基于單片機(jī)的簡易電子秤設(shè)計與實現(xiàn)

劉西平+劉錦輝

摘要：智能電子秤給人們的經(jīng)濟(jì)生活帶來了極大的便利，受到廣大用戶的青睞。本文以MSP430單片機(jī)為核心，通過一系列軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)了小重量物體的稱重功能，并通過液晶顯示模塊和基于ISD1760的語音模塊實現(xiàn)稱重數(shù)字化顯示并精確語音播報功能。系統(tǒng)以編程后的單片機(jī)為控制核心，物體的重量通過HX711傳感器稱重模塊轉(zhuǎn)化為電信號，并經(jīng)由AD轉(zhuǎn)換，將信號輸送給LCD液晶顯示模塊和ISD1760語音播報模塊，從而將實際稱得的重量實時通過LCD顯示并語音播報。

關(guān)鍵詞：傳感器；HX711；單片機(jī)；語音模塊

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）10-0255-02

智能電子秤按照設(shè)計要求，應(yīng)分為數(shù)據(jù)采集模塊、控制器模塊、人機(jī)交互液晶顯示界面三大模塊。在功能擴(kuò)展上，還可以增加一個語音播報功能使電子秤的設(shè)計更人性化智能化?；诖?，本系統(tǒng)的實現(xiàn)包含硬件和軟件設(shè)計兩大部分，具體以MSP430 單片機(jī)為核心控制器，以電阻應(yīng)變式壓力傳感器后接HX711模塊實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換、采集和放大，從而將物體重量轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可處理的電壓信號。將處理好的電壓信號送到LCD顯示模塊和基于ISD1760的語音播報模塊，在這之前需要先將合成的語音片段按地址存入到ISD1760芯片中，記錄每一個語音片段的地址，從而通過程序調(diào)用，實現(xiàn)按照實際稱重值進(jìn)行語音播報。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

1.1系統(tǒng)硬件工作原理

該系統(tǒng)硬件主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、基于HX711傳感器稱重模塊、LCD顯示模塊和基于ISD1760的語音播報模塊，其中，單片機(jī)最小系統(tǒng)板是M430G2553開發(fā)板，傳感器稱重模塊采用雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式稱重傳感器。顯示模塊采用INEX-GLCD5110，語音模塊采用ISD1760芯片加外圍擴(kuò)展構(gòu)成。系統(tǒng)硬件控制電路總體框圖如下圖1所示：

系統(tǒng)的工作原理為：首先通過USB線給整個系統(tǒng)供電，然后將寫好的程序?qū)懭隡430單片機(jī)中，將單片機(jī)的引腳信號加載到稱重模塊、LCD顯示模塊和語音播報模塊，從而使整個系統(tǒng)工作起來。當(dāng)有物體放到秤臺上時，即可顯示并播報重量。

1.2系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

MSP430 系列單片機(jī)是一個16 位的單片機(jī)，采用了精簡指令集（RISC ）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7 種源操作數(shù)尋址、4 種目的操作數(shù)尋址）；大量的寄存器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器及高效的查表處理指令使其具有較高的處理速度，在8MHz 晶體驅(qū)動下指令周期為125 ns，這些特點保證了可編制出高效率的源程序。

1.2.2基于HX711的傳感器稱重模塊

1）基本器件介紹

HX711傳感器模塊由帶128 倍增益的24bit AD 模塊、20Kg壓力傳感器組成，通過對應(yīng)端口連接到單片機(jī)的控制端，實現(xiàn)對物體重量的測量。各模塊與HX711連接示意圖如下圖2所示：

2）基本原理講解

①20kg 傳感器

滿量程輸出電壓=激勵電壓*靈敏度2.0mv/v

②HX711模塊對產(chǎn)生的5mV電壓進(jìn)行采樣。

步驟1：如何計算傳感器供電電壓

HX711可以在產(chǎn)生VAVDD 和AGND電壓，即HX711模塊上的E+和E-電壓。

該電壓通過VAVDD=VBG（R1 +R2 ）/R2計算。

步驟2：如何計算AD輸出最大值

在4.3V的供電電壓下20Kg 的傳感器最大輸出電壓是4.3v*2mv/V = 8.6mV

經(jīng)過128倍放大后，最大電壓為8.6mV*128 = 1100.8mV

經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換后輸出的24bit 數(shù)字值最大為：550.4mV*224/4.3V ≈ 4294967

步驟3：程序中數(shù)據(jù)如何轉(zhuǎn)換

程序中通過HX711_Buffer = HX711_Read（）；獲取當(dāng)前采樣的AD 值，最大4294967，存放在long 型變量HX711_Buffer中，因 long 型變量計算速率和存放空間占用資源太多，固除以100，縮放為int 型，便于后續(xù)計算。

Weight_Shiwu = HX711_Buffer/100；Weight_Shiwu 最大為42949。

步驟4：如何將AD值反向轉(zhuǎn)換為重力值。

假設(shè)重力為x Kg，（x<20Kg），測量出來的AD值為y

20Kg傳感器輸出，發(fā)送給AD模塊兒的電壓為A Kg * 8.6mV / 20Kg = 0.43A mV

經(jīng)過128倍增益后為128 * 0.43A = 55.04AmV

轉(zhuǎn)換為24bit 數(shù)字信號為55.04 A mV * 224 / 4.3V = 214748.3648A

所以y = 214748.3648A /100 = 2147.483648 A

因此得出A = y / 2147.483648 Kg ≈ y / 2.15 g

連接好的稱重模塊如下圖3所示。

1.2.3基于ISD1760的語音播報模塊

ISD1700 系列芯片內(nèi)部包括：麥克風(fēng)前置擴(kuò)大器、自動增益控制、揚(yáng)聲器驅(qū)動線路、振蕩器與內(nèi)存等全方位整合系統(tǒng)功能。

在本設(shè)計中，為實現(xiàn)語音播報功能須事先將需要的聲音通過線錄的方式存入芯片內(nèi)，當(dāng)將此模塊連進(jìn)系統(tǒng)后則可直接通過程序調(diào)用語音。連接好的語音播報模塊實物圖如下圖4所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案

2.1 軟件功能設(shè)計目標(biāo)

稱重是系統(tǒng)的核心，語音播報是亮點。因此本次軟件開發(fā)在Windows系統(tǒng)TI CCS平臺下采用模塊化設(shè)計，包括主程序，傳感器處理子程序，LCD液晶顯示子程序及ISD1760語音芯片驅(qū)動子程序等。

稱重傳感器數(shù)據(jù)處理子程序是通過稱重傳感器的模擬信號進(jìn)行放大，AD轉(zhuǎn)換來讀取稱重值。LCD顯示子程序主要用來直觀顯示稱重值。語音播報程序是在獲得稱重值之后將稱重值報讀出來，主要是通過SPI總線對語音芯片ISD1760進(jìn)行操作。程序流程結(jié)構(gòu)如上圖5所示。

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.2.1 Altium Designer 軟件使用

使用Altium Designer 繪制單片機(jī)最小系統(tǒng)、稱重模塊、LCD顯示模塊電路原理圖、PCB圖：

如圖7、8所示。

2.2.2用CCS軟件編寫單片機(jī)控制程序

1）程序中主要變量和函數(shù)

//5110IO口初始化

voidio_initial（void）

{ P1DIR |= BIT6+BIT7；//設(shè)置為輸出

2DIR |= BIT0+BIT3+BIT4+BIT5；

}

//獲取毛皮質(zhì)量

voidGet_Maopi（）

{HX711_Buffer = HX711_Read（）；

Weight_Maopi=HX711_Buffer/100；}

voidGet_Weight（）

{ Weight_Shiwu=0；

HX711_Buffer = HX711_Read（）；

HX711_Buffer= HX711_Buffer/100；

Weight_Shiwu = HX711_Buffer；

//獲取實物的AD采樣數(shù)值Weight_Shiwu=（unsigned int）（（float）Weight_Shiwu/2.15+0.5）；}

//芯片IO初始化

voidIO_initial（void）

{ P2DIR &=～ BIT2；//設(shè)置為輸入

P2DIR |= BIT0+BIT1；

P1DIR |= BIT5；//設(shè)置為輸出

DISENISD1760_SS；

ISD1760_SCLK_H；

ISD1760_MOSI_L；

}

3 系統(tǒng)測試及總結(jié)

3.1系統(tǒng)測試方案

msp430采用TI MSP430 LunchPad 最小系統(tǒng)板，不必進(jìn)行測試。對ISD1760語音模塊測試，焊接了由STC89C51RC（調(diào)試及錄音用）與ISD1760芯片組成的語音板， 利用上位機(jī)軟件進(jìn)行了ISD1760器件復(fù)位，上電，錄音，獲取錄音地址，播放錄音等調(diào)試，以便將SPI通信移植到MSP430上。系統(tǒng)整體硬件連接實物圖如上圖6所示。

3.2項目總結(jié)

經(jīng)過多次20kg以下重物稱重測試，該系統(tǒng)重復(fù)稱重精度能達(dá)到III類標(biāo)準(zhǔn)，液晶顯示功能正常，語音播報及時準(zhǔn)確，較好的達(dá)到了預(yù)期效果。存在的不足是傳感器有時信號傳遞不穩(wěn)定，稱重誤差較大。如果改用高精密度的傳感器，效果定會明顯改善。

該系統(tǒng)操作簡單，性能穩(wěn)定，硬件選配合理，價格低廉，且易于擴(kuò)展。軟件部分加入了人性化設(shè)計，如超重報警，語音播報等特色功能，智能化、自動化程度較高。同時該系統(tǒng)可擴(kuò)展性較強(qiáng)，通過對軟硬件的修改或擴(kuò)展，如添加鍵盤等，即能設(shè)計出富有特色的計價秤、電子臺秤等，因此具備一定的工業(yè)應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 程林.超省電型電子秤的設(shè)計方案[D]. 福州：福建省計量科學(xué)技術(shù)研究所，2008.

[2] 趙茂泰.電子測量儀器設(shè)計[M].武漢： 華中科技大學(xué)出版社. 2010.