 型三极管组成。蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机I/O 引脚输出的电流较小，驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大的电路，这里采用三极管作为驱动电路，通过三极管放大驱动电流，从而可以让蜂鸣器发出声音。报警电路的连接如原理图2所示，蜂鸣器正极与三极管集电极连接，蜂鸣器负极接地，三极管发射极接电源，基极接单片机P1.3 引脚。当P1.3 引脚为低电平的时候，蜂鸣器响；当P1.3 引脚为高电平时，蜂鸣器不响。这样通过控制P1.3 引脚输出状态可以控制蜂鸣器的工作。

3 程序设计

电子秤程序主要有3 部分重要内容：①将称重传感器上获得的模拟电压信号通过A/D转换芯片转换成数字信号，再通过程序处理转换成重量值，并写入到LCD1602 中显示出来；②通过按键可以输入被称量物体的单价，输入错误时可以撤销输入；③可以根据被称量物体的重量和单价计算出物体的总价。

主程序流程如图3 所示，程序开始应该先对LCD1602 液晶显示器进行初始化，然后显示器显示电子秤初始画面，界面包括重量、单价和总价3 个部分，初值都为0；单片机读取在没有重物的情况下A/D 传感器输出值，即皮重；蜂鸣器响一次提示电子秤准备好了。接着单片机循环读取A/D 输出值并转换成重量值写入LCD1602 显示出来。系统查询矩阵键盘中是否有键按下，如果有键按下执行相应的按键程序。

图3 主程序流程

4 结束语

设计一种基于单片机控制的小型电子秤，其称重范围在0～5 kg，重量误差≤±0.005 kg，能够称量物体重量并显示，能够输入物体的单价并显示，能够计算物体的总价并显示。该电子秤测量精确度高，使用简单直观，电子秤电路所使用的芯片和材料成本低廉，可满足日常称重需求。