王俊芳++王海斌 倪曉昌

摘要：電子秤系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括硬件電路設(shè)計(jì)，軟件編程調(diào)試，實(shí)物稱重三部分。硬件電路部分是以單片機(jī)STC89C52RC為核心控制單元，實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的處理。數(shù)據(jù)采集部分選用壓力傳感器，采用24位AD轉(zhuǎn)換芯片HX711對(duì)傳感器采集到的模擬量進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)放大后送到單片機(jī)進(jìn)行處理，由LCD12864液晶顯示數(shù)據(jù)，軟件部分采用keil編程實(shí)現(xiàn)。稱重測(cè)量結(jié)果顯示：稱重范圍5.00～500 g，重量小于50 g時(shí)，稱重誤差小于0.5 g；重量在50 g及以上，稱重誤差不大于1 g。此電子秤具有快速方便、數(shù)字顯示、自動(dòng)計(jì)價(jià)去皮，金額自動(dòng)累加等優(yōu)點(diǎn)。[JP]

關(guān)鍵詞： STC89C52RC； 電阻應(yīng)變片； AD轉(zhuǎn)換； 電子秤

中圖分類號(hào)： TP391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-2163（2016）06-0121-04

[0引言

衡器是通過(guò)將被測(cè)物體作用其上來(lái)確定該物體質(zhì)重的計(jì)量器具。在衡器的發(fā)展演變過(guò)程中，曾經(jīng)先后出現(xiàn)了6種類型的衡器設(shè)計(jì)，分別是：架盤天平、不等臂平臺(tái)秤、吊車秤、傾斜象限桿秤、彈簧秤和自動(dòng)秤[1]。時(shí)下，隨著現(xiàn)代科技的重要飛躍與高速進(jìn)步，衡器也開始轉(zhuǎn)入了便利化、數(shù)字化、智能化的發(fā)展方向[2]。

基于此，本次研究即采用了電阻式應(yīng)變片傳感器作為信號(hào)采集單元、STC89C52RC單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一款重量輕、計(jì)量準(zhǔn)確、讀數(shù)直觀、價(jià)格低廉的便攜式智能電子秤系統(tǒng)，適于樣品稱重、廚房配料，中藥藥鋪稱重等多種場(chǎng)合。

[BT4]1研究設(shè)計(jì)方案

[BT5]1.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)成本較低，以電阻應(yīng)變片為稱重傳感器的簡(jiǎn)易電子秤。

1）電子秤可以數(shù)字顯示被稱物體的重量，單位克（g）；

2）電子秤稱重范圍5.00～500 g；重量小于50 g，稱重誤差小于0.5 g；重量在50 g及以上，稱重誤差小于1 g；

3）電子秤可以設(shè)置單價(jià)（元/克），可計(jì)算物品金額并實(shí)現(xiàn)金額累加；

4）電子秤具有去皮功能，去皮范圍不超過(guò)100 g。

[BT5]1.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本次研發(fā)系統(tǒng)主要由控制、測(cè)量、放大轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示、鍵盤和電源等部分集結(jié)構(gòu)成。在此，給出研究設(shè)計(jì)的整體架構(gòu)如圖1所示。

[BT5]1.3電子秤的工作設(shè)計(jì)原理

當(dāng)被測(cè)物體放置到稱重平臺(tái)上時(shí)，電阻應(yīng)變片傳感器將隨稱重懸臂一起發(fā)生形變，傳感器的力效應(yīng)則轉(zhuǎn)化成電效應(yīng)，也就是物體的重量將轉(zhuǎn)換為與被測(cè)物體重量成一定線性函數(shù)關(guān)系的模擬電信號(hào)，只是這個(gè)時(shí)候該信號(hào)還屬微弱級(jí)別，因而需將其進(jìn)行放大、濾波后，再經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后送入CPU將實(shí)現(xiàn)定制處理。具體地，CPU將對(duì)鍵盤和各種功能開關(guān)提供實(shí)時(shí)掃描，并根據(jù)鍵盤輸入內(nèi)容和各種功能開關(guān)的狀態(tài)做出判斷、分析，同時(shí)由軟件程序來(lái)控制各種運(yùn)算，最后將運(yùn)算結(jié)果顯示在液晶屏上。

[BT4]2硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)是電子秤的重點(diǎn)與關(guān)鍵。研究得到的功能原理設(shè)計(jì)則如圖2所示。下面，將針對(duì)此次研發(fā)中的具體應(yīng)用實(shí)現(xiàn)給出如下闡釋與論述。

電阻應(yīng)變片式傳感器的基本構(gòu)成通?？煞譃?部分：彈性敏感元件和應(yīng)變計(jì)。彈性敏感元件在被測(cè)物理量的作用下，將產(chǎn)生一個(gè)與其成正比的應(yīng)變，然后用應(yīng)變計(jì)作為轉(zhuǎn)換元件將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化[3-5]。該傳感器的工作原理可如圖3所示。

用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，將其粘貼在彈性體上。當(dāng)彈性體受力變形時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵也隨之變形，其阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，再通過(guò)一定電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化[6]。由圖3可知，本次研究采用了惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，輸出信號(hào)電壓即可由式（1）[7]運(yùn)算得到：

Eout=R2×R4（R2+R4）×△R1R1+△R2R2+△R3R3+△R4R4×Ein[JY]（1）

本次研究得到的電阻應(yīng)變片式傳感器具有如下強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)：使用方便，應(yīng)用和測(cè)量范圍廣，精度較高，結(jié)構(gòu)小巧，頻率響應(yīng)好，對(duì)試件影響輕微，對(duì)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在高溫、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)等特殊環(huán)境中使用，因而利于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動(dòng)化測(cè)量。

[BT5]2.2A/D轉(zhuǎn)換器

研究可知，A/D轉(zhuǎn)換部分對(duì)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的成功運(yùn)作具有重要意義[8]。HX711芯片即是一種專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)發(fā)布的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片[9]，與同類型其它芯片相比，該芯片的選用不僅降低了電子秤的整體成本，更重要的則是提高了整機(jī)的性能和可靠性。該芯片與后端MCU 芯片的接口和編程非常簡(jiǎn)單，所有控制信號(hào)均由管腳驅(qū)動(dòng)，無(wú)需對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器來(lái)拓展配置編程[10]。輸入選擇開關(guān)可任意選取通道A或通道B，與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連。通道A 的可編程增益為128 或64，對(duì)應(yīng)的滿額度差分輸入信號(hào)幅值分別為±20mV或±40mV。通道B 則為固定的32 增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器提供電源，系統(tǒng)板上無(wú)需添加另外的模擬電源。芯片內(nèi)的時(shí)鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動(dòng)復(fù)位功能簡(jiǎn)化了開機(jī)的初始化過(guò)程[11]。

考慮到本系統(tǒng)中對(duì)物體重量的測(cè)量和場(chǎng)合使用的精度要求，以及對(duì)轉(zhuǎn)換速率也呈現(xiàn)出明確快捷要求，本次設(shè)計(jì)采用了24位的A/D轉(zhuǎn)換器HX7411。A/D轉(zhuǎn)換電路圖如圖4所示。

[BT5]2.3鍵盤處理電路

[HT5”SS][ST5”BZ][WT5”BZ]

由于此電子秤需要設(shè)置單價(jià)（10個(gè)數(shù)字鍵），還具有確認(rèn)、刪除、去皮、計(jì)價(jià)等功能，總共需設(shè)置17個(gè)鍵（包括一個(gè)復(fù)位鍵）。鍵盤的擴(kuò)展方案采用了矩陣式鍵盤。矩陣式鍵盤的特點(diǎn)是把檢測(cè)線分成2組，一組行線，一組列線，按鍵將部署在行線和列線的交叉點(diǎn)上。當(dāng)鍵盤的數(shù)量大于8時(shí)，一般都采用矩陣式鍵盤。[JP3]結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，16個(gè)按鍵使用4×4矩陣式鍵盤，另外一個(gè)復(fù)位鍵將使用獨(dú)立式按鍵設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[7]。[JP]

[BT5]2.4報(bào)警電路

當(dāng)被測(cè)物體重量超過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所允許的限值時(shí)，研究中利用控制程序使單片機(jī)的I/O口轉(zhuǎn)為高電平，此時(shí)三級(jí)管導(dǎo)通，蜂鳴器即會(huì)發(fā)出警報(bào)聲，同時(shí)報(bào)警燈閃爍[12]。

綜上可得，本次研發(fā)中設(shè)計(jì)構(gòu)建的系統(tǒng)實(shí)物呈現(xiàn)如圖5所示。

[BT4]3程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)研究中，軟件部分依據(jù)功能應(yīng)用可劃定為6 個(gè)模塊，分別是主程序模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤掃描控制模塊、顯示模塊和報(bào)警模塊[13]。主程序流程圖給出了系統(tǒng)工作的基本過(guò)程，描述了信號(hào)的基本流向，從而可全面發(fā)揮控制導(dǎo)引作用。 主程序流程如圖6所示。

[BT4]4實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1測(cè)量調(diào)試

研究得到電子秤的稱重精度主要由傳感器決定，而不同的傳感器所配設(shè)的精度特性曲線也各不一樣，因此，每一個(gè)傳感器的參數(shù)在程序中均需要進(jìn)行適當(dāng)校正。當(dāng)發(fā)現(xiàn)測(cè)試出來(lái)的重量偏大時(shí)，增加該數(shù)值；如果測(cè)試出來(lái)的重量偏小時(shí)，減小該數(shù)值；此數(shù)值一般在2.15附近之間調(diào)整[14]?？偟貋?lái)說(shuō)，該參數(shù)因傳感器不同而有針對(duì)性地生成調(diào)整限定。

[JP2]電子秤的精度調(diào)節(jié)需要用砝碼展開反復(fù)的統(tǒng)計(jì)測(cè)量。在測(cè)量調(diào)試過(guò)程中，研究采用分段的方法，即將量程區(qū)間分為3段，分別為：5.00～50.00 g， 50.00～200.00 g， 200.00～500.00 g。再根據(jù)各個(gè)階段的誤差值在程序中進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的調(diào)試校準(zhǔn)修正。[JP]

修正測(cè)量結(jié)果如圖7所示，插入圖為砝碼值較小時(shí)的放大圖。從測(cè)試修正四曲線可以看出，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量校正后的曲線滿足線性且接近真實(shí)值，說(shuō)明系統(tǒng)最優(yōu)，達(dá)到測(cè)試要求。

由表1數(shù)據(jù)可以看出，重量小于50 g時(shí)，稱重誤差小于0.5 g；重量在50 g及以上，稱重誤差小于1 g，且可設(shè)置電子秤每0.5 s自動(dòng)稱重，累積3次取平均值刷新顯示，這樣測(cè)量誤差可控制在表1所列范圍，稱重速度較快，而且精度較高。

4.2.2誤差分析及改進(jìn)

懸臂的材質(zhì)，貼電阻感應(yīng)片處的厚度，感應(yīng)片的質(zhì)量及粘貼時(shí)對(duì)氣泡的處理，稱重溫度等都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的作用和影響。為此，可設(shè)計(jì)提出如下改良方案：

1）考慮電子電路的設(shè)計(jì)中對(duì)各種影響因素的處理，比如對(duì)電壓過(guò)大情況采取有效防范措施；

2）粘貼電阻應(yīng)變片時(shí)，要按規(guī)范步驟有序設(shè)置操作，防止其與懸臂貼合時(shí)沾染灰塵產(chǎn)生氣泡；

3）系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)盡量?jī)?yōu)化。通過(guò)程序的算法及參數(shù)的選取來(lái)改善系統(tǒng)硬件部分對(duì)電子秤精度的影響；

4）了解各種實(shí)用芯片性能和價(jià)格，選用質(zhì)量?jī)?yōu)等的電子元器件，尤其是要高度重視電阻應(yīng)變片的款型選擇

[BT4]5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)稱重傳感器信號(hào)處理電路的分析和實(shí)測(cè)，可以總結(jié)出，此電子秤整體上具備了線路完善、轉(zhuǎn)換精度高、調(diào)試步驟簡(jiǎn)單、而且功耗低、以及無(wú)溫漂等眾多特點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求。

另外，隨著對(duì)生活質(zhì)量的高優(yōu)追求，電子秤還可以擴(kuò)展外延更多電路，如日歷時(shí)鐘電路、通訊接口電路等。日歷時(shí)鐘電路則可顯示購(gòu)貨日期，通訊接口電路則可與上位機(jī)（PC機(jī)）進(jìn)行通訊，從而將大量的商品數(shù)據(jù)存于上位機(jī)，然后通過(guò)串口或并口通訊與電子稱相連，達(dá)到遠(yuǎn)距離操控的滿意效果目的。

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