基于單片機(jī)數(shù)字式智能電子熱量稱的設(shè)計(jì)

1.引言

稱重裝置是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和商品流通擴(kuò)大中不可缺少的計(jì)量工具，電子秤以其準(zhǔn)確、快速、方便、顯示直觀等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到人們的青睞。隨著人們生活水平的提高，在全民重視健康，生活品質(zhì)日益提高的今天，除了能夠?qū)崿F(xiàn)稱重，智能化和開(kāi)發(fā)新功能是設(shè)計(jì)研發(fā)的主要趨勢(shì)。開(kāi)發(fā)智能熱量稱功能成為一個(gè)新方向，將電子技術(shù)實(shí)際應(yīng)用到日常生活中，解決和填補(bǔ)人們?cè)趯?shí)用生活家電某些功能的不足和空白。本文研究基于單片機(jī)的電子稱設(shè)計(jì)，在不增加成本的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)電子稱的新功能，設(shè)計(jì)數(shù)字式智能電子熱量稱，指導(dǎo)人們健康生活，具有實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值。

2.電子熱量稱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

稱重傳感器感應(yīng)被測(cè)重力，本設(shè)計(jì)中選用電阻應(yīng)變式壓力傳感器作為電子稱稱重傳感器，當(dāng)有垂直壓力作用時(shí)，傳感器將電阻值變化轉(zhuǎn)化成微弱的毫伏級(jí)電壓信號(hào)輸出。該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路放大后輸入模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再輸出到單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)根據(jù)矩陣鍵盤輸入的熱量信息，把電子熱量稱得到的結(jié)果輸出液晶顯示器顯示。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1中，傳感器信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路采用HX711芯片。HX711是專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片，內(nèi)置增益控制，精度高，性能穩(wěn)定，芯片通過(guò)2線串行方式與單片機(jī)通信。單片機(jī)讀取被測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換，再液晶屏上顯示出來(lái)。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 稱重傳感器

本設(shè)計(jì)中稱重傳感器采用高精度電阻應(yīng)變式壓力傳感器，測(cè)量量程0-10kg,測(cè)量精度可達(dá)5g.電阻應(yīng)變式壓力傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，穩(wěn)定性較好，精度和靈敏度較高，壽命較長(zhǎng)，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求不太嚴(yán)格。內(nèi)部由4個(gè)電阻應(yīng)變片構(gòu)成惠更斯電橋，當(dāng)拉伸或壓縮應(yīng)變片產(chǎn)生變形，它的阻值將發(fā)生變化，從而使電橋失去平衡，產(chǎn)生相應(yīng)的差動(dòng)信號(hào)，供后續(xù)電路測(cè)量和處理。電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)量原理如圖2所示。

3.2 HX711電路

圖3為HX711構(gòu)成的稱重信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路，通道A與傳感器相連，管腳PD_SCK和DOUT組成串口通訊線，用來(lái)輸出數(shù)據(jù)，選擇輸入通道和增益。

當(dāng)數(shù)據(jù)輸出管腳D O U T為高電平時(shí)，表明A/D轉(zhuǎn)換器還未準(zhǔn)備好輸出數(shù)據(jù)，此時(shí)串口時(shí)鐘輸入信號(hào)PD_SCK應(yīng)為低電平。

當(dāng)DOUT從高電平變低電平后，PD_SCK應(yīng)輸入25至27個(gè)不等的時(shí)鐘脈沖。其中第一個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿將讀出輸出24位數(shù)據(jù)的最高位(MSB)，直至第24個(gè)時(shí)鐘脈沖完成，24位輸出數(shù)據(jù)從最高位至最低位逐位輸出完成。第25至27個(gè)時(shí)鐘脈沖用來(lái)選擇下一次A/D轉(zhuǎn)換的輸入通道和增益。

PD_SCK的輸入時(shí)鐘脈沖數(shù)不應(yīng)少于25或多于27,否則會(huì)造成串口通訊錯(cuò)誤。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入通道或增益改變時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器需要4個(gè)數(shù)據(jù)輸出周期才能穩(wěn)定。

DOUT在4個(gè)數(shù)據(jù)輸出周期后才會(huì)從高電平變低電平，輸出有效數(shù)據(jù)。

3.3 矩陣鍵盤

在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接，本設(shè)計(jì)中使用8051單片機(jī)的P1口用作鍵盤I/O口，鍵盤的列線接到P1口的低4位，鍵盤的行線接到P1口的高4位。列線P1.0-P1.3分別接有4個(gè)上拉電阻到正電源+5V,并把列線P 1 . 0 - P 1 . 3設(shè)置為輸入線，行線P1.4-P1.7設(shè)置為輸出線。4根行線和4根列線形成16個(gè)相交點(diǎn)。在交叉點(diǎn)設(shè)置4×4矩陣鍵盤，可以顯示0-9數(shù)字、小數(shù)點(diǎn)和五個(gè)功能鍵。

3.4 液晶顯示

液晶顯示選用128*64漢字屏JLX12864G-086-PC顯示信息。該顯示模塊既可以當(dāng)成普通的圖像型液晶顯示模塊使用(即顯示普通圖像型的單色圖片功能)，又含有JLX-GB2312字庫(kù)IC,可以從字庫(kù)IC中讀出內(nèi)置的字庫(kù)的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)寫(xiě)入到LCD驅(qū)動(dòng)IC中，以達(dá)到顯示漢字的目的。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以STC89C52為核心器件，使用keil C51編譯器，結(jié)合proteus軟件對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行功能仿真。系統(tǒng)軟件由定時(shí)中斷模塊、鍵盤掃描模塊、顯示模塊、主程序模塊構(gòu)成，定時(shí)器用來(lái)實(shí)現(xiàn)每0.5秒稱重一次。主程序流程圖如圖4所示。

5.系統(tǒng)性能測(cè)試

在設(shè)計(jì)電路的過(guò)程中，先在proteus軟件中仿真，模擬重量的電壓值由電路中的電位計(jì)來(lái)控制，改變電壓，相當(dāng)于改變重量在壓力傳感器上的輸出電壓。以實(shí)現(xiàn)模擬稱重的過(guò)程。仿真成功后，實(shí)際制作出電路模型，輸入食物的單位熱量參數(shù)，進(jìn)行實(shí)物調(diào)試，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

6.總結(jié)

以單片機(jī)為核心研制出新型的數(shù)字式電子熱量稱，在軟硬件控制下實(shí)現(xiàn)智能化稱重，并根據(jù)重量直接轉(zhuǎn)化為常見(jiàn)食物的熱量。該設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，在不增加成本的前提下，通過(guò)單片機(jī)技術(shù)，開(kāi)發(fā)電子秤零成本的新功能，為電子秤開(kāi)辟新的應(yīng)用道路，成為現(xiàn)代家庭都買得起的必備電子產(chǎn)品。在全民重視健康，生活品質(zhì)日益提高的今天，將電子技術(shù)實(shí)際應(yīng)用到日常生活中，為家家戶戶提供健康參考，解決和填補(bǔ)人們?cè)趯?shí)用生活家電某些功能的不足和空白，具有廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值。