《STC89C52單片機為核心的智能電子秤設計與實現(xiàn)》15000字（論文）

IISTC89C52單片機為核心的智能電子秤設計與實現(xiàn)目錄1緒論 11.1選題意義 11.2國內外研究現(xiàn)狀 11.2.1國外研究現(xiàn)狀 11.2.2國內研究現(xiàn)狀 22設計方案與論證 42.1系統(tǒng)設計要求 42.2系統(tǒng)設計方案 42.3設計方案選型 52.3.1壓力傳感器選擇 52.3.2AD轉換芯片選擇 52.3.3數(shù)據(jù)顯示模塊選擇 62.3.4通信模塊選擇 72.3.5報警模塊選擇 83系統(tǒng)硬件設計 93.1單片機 93.1.1單片機介紹 93.1.2單片機電路設計 93.2稱重模塊硬件設計 113.2.1稱重模塊介紹 113.2.2稱重模塊電路設計 113.3報警模塊硬件設計 123.3.1報警模塊介紹 123.3.2報警模塊電路設計 133.4按鍵模塊硬件設計 133.4.1按鍵模塊介紹 133.4.2按鍵模塊電路設計 143.5數(shù)據(jù)顯示模塊硬件設計 153.5.1數(shù)據(jù)顯示模塊的介紹 153.5.2數(shù)據(jù)顯示模塊電路設計 163.6藍牙通信模塊硬件設計 173.6.1藍牙通信模塊介紹 173.6.2藍牙通信模塊電路設計 173.7晶振時鐘電路設計 183.8復位電路 184.1軟件開發(fā)工具介紹 204.2系統(tǒng)總流程設計 204.3稱重模塊軟件設計 214.4報警模塊軟件設計 224.5按鍵模塊軟件設計 224.6數(shù)據(jù)顯示模塊軟件設計 234.7通信模塊軟件設計 244.8上位機軟件設計 245系統(tǒng)測試 255.1軟硬件聯(lián)調 255.2性能測試 256結論 301緒論1.1選題意義在日常的生活當中，人們時常會遇到稱重方面的問題。因此秤成為了必不可少的工具。科技飛速發(fā)展，產品的種類日益豐富，在日常生活中人們常會運用秤，而人們對秤也提出了更高的要求。早在春秋時期，我國古人就發(fā)明了秤，當時其名稱為銅衡桿，通過時間的洗禮才演化為目前秤。由于歷史不斷向前發(fā)展，科學技術也得到了相應的發(fā)展。隨后，機械臺秤、案秤、電子計價秤、托盤天平、地磅、電子體重秤、彈簧秤（拉力彈簧秤、壓力彈簧秤）等各種類型的秤逐漸出現(xiàn)在人們的視野中。但傳統(tǒng)秤中存在著各式各樣的問題，桿秤結構比較簡單，且工藝并不復雜，整體體積很小，能夠方便人們攜帶并隨時使用，除此以外造價并不昂貴，但是使用的準確度比較低。機械臺秤、案秤、地磅只能稱取體型較大的物品，但稱重結果不是很精確，且移動不方便；托盤天平測量精準，但操作極為復雜，不便于攜帶。就目前市場電子秤的使用情況來看，電子秤雖然使用方便，但電子秤只適用于各種散貨物品的計量、不能遠距離操作、沒有去皮、調零等功能。本設計制作的智能電子秤，可實現(xiàn)物品的重量的稱量，且誤差在0-10g之內；系統(tǒng)中還有報警模塊，防止物品超重；同時本智能電子秤還能夠通過按鍵模塊選擇物品，根據(jù)設定的物品單價，計算物品總價，并顯示；除此之外本智能電子秤還能夠通過遠程的方式調整物品的單價，同時進一步分析電子秤所秤物品重量，給出重量分析圖。該智能電子秤的設計補足了現(xiàn)存電子秤的缺點，具有很大的社會價值和現(xiàn)實的意義。1.2國內外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀早在上世紀80年代美國等國家的工業(yè)非常發(fā)達，因此部分學者開始提出數(shù)字式智能秤，經(jīng)過10多年的發(fā)展，數(shù)字智能秤的種類日益增多，例如德國提出了精準度為0.01克的天平，也被稱為電子天平。其最新的BSA系列電子天平設計獨特，能有效、可靠地進行實驗室日常稱量工作。BSA系列采用40MHz的高速微處理器技術，縮短響應時間，能更快速的得到結果，即使在環(huán)境條件不夠完美的情況下，也始終能得到可靠的稱量結果，全靠高度發(fā)達的數(shù)字補償運算法則（數(shù)字補償digitalcompensation在計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，以數(shù)字運算方式對現(xiàn)場采集的信號進行補償，達到線性化或消除某些因素影響的目的。如熱電偶信號冷端補償、流量信號開平方運算、變送器非線性補償、執(zhí)行器非線性補償?shù)龋Ｃ绹鴬W豪斯公司的Ranger7000系列高精度電子秤擁有基本稱重、計數(shù)、百分比、檢重、動態(tài)稱重等。系統(tǒng)主要是由傳感器和部分電子儀器共同組成，能夠對動態(tài)輪胎力、軸重等進行測量。按照設備適應的速度范圍，可分為高速動態(tài)稱重系統(tǒng)和動態(tài)自動衡器兩種。)等諸多稱重應用模式，大大減少了人工計算的工作量，并且可以通過選件控制諸多外設以及連接第二秤臺。同時1秒顯示穩(wěn)定速度，最高達350000d顯示分度，以及貿易結算計量許可，讓Ranger7000具備了在同一級別稱重設備中無以倫比的高準確度。其設計特點：不銹鋼秤盤，紅黃綠三色檢重指示燈外加蜂鳴器報警功能，防滑可調秤腳，多語言選擇（中文、英語、法語、西班牙語等），因此能夠對濾波進行調整和設置，自動打印，穩(wěn)定顯示，過載/欠載顯示，亮度調整，自動黑屏等功能。瑞士的梅特勒-托利多公司的ME系列電子秤采用其內置多種稱重程序：基礎稱量、百分比稱量、減重稱量等，此外還能實現(xiàn)動態(tài)的溫度補償，能夠對周圍環(huán)境的溫度進行修正，避免對最終的結果產生較大影響。但這幾個公司的電子秤都應用于實驗室或者化工、醫(yī)藥、工程、倉儲等方面，專門為精細、微量物品進行檢測，在生活中并不會普遍使用。1.2.2國內研究現(xiàn)狀早在20世紀50年代中期，我國學者就開始針對電子技術進行研究，而電子技術滲入了諸多行業(yè)，推動了工業(yè)的快速發(fā)展，而經(jīng)過10多年的發(fā)展，機電結合也應用到了許多領域，目前全電子型和數(shù)字型的設備種類增多，我國的電子衡器制造行業(yè)取得了諸多成果，而我國的電子稱重技術也開始從最初的靜態(tài)稱重演變?yōu)槟壳暗膭討B(tài)稱重。計量的方式也發(fā)生了較大的變化，早期為模擬計量而現(xiàn)在為數(shù)字計量。而測量的特點也發(fā)生了變化，早期為單參數(shù)測量，目前是多參數(shù)測量。除此以外，許多學者投入該領域開展了大量分析，他們針對快速稱重等開展研究。目前涉及該領域的企業(yè)包括小米等，這些企業(yè)擁有諸多高新技術，因此電子秤技術有了大幅度的提升，例如上海友聲衡器有限公司采用先進的Σ-Δ增量調制型單片集成AD轉換技術，該技術的應用能夠使產品具有更高的精度，也能使產品采集數(shù)據(jù)的速度增快，除此以外，還能簡化電路，后續(xù)的維修也并不復雜，目前這類產品大多會結合傳感器，而內部的電路設計、元件的選擇都會對最終的測量結果產生較大的影響。都采用低功耗設計。上海英衡稱重有限公司的電子秤對于精度的要求也是極高的，精準度達到了0.1g，且正負誤差在0.1-0.3g之間。而且該公司的功能模式也比較多，四種單位可一鍵切換、可累計功能、去皮置零、計數(shù)功能一鍵切換、液晶顯示采用白光設計，在夜間使用依舊清晰可見。而且在國內，這類技術領先國際，例如中船重工集團開發(fā)了HW-2000動態(tài)汽車衡，而這些技術在汽車領域的應用，能夠實現(xiàn)無開關判別車輛等功能。除此以外，我國學者尉豐嬋開發(fā)了以STC89C52為核心的電子秤，其該系統(tǒng)主要分為稱重模塊、人際交互界面等，功能非常全面。通過數(shù)據(jù)采集部分將采集到的物品重量上傳到單片機，再通過人工智能輸入、多種價格混合計算將物品的總數(shù)顯示在液晶屏幕上等多種功能。此外邵琛越在硬件設計中，采用安卓開源硬件作為核心控制板，軟件采用模塊化的思想，本文設計了電子秤作弊檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)利用鍵盤實現(xiàn)模擬的操作，能夠對作弊碼按鍵序列進行全面遍歷，再結合機器視覺識別，能夠對電子秤屏幕的顯示正確與否進行判別。由此能夠對電子秤是否設置芯片作弊功能進行判斷。

2設計方案與論證2.1系統(tǒng)設計要求本設計功能如下：（1）實現(xiàn)0~15KG的量程測量且誤差在0~10g；（2）當物品超過測量范圍則會進行報警：（3）可以根據(jù)單價來計算物品的價格；（4）測量結果實時顯示在顯示屏上；（5）手機可遠程查看測量結果，以及通過手機端修改物品的單價并進行數(shù)據(jù)分析。2.2系統(tǒng)設計方案本文以STC89C52作為核心設計的一款電子秤，詳細的系統(tǒng)框架圖可參考下圖2-1。該系統(tǒng)主要包括稱重模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、報警模塊以及上位機。就稱重模塊而言，結合了壓力傳感器，能夠對物體的重量進行有效采集，首先獲取稱重信號之后通過AD轉換器將其生成數(shù)字信號，再傳送給中心處理。若重量超出稱重范圍，則蜂鳴器進行超重報警，若未超重則通過按鍵模塊選擇物品，根據(jù)設定的物品單價，由單片機進一步計算物品價格。物品種類、單價和總價通過藍牙通訊模塊上傳至上位機進行顯示，并且可在上位機調整物品單價，同時上位機會進一步分析電子秤所秤物品重量，給出重量分析圖。圖2-1系統(tǒng)框圖2.3設計方案選型2.3.1壓力傳感器選擇方案一：電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器是目前運用較多的傳感器之一，其內部設置有電容敏感元件，因此對壓力非常敏感，傳感器結合金屬薄膜等作為電容器的電極，如果薄膜感受到壓力則會產生變形，則薄膜和固定電極的電容量會產生變化，利用測量電路則可以輸出相應的電信號，而該電信號和電壓之間具有一定的關系。這類傳感器的結構非常簡單，具有較強的適應性，能夠適用于許多場景，當測量場景比較惡劣或待測物為導體時，該設備的性能良好。但是這款傳感器也具有一定的缺點，例如在測量的過程中阻抗較高。除此以外，負載能力較低。其輸出的特性是非線性。雖然采用的是差動結構來改善，但是不能夠完全消除。方案二：應變式壓力傳感器這類傳感器能夠對物體受力變形進行測量，這類傳感器是壓力傳感器中主流的一類傳感器，能夠對較大的壓力進行測量，也能對內燃機燃氣的壓力等進行測量，其應用到了諸多領域，這類傳感器具有較大的分辨率，能夠對極微小的應變進行測量。除此以外，這類傳感器在測量時誤差很小，整體的尺寸小，方便攜帶，重量也較輕，這類傳感器的測量范圍很寬，不僅能夠對彈性形變進行測量，還能對塑性形變的測量場景適用。除此以外，這類傳感器能夠在各類嚴峻的條件下進行工作，如果的周圍環(huán)境接近了絕對0度或者溫度高于1000℃，傳感器也能正常的運轉。除此以外，這類傳感器還能適用于磁場或放射性的環(huán)境，只要采取一定的措施，也能夠可靠的工作；同時價格低廉、品種多樣，使得人們便于選擇和使用。綜上所述，電容式壓力傳感器雖然應用范圍近幾年逐漸增大，但該傳感器的缺點也很明顯，會對寄生電容產生較大的影響，除此以外也會使傳感器的靈敏度受到負面影響，最嚴重的情況下，會導致傳感器停止工作。而應變式壓力傳感穩(wěn)定性好、分辨率高，誤差小，測量范圍廣，且價格低廉。因此，選擇方案二應變式壓力傳感器更符合設計要求。2.3.2AD轉換芯片選擇方案一：HX711轉換器芯片HX711芯片具有較高的精度，除此以外也能適用于稱重，該芯片的電源非常穩(wěn)定，且芯片內部設置有時鐘震蕩器。該芯片的集成度較高，在運轉時速度較快，也具有較強的抗干擾的能力，該芯片的集成能夠盡量的縮減成本，同時也提高了整機的性能和可靠性。方案二：AD7655轉換器AD7655芯片具有較低的成本，能支持雙通道，除此以外內部設置有SAR數(shù)模轉換器，能實現(xiàn)5V的單電源供電，該芯片具有兩個噪聲低且可進行同步采樣的放大器，且內部的ADC為16位。內部設置有轉換時鐘，也支持糾錯電路。除此以外還能實現(xiàn)串行和并行接口的轉換。單個采集保持放大器設置有多路復用器，且內部的輸入ADC為4通道。該器件具有兩類模式，其中包括正常模式、脈沖模式。在運行的過程中功耗較低，除此以外工作的溫度范圍是大于－40℃，小于85℃。通過比對，HX711轉換器相比于AD7655轉換器來說，響應速度快、抗干擾能力相對較強等優(yōu)點，因此本次設計選擇方案一，作為該設計的AD轉換芯片。2.3.3數(shù)據(jù)顯示模塊選擇方案一：OLED顯示屏OLED的全稱為有機發(fā)光二極管，它具有自發(fā)光的特點，并不需要背光源來顯示相關信息，具有較高的發(fā)光效率。相比傳統(tǒng)液晶顯示器而言，其能耗更低，另外可以運用不同的基板材質制作而成。廠家可根據(jù)特定的要求將顯示屏做成彎曲的形狀。另外在OLED中不會存在視角方面的相關限制，其視角比較寬，即使在屏幕的側面也不會出現(xiàn)失真現(xiàn)象，它的響應時間往往在幾微秒到幾十微秒左右。OLED低溫特性較好，在零下40℃也可以正常顯示，目前航天服也在使用OLED作為顯示屏。OLED屬于低電壓直流驅動，5V以下，用電池就可以點亮。高亮度，可達到300明流以上。OLED的原理主要為有機發(fā)光原理，因此在材料的需求方面較少，另外在制作工序方面更加方便，成本大幅度降低。此外OLED質量較輕，成本低省電等優(yōu)點深受客戶喜愛。方案二：LCD1602顯示屏LCD1602該顯示屏為一類工業(yè)字符型的液晶顯示屏，其總字符數(shù)量為32個，它可以在電壓的控制下對顯示區(qū)域進行有效的控制，具有較高的顯示質量，它采用純數(shù)字化的接口形式，能夠和單片機之間進行可靠的連接，操作過程也比較方便。其顯示的實現(xiàn)原理則是，通過對屏幕內電極控制液晶分子狀態(tài)進行控制從而可以顯示相關信息內容。相比于傳統(tǒng)顯示器而言，其體積更加小巧。但在字符顯示方面原理更為復雜，由于它在構成上常見的點陣字符位包括5×11和5×7這兩種類型，每個字符要運用點陣字符位的方式進行表達，在兩個位之間存在一定的間隔，另外相互之間也有間隔，所以在圖形顯示時該屏幕并不能達到良好的效果。綜合上述兩種顯示屏的比較，在電量損耗方面，OLED顯示屏相比于LCD顯示屏更低；在屏幕厚度和彎曲度方面，在OLED該屏幕中，由于缺乏液晶層以及背光層兩個部分，所以讓其整體更為輕巧，同時在制作方面能夠更好的進行彎曲。除此之外，針對顯示色彩方面而言，由于LCD顯示屏并不能夠完全將背光關閉，為此也讓該屏幕不能夠對純凈黑色進行顯示。而OLED顯示屏每個像素點都可以單獨開啟和關閉。而且OLED屏幕亮度的調節(jié)是當前顯示屏幕當中最高的，這就可以保證OLED顯示屏對于光線的適應能力更強，不管是在室內或者戶外。相對于LCD來說，OLED質量較輕，且省電的優(yōu)點，在考量兩種方案之后，最終選擇將OLED顯示屏作為顯示部分的核心硬件。2.3.4通信模塊選擇方案一：Wi-Fi無線通信WiFi技術屬于一類新型的無線局域網(wǎng)技術，它的常見頻段包括2.4G和5G這兩種類型，具有較廣的覆蓋面積，相比傳統(tǒng)有線連接的形式而言，更加簡潔方便；運輸速度最高可達11000KB/s；?線局域?使?的ISM是全球開放的頻率使?段，使得用戶端?需任何許可就可以?由使?該頻段上的服務。應充分運用串口通信形式確保數(shù)據(jù)可以在處理器之間更好的開展數(shù)據(jù)傳輸，用戶可以進行多功能擴展應用，使得控制比較簡單。方案二：ZigBee無線通信這是一類新型的無線通信技術，它的適用場景是在部分傳輸速率要求低、具有較小通信范圍的電子設備中，其聯(lián)網(wǎng)能力較強，可以支持不同的網(wǎng)絡類型，例如包括數(shù)型、網(wǎng)狀型和星型結構，在網(wǎng)狀這種結構下，它的網(wǎng)絡整體穩(wěn)定性更加可靠，采用的是2.4G這一頻段開展通訊。它的核心優(yōu)勢就是成本較低，具備嵌入式的優(yōu)勢，在操作平臺的配置基礎下進一步通過配置而得，并且可以免費切換多個工作頻段、容錯性高以及可搭載的容量較多。方案三：藍牙無線通信藍牙技術在1998年就被發(fā)明出來，同時它主要應用在短距離無線通訊領域，能夠有效提升各個設備的網(wǎng)絡互聯(lián)。它的主要特點是功耗較低，成本比較便宜，能夠靈活進行布置，同時通信過程較為安全。往往它的通信距離一般只能達到10米左右，最大可達通信距離為100米。其傳輸?shù)乃俣茸罡呖梢赃_到1Mbps，該技術屬于新興技術，具有較低的傳輸功耗，可以在無線傳感器網(wǎng)絡內得到全面推廣。另外它也普遍被應用在汽車、打印機、手機、PDA等相關設備中，目前人們也可以在生活的各個場景下看到藍牙的身影。綜合與以上全面的敘述最終可以看出，WiFi技術在數(shù)據(jù)傳輸方面質量較低，另外Wi-Fi數(shù)據(jù)在傳輸過程中容易被黑客攔截，篡改數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)安全性能相比較于藍牙較差一些；除此之外還有組建ZigBee網(wǎng)絡，在節(jié)點加入該網(wǎng)絡的時候主要步驟包括兩個方面：首先需要借助于協(xié)調器進行入網(wǎng)的連接，之后還要運用父節(jié)點實現(xiàn)入網(wǎng)，操作起來相對于藍牙來說比較繁瑣。因此綜合考慮智能電子秤的傳輸距離和環(huán)境等因素，在數(shù)據(jù)傳輸方面，本次設計的該設備主要采用的是藍牙通訊模塊來開展數(shù)據(jù)傳遞。2.3.5報警模塊選擇方案一：大部分的有源蜂鳴器其內部都具有多諧振蕩器，只需要接入直流電源，就可以實現(xiàn)自動發(fā)出聲音，所以發(fā)出的聲音音調單一、頻率固定，在單片機為其提供高低電平后即可讓其實現(xiàn)發(fā)出聲音，在程序設計方面相對更加簡單。方案二：無源蜂鳴器其內部并不存在振蕩源，如果采用直流信號進行驅動時它并不能夠發(fā)聲。想要讓其得以驅動應加入外部使能信號。另外它的驅動源主要為2~5K之間的方波，這類蜂鳴器原理上來看也和揚聲器比較類似。如果需要運用光波進行驅動，則還要額外加入二極管與其進行并聯(lián)，目的是防范在斷電時被擊穿導致其壽命受影響，它的造價比較便宜。因此綜合以上的全面對比和分析后可以看出，有源蜂鳴器的構成更加簡單，在單片機的控制作用下可以對其發(fā)聲進行有效的控制。并且本系統(tǒng)的設計中，只需要蜂鳴器進行簡單的報警，不需要其他的聲音頻率。因此選擇方案一有源式蜂鳴器，更符合該系統(tǒng)設計中對報警模塊的需求。

3系統(tǒng)硬件設計3.1單片機3.1.1單片機介紹本次使用的單片機是該系統(tǒng)的核心部分，STC89C52系列單片機是在之前51系列前提下進一步進行升級的一代產品，此款產品內部有專用電路，可以進一步提高其運行速度，另外還對外提供了豐富多樣的接口，它的性能較高，功耗比較低，另外內部具備8KB字節(jié)大小的flash儲存器。工作電壓：5.5V~3.3V（5V單片機）/3.8V~2.0V（3V單片機），工作溫度環(huán)境：-40~+85℃（工業(yè)級）/0~75℃（商業(yè)級）。實際工作范圍可達48MHz，同時片上集成512字節(jié)RAM，32個I/O接口，中斷源的總數(shù)為8個，能夠靈活轉換掉電和空閑模式實現(xiàn)運作，同時還具備看門狗以及多個定時計數(shù)器，可以實現(xiàn)豐富多樣的功能。另外此單片機可以在較低的功耗下運行，有效提升整個系統(tǒng)的續(xù)航時間。它的主要優(yōu)點則是成本較低，有效控制整體設計成本，體積較為小巧，方便進行系統(tǒng)后期的擴展等。3.1.2單片機電路設計STC89C52單片機對稱重、報警、顯示、藍牙、按鍵等各個模塊的相應數(shù)據(jù)信息進行綜合的控制，同時能夠將信息顯示出來，詳細的引腳原理可參考3-1該圖所示，它的總引腳數(shù)量為40個，其中各部分的相應功能詳細說明如下。PORT0（P0.0～P0.7）：這部分端口可以實現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)輸入和輸出控制，也能靈活轉換其用途，可以有效提升內部電路的作用。在端口中具備輸出緩沖器，可以全面推動多個TTL負載，如果在端口為高電平輸出狀況下，此時則可以運用它進行數(shù)據(jù)的輸入操作，但若使用的是8052、8032，那么，P0.0可能會充當定時器2的外部脈沖輸入腳的角色，另外，P0.1能夠發(fā)揮T2EX功能，所以通常被用于外部中斷輸入的觸發(fā)腳位。PORT1（P1.0～P1.7）：端口1是雙向I/O端口，擁有內部提升電路。每一個引腳均能實現(xiàn)4個LSTTL（低功耗高速門電路）負載，如果1該端口的輸出被設置為高電平的前提條件下，此時此端口就能夠起到輸入端口的相關作用，另外此接口通常應用在I/O端口中，若程序儲存器擴充到51單片機上。此時可以為其提供A8-A15這部分的地址總線字節(jié)，那么P1將不會被用于I/O。?PORT2（P2.0～P2.7）：其中的端口2就是雙向I/O端口，對于內部提升電路有很大作用，其也同樣配置了輸出緩沖器，能夠對4個LSTTL負載進行推動，另外還可以發(fā)揮串行通信功能，此外他還可以實現(xiàn)外部中斷控制等相關功能。PORT3（P3.0～P3.7）：針對于此接口而言，其內部具有8位雙向I/O接口，它也可以對4個TTL輸入予以驅動，如果當此端口寫入1的前提下，在內部上拉電阻的作用下此時該端口就會向高電位進行轉變，在這一前提條件下，該端口可以作為輸入口使用。本設計中STC89C52單片機引腳連接情況如表3-1所示，本設計用到的引腳為：P25、P20、P21、P22、P23、P30、P31、P10、P11、P12、P13、P14、P15、P16、P17。圖3-1STC89C52引腳圖表3-1STC89C52引腳連接表序號主控模塊引腳連接1P25蜂鳴器報警模塊2P20數(shù)據(jù)顯示模塊的SCL引腳3P21數(shù)據(jù)顯示模塊的SDA引腳4P22稱重模塊的DT引腳5P23稱重模塊的SCK引腳6P30藍牙模塊的TXD引腳7P31藍牙模塊的RXD引腳8P10按鍵模塊的S1、S2、S3、S4的行值端9P11按鍵模塊的S5、S6、S7、S8的行值端10P12按鍵模塊的S9、S10、S11、S12的行值端11P13按鍵模塊的S13、S14、S15、S16的行值端續(xù)表3-1：序號主控模塊引腳連接12P14按鍵模塊的S1、S5、S9、S13的列值端13P15按鍵模塊的S2、S6、S10、S14的列值端14P16按鍵模塊的S3、S7、S11、S15的列值端15P17按鍵模塊的S4、S8、S12、S16的列值端3.2稱重模塊硬件設計3.2.1稱重模塊介紹在稱重方面主要是借助于稱重模塊實現(xiàn)，在此模塊部分具體包括HX711芯片以及應變式壓力傳感器兩個部分共同構建而成。對于該芯片而言，它主要是一類24位的AD轉換芯片，其內部具備兩路模擬通道輸入。另外集成了128增益的可編程放大器，它的核心優(yōu)點就是可以較快的響應，能夠有效抵抗外界干擾，集成度比較高，核心的稱重原理則是：應變力感應芯片在受到力的作用下出現(xiàn)形變，這一形變進而會導致其內部電阻發(fā)生變動，通過對電路中電壓變化進行有效的監(jiān)測，進行換算，之后即可得到所需測量物品的對應重量。3.2.2稱重模塊電路設計針對于稱重模塊這一部分而言，詳細的電路原理可參考下圖3-2，另外需要說明的是，此模塊的總引腳數(shù)量為4個，其中分別包括VCC、SCK、DT、GND引腳。稱重模塊與STC89C52單片機連接時，GND引腳接地線，DOUT引腳與單片機的P22引腳連接，PD-SCK引腳與單片機P23引腳連接，VCC引腳為電源接入。稱重模塊的引腳連接表如表3-2所示。圖3-2稱重模塊引腳圖表3-2稱重模塊引腳連接表序號模塊引腳功能描述連接1GND接地電源地2DT數(shù)據(jù)輸出單片機P22引腳3SCK時鐘輸入單片機P23引腳4VCC電源電源正3.3報警模塊硬件設計3.3.1報警模塊介紹圖3-3對應展示的是報警模塊詳細的實物圖，針對于本次設計的報警模塊部分，它主要采用的蜂鳴器類型為有源蜂鳴器，此類設備的發(fā)聲原因是通過壓電效應而發(fā)聲。一般選用的材料為壓電陶瓷材料，此類材料的主要特點是，如果當材料上作用有電壓時，此時就會在電壓頻率變動基礎上產生機械變形，除此以外，如果壓電陶瓷在有振動的前提下，它還會產生電荷。換而言之，該材料可以使得電能與機械變形這兩種方式進行轉換。通過以上的相關敘述可以看出，在電壓信號的固定頻率作用下，蜂鳴器就能夠發(fā)出聲音。有源蜂鳴器在空調、定時器、電話、電子玩具、手機等相關領域中也得到了全面的推廣和使用。圖3-3報警模塊實物圖3.3.2報警模塊電路設計針對于報警模塊部分而言，詳細的引腳情況可參考3-4該圖所示，本次設計的此模塊，其引腳主要有三個部分，分別包括VCC和IN引腳以及GND組成。當物品超出測量設定的閾值時顯示報警功能。在按鍵模塊中VCC引腳主要用來與電源相接，其中GND的主要作用是負責接地，另外單片機中P25這部分引腳連接的是此模塊的IN引腳，具體的連接示意表可參考下表3-3。圖3-4報警模塊引腳圖表3-3報警模塊引腳連接表序號蜂鳴器引腳連接1VCC電源正2IN連接單片機的P25引腳3GND電源地3.4按鍵模塊硬件設計3.4.1按鍵模塊介紹本次設計的按鍵實體詳細可參考下圖3-5。針對于智能電子秤設計過程而言，由于需要進行物品類別的編碼，為此所需應用的按鍵數(shù)量比較多。本次采用的鍵盤為矩陣鍵盤，在該鍵盤中主要由兩組信號構成，具體則是行信號和列信號，如果當行信號是高電平的前提下，不管當前是否有按鍵動作發(fā)生，那么列信號其電平也始終為高電平。但如果當FGPA輸出的行信號是低電平的狀況下，此時沒有按鍵按下時則列信號也會維持高電平，再按下按鍵時行、列信號兩者會實現(xiàn)短接，則此時列信號也會被拉低，借助于這種方式可以對按鍵的按下位置開展判別。圖3-5按鍵模塊實物圖3.4.2按鍵模塊電路設計本次設計的按鍵模塊部分相應的引腳說明可參考圖3-6所示，該電路可以對物品的類別進行判別和確認，其中按鍵部分和單片機之間連接的引腳相應說明可參考下表3-4所示。圖3-6按鍵模塊引腳圖表3-4按鍵模塊引腳連接序號名稱連接1按鍵1行值連接單片機P10引腳列值連接單片機P14引腳2按鍵2行值連接單片機P10引腳列值連接單片機P15引腳3按鍵3行值連接單片機P10引腳列值連接單片機P16引腳4按鍵4行值連接單片機P10引腳列值連接單片機P17引腳5按鍵5行值連接單片機P11引腳列值連接單片機P14引腳6按鍵6行值連接單片機P11引腳列值連接單片機P15引腳7按鍵7行值連接單片機P11引腳列值連接單片機P16引腳8按鍵8行值連接單片機P11引腳列值連接單片機P17引腳9按鍵9行值連接單片機P12引腳列值連接單片機P14引腳10按鍵10行值連接單片機P12引腳列值連接單片機P15引腳11按鍵11行值連接單片機P12引腳列值連接單片機P16引腳12按鍵12行值連接單片機P12引腳列值連接單片機P17引腳續(xù)表3-4：序號名稱連接13按鍵13行值連接單片機P13引腳列值連接單片機P14引腳14按鍵14行值連接單片機P13引腳列值連接單片機P15引腳15按鍵15行值連接單片機P13引腳列值連接單片機P16引腳16按鍵16行值連接單片機P13引腳列值連接單片機P17引腳3.5數(shù)據(jù)顯示模塊硬件設計3.5.1數(shù)據(jù)顯示模塊的介紹數(shù)據(jù)顯示模塊的實物圖如圖3-7所示。OLED屏幕是當前顯示屏幕發(fā)展過程中發(fā)明的的最新顯示技術，此屏幕能夠實現(xiàn)亮度調節(jié)，也能夠更好的達到發(fā)光效果，此外它的功耗比較低，目前已得到了全面的推廣和使用。其中的接口主要有IIC、SPI、8080、6800等相關的接口形式，不同的接口需要運用屏幕中提供的BS0-BS2部分來開展配置，一般OLED默認采用SPI接口。OLED屏內部驅動芯片為：SSD1306，采用+3.3V或是+5V供電均可，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)電源的特點以及自身需求進行供電模式選擇。在OLED顯示過程中，它的核心原理則是要在電場的驅動作用下，借助于半導體材料和發(fā)光材料從而實現(xiàn)發(fā)光。從本質上來看，其中陽極部分則為ITO玻璃透明電極，其中陰極則為金屬電極，在電源的驅動作用下，此時電子則會從陰極部分向電子傳輸層進行傳輸。而陽極部分的電子則會由空穴向傳輸層進行傳遞，之后分別向發(fā)光層進行遷移，兩者在相遇的過程中就能夠產生光源。圖3-7OLED數(shù)據(jù)顯示模塊實物圖3.5.2數(shù)據(jù)顯示模塊電路設計顯示模塊部分相應的引腳設計可參考下圖3-8，針對于本次設計的該模塊而言，其引腳的總數(shù)為4個，分別為GND接地引腳、VCC電源引腳、SCL時鐘信號引腳和SDA數(shù)據(jù)信號引腳。顯示屏上顯示當前物品的種類、單價和總價。此模塊當中的GND對應代表的是接地引腳，而實現(xiàn)電源連接的引腳部分則是VCC，單片機中的P20引腳連接的是此模塊的SCL引腳，而P21引腳則與SDA引腳相連，詳細的模塊引腳示意圖可參考下表3-5所示。圖3-8數(shù)據(jù)顯示模塊引腳圖3-5數(shù)據(jù)顯示模塊的引腳連接序號數(shù)據(jù)顯示模塊引腳引腳說明STC89C521GND接地電源地2VCC電源電源正3SCL時鐘信號P20引腳4SDA數(shù)據(jù)信號P21引腳3.6藍牙通信模塊硬件設計3.6.1藍牙通信模塊介紹藍牙通信模塊實物圖如圖3-9所示。藍牙BLE模塊是一種集成藍牙功能的PCBA板。它的核心特點則是傳輸過程較為可靠，運行功耗比較低，傳輸距離較短，成本也很低廉，可快速啟動，瞬間連接，連接時間約3ms左右；傳輸距離增加，有效傳輸距離可以達到60-100m；同時通過AES-128算法加密，使得安全性更高。該模塊在諸多產品中都有廣泛的應用，例如包括遙控玩具、溫度傳感器、藍牙鎖等相關產品。藍牙模塊是負責將串口接收的數(shù)據(jù)轉換成藍牙協(xié)議發(fā)送給到對方的藍牙設備，之后還要進一步運用藍牙模塊對數(shù)據(jù)進行接收，同時將數(shù)據(jù)包轉變?yōu)榇跀?shù)據(jù)的形式向設備發(fā)送。在藍牙模塊連接時它，主要為一點與多點對應連接的關系，主設備其周圍會構建形成微微網(wǎng)，處于該網(wǎng)絡內部的相關設備都可以與此設備進行通訊。另外在連接過程中并不需要復雜的軟件對其提供支持，僅僅只需要一個主設備就能夠和整個微網(wǎng)內部其他相關設備開展有效的通信，最高可支持同時傳輸?shù)脑O備總量為7個。圖3-9通信模塊實物圖3.6.2藍牙通信模塊電路設計本次設計的藍牙通信模塊部分詳細的電路圖可參考下圖3-10所示，整個模塊的總引腳數(shù)量一共包括6個，各個部分的相應功能主要是：輸入輸出對應的接口引腳為EN引腳，連接電源的則是VCC，接地部分則為GND，TXD數(shù)據(jù)發(fā)送引腳、RXD數(shù)據(jù)接收引腳和STATE設置功能模式引腳。在藍牙和單片機兩者進行通信時主要以串口的形式開展通信。針對于本次設計的該模塊而言，其中單片機P30引腳會連接此模塊的RXD，另外P31引腳與TXD相連，詳細的引腳設計可參考下表3-6。圖3-10藍牙模塊引腳圖表3-6藍牙模塊引腳連接序號模塊引腳功能描述連接1EN可編程輸入輸出接口懸空2VCC電源電源正3GND接地電源地4TXD數(shù)據(jù)發(fā)送單片機P30引腳5RXD數(shù)據(jù)接收單片機P31引腳6STATE設置工作模式懸空3.7晶振時鐘電路設計為了能夠有效控制波特率位于9600~19200之間，使其能夠很好地運用在串口通訊場景中，往往會調整晶振頻率值為11.0592MHz。有時也會調整為12MHz，目的是要獲取精確的uS級時歇，從而實現(xiàn)定時操作功能。在單片機的內部，還配置了獨立的高增益反相放大器，這也是振蕩器構造的重要組成部分。需要在X1和X2這兩個引腳間接入石英晶體，另外還要在整個電路中加入補償電容，得到的電路圖具體可參考下圖所示，也能夠按照具體運行狀態(tài)來選取合適的石英晶體，頻率可以是6MHz、12MHz或24MHz，一般來說，補償電容的瓷片電容參數(shù)是30pF。圖3-11晶振時鐘電路3.8復位電路針對于單片機的最小系統(tǒng)而言，它對應代表的是單片機能夠實現(xiàn)運行的組成結構最為簡單的一套系統(tǒng)，它具備的功能則是能開展復位操作，常見的復位形式包括兩類，第一種為上電復位，另一種為手動操作復位的形式。在自動復位時只需接通電源之后即可實現(xiàn)復位，而手動操作則需要通過按鈕操控的形式讓其實現(xiàn)復位，接通電阻R1以及VCC接通，從而實現(xiàn)手動復位。下圖3-12為單片機復位電路圖。圖3-12復位電路圖

4系統(tǒng)軟件設計4.1軟件開發(fā)工具介紹在設計軟件時，主要按照上位機和下位機軟件這兩個方面來分別進行開發(fā)，開發(fā)過程中使用到的工具分別有KeilC51以及AndroidStudio。Keil該款軟件當前在C語言軟件編程過程中得到了全面的推廣和使用，它的功能較為強大，能夠提供語言編程、庫管理、宏匯編等多種功能，另外它還具備集成化的開發(fā)環(huán)境，能夠充分組合系統(tǒng)的各個部分。在界面方面采用的是傳統(tǒng)windows界面，它還具備了集成化的開發(fā)環(huán)境，能夠在整個開發(fā)流程中應用同一款軟件來實現(xiàn)開發(fā)，因此也大大提升了整個開發(fā)的效率。在使用過程中，開發(fā)者可以對其中編輯器進行使用，另外還可以應用該軟件生成庫文件，也可以借助于仿真器來調試目標文件并將其寫入到程序中，該款軟件具有清晰的操作界面，在開發(fā)者使用過程中能夠提供諸多的便捷。谷歌推出了一款應用于安卓應用程序開發(fā)的集成環(huán)境，具體則是AndroidStudio，此技術的提出能夠有效提升安卓系統(tǒng)開發(fā)的效率，它的核心功能則是在Gradle的前提下完成系統(tǒng)的構建。另外在后期可以借助于InstantRun實現(xiàn)變更信息向應用的推送，不需要重新對安裝包進行創(chuàng)建。此款工具具有豐富多樣的功能，內部集成了測試、性能分析、網(wǎng)絡監(jiān)測等各項功能，也可以對源代碼進行調試。使用過程中可以全面分析安裝包并對其進行調試，另外還可以完成布局的編輯，除此之外還可以支持Lua、Koltin編碼。4.2系統(tǒng)總流程設計本次設計的智能電子稱其軟件方面主要由上位機、通信模塊、報警模塊、按鍵模塊等各個部分共同構成。整個系統(tǒng)的運作流程可參考4-1該圖所示。在程序執(zhí)行過后首先應開展系統(tǒng)的初始化操作，接下來進行去皮，對實際物品重量開展稱重，借助于HX711轉換芯片可以進行信號的轉換處理，轉換后得到的數(shù)據(jù)進一步會傳輸給單片機進行判斷，分析此物品是否超重，如果超重的話則需要立即發(fā)出警報，若沒有操作接下來就會在OLED顯示屏上顯示當前重量，再進行按鍵操作，若按鍵種類按下則通過計算，將物品的種類、單價、總價顯示在OLED顯示屏上，再通過藍牙傳輸將數(shù)據(jù)發(fā)送到APP端，APP端可以修改物品的單價，同時也會統(tǒng)計當前物品所有稱重的重量，給出重量分析圖。圖4-1系統(tǒng)主程序流程圖4.3稱重模塊軟件設計稱重模塊軟件設計對應流程可參考下圖4-2，首先需要讓STC89C52的ADC引腳進行初始化，之后再測HX711稱重模塊中的電壓數(shù)值，再將ADC模數(shù)轉換電壓模擬量為數(shù)字量，接著再根據(jù)公式計算出物品的重量。圖4-2稱重模塊流程圖4.4報警模塊軟件設計此模塊的詳細流程如下圖4-3，首先需要將該模塊進行初始化，單片機需要判定其中的相關物品對應數(shù)據(jù)，若重量超過量程，蜂鳴器則馬上發(fā)出警報，若未超重，蜂鳴器則不發(fā)出警報。圖4-3報警模塊程序流程圖4.5按鍵模塊軟件設計在按鍵模塊部分，其具體的處理流程可參考下圖4-4。整體來看，在進行按鍵處理過程中首先需要針對整個按鍵的引腳部分開展初始化操作，其行值部分設置為低電平，讀取其列值的具體數(shù)值，然后分析是否當前有按鍵被按下，如果沒有按鍵動作會返回到上一步操作，如果發(fā)生按鍵動作則會進行延時，等到特定時間后再次對數(shù)值進行讀取并完成列值的判斷。接下來要再次將鍵盤中的列值部分設置為低電平，將其中的行值獲取，分析是否松開鍵盤，進而可以有效判別按鍵的動作，從而最終取得鍵值。圖4-4按鍵模塊程序流程圖4.6數(shù)據(jù)顯示模塊軟件設計顯示模塊的相應處理流程可參考下圖4-5所示，首先初始化IIC和OLED，顯示當前物品重量，再通過種類按鍵按下判斷，對該物品種類信息予以顯示，之后再次展示相應物品的總價。圖4-5數(shù)據(jù)顯示模塊程序流程圖4.7通信模塊軟件設計在藍牙通信模塊其流程方面詳細情況可參考4-6該圖所示，此模塊首先需要進行窗口的初始化操作，其次判斷是否連接上手機藍牙，若連接成功則LED指示燈常亮，若連接失敗則LED指示燈閃爍。圖4-6通信模塊程序流程圖4.8上位機軟件設計對于上位機部分而言，其中子程序的對應流程可參考4-7該圖所示，首先需要將藍牙識別器打開，運用藍牙設備來開展搜索操作，在發(fā)現(xiàn)了對應藍牙設備之后，點擊連接藍牙，獲取該藍牙設備服務UIDD，再對是否接收到下位機物品種類數(shù)據(jù)進行判斷，若接收成功，則將物品對應單價發(fā)送到下位機；若接收失敗，則返回上一級，其次再對是否接收到物品重量信息做出判斷，若接收成功，則更新上位機端的重量曲線圖，若失敗，則返回到上一層的判斷處進行重新判斷。4-7上位機子程序流程圖

5系統(tǒng)測試5.1軟硬件聯(lián)調當該系統(tǒng)軟件和硬件等相關部分完成設計過后進一步要開展系統(tǒng)的調試，并在OLED顯示屏中顯示此次稱重物品的重量、物品種類、單價和總價，還能根據(jù)按鍵模塊輸入物品種類，同時還可實現(xiàn)手機端對物品單價進行數(shù)據(jù)修改，以及上位機會進一步分析電子秤所秤物品重量，給出重量分析圖。在組裝好硬件后，檢查硬件設備的電路連接是否良好，硬件電路無誤后，編譯代碼，將程序燒錄進去，并進行軟硬件聯(lián)調。軟硬件聯(lián)調的問題及解決方法：問題一：連接好OLED后，通電發(fā)現(xiàn)顯示屏不會亮。解決方法：仔細閱讀OLED技術手冊，發(fā)現(xiàn)是引腳順序連接出現(xiàn)錯誤，順序調整過來就可以了。問題二：顯示屏上的數(shù)值顯示一直不穩(wěn)定。解決方法：排查連接線路，發(fā)現(xiàn)有一根線拉力不穩(wěn)，嘗試進行重新焊接，最終解決該問題。問題三：手機端修改單價數(shù)據(jù)，無法顯示到OLED顯示屏上，且數(shù)據(jù)分析的圖形沒有收集數(shù)據(jù)。解決方法：排查有關于上位機和下位機聯(lián)調的代碼，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析的圖形缺少下位機發(fā)送的條件，顯示才會出現(xiàn)異常，通過添加發(fā)送條件，最終解決此次出現(xiàn)的問題。問題四：程序代碼無法燒寫到單片機中進行軟硬件聯(lián)調。解決方法：檢查下載流程操作步驟，發(fā)現(xiàn)是操作步驟錯誤。經(jīng)查詢相關數(shù)據(jù)手冊資料后，按照步驟重新下載，解決所出現(xiàn)的問題。5.2性能測試智能電子秤的設計實物圖如圖5-1所示，通過KeilC51軟件來進行燒錄，借助于模塊化的思路開展該系統(tǒng)的測試工作。圖5-1智能電子秤實物圖整個測試過程詳細步驟如下：（1）本次設計的智能電子秤在數(shù)據(jù)采集方面的功能詳情可參考下圖5-2所示，在這一方面能夠借助于顯示屏對物品總重量進行觀測，在測試過程中需要放入重量不同的物品分別開展測試，等到數(shù)值穩(wěn)定過后再次進行數(shù)值的記錄，相應的測試結果具體可參考5-1該表格的統(tǒng)計所示。圖5-2數(shù)據(jù)采集測試表5-1數(shù)據(jù)采集模塊測試結果物品重量g17550121100200測量結果g1755112199200誤差010-10從表5-1中的測量結果可以看到，稱重模塊能夠正常對物品進行稱重，且誤差在規(guī)定范圍之內，從而可以充分滿足對應需要。（2）整個設計環(huán)節(jié)稱重的測量范圍為0~15kg，分別用不同重量的物品，驗證當物品超重時，是否會進行蜂鳴器報警，檢驗蜂鳴器的工作狀態(tài)，測試結果如表5