針對傳統(tǒng)電子秤功能單一、精度不高等問題，結(jié)合傳感器、單片機(jī)和智能控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于 AT89C52單片機(jī)和HX711模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的多功能電子秤。進(jìn)行電子秤硬件、軟件的設(shè)計(jì)，制作了樣機(jī)，并 使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對樣機(jī)進(jìn)行了測試。

0.引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，需 要用到稱重儀器的場合越來越多，同時(shí)也對稱重儀器 的要求也越來越高，只完成物重稱量、精度不高的傳 統(tǒng)電子秤已遠(yuǎn)不能滿足使用要求。因此，具有使用 方便、稱重快速、計(jì)量準(zhǔn)確、功能多樣、精度高、讀數(shù)方 便和價(jià)格便宜的電子秤，已成為稱重儀器的發(fā)展方 向。以單片機(jī)為核心的控制技術(shù)在電子秤系統(tǒng)中的 應(yīng)用，不僅可以實(shí)現(xiàn)對物品的精確稱重，還能根據(jù)用 戶需求進(jìn)行單價(jià)設(shè)定及總價(jià)計(jì)量、累計(jì)、去皮、清零、 自動(dòng)待機(jī)和超重報(bào)警等功能，從而方便用戶，提高稱 重效率，達(dá)到智能稱重目的。

1.電子秤總體設(shè)計(jì)

電子秤總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電子秤系統(tǒng)以 單片機(jī)為核心，由稱重?cái)?shù)據(jù)采集、鍵盤輸人、電源、液晶 顯示和聲光指示幾個(gè)模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊由 稱重傳感器、信號放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路組成，主 要完成物品重量信息采集、處理并最終轉(zhuǎn)換為單片機(jī) 能識別的數(shù)字信號，稱重傳感器將物品重力對傳感器 產(chǎn)生的微小形變量轉(zhuǎn)換為微弱的電信號，再經(jīng)過放大 電路進(jìn)行放大，達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換電路能檢測的范圍,最 后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送人單片機(jī)，由單片機(jī)對稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn) 行處理，得到物品重量數(shù)字信號。為方便用戶，電子秤 具有計(jì)算和存儲功能,通過鍵盤設(shè)定物品單價(jià)，單片機(jī) 由物品重量數(shù)據(jù)和物品單價(jià)計(jì)算出物品總價(jià),液晶顯 示模塊完成物品重量、單價(jià)、總價(jià)等信息顯示。鍵盤模 塊主要用于參數(shù)輸入及功能選擇，如單價(jià)設(shè)定、去皮、 累計(jì)和清零等功能的操作。聲光指示用于指示用戶系 統(tǒng)待機(jī)、物品超重等指示。電源模塊為傳感器電路、A/ D轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示電路和單片機(jī)等各模塊供電。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1傳感器的選擇及電路設(shè)計(jì)

選擇合適的傳感器，對電子秤的精度、穩(wěn)定性、 成本有重要意義。目前，電子秤用傳感器主要有壓 電式、電容式和應(yīng)變片式傳感器。應(yīng)變片式傳感器 具有精度高、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，而得到廣 泛使用。本設(shè)計(jì)中，選擇具有溫度自補(bǔ)償功能的電 子衡器用電阻應(yīng)變片為傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)。電阻應(yīng) 變片在檢測物品重量時(shí)，粘接在稱重裝置受力形變 較大的敏感部位（一般為金屬），并在金屬敏感部位 受力變形時(shí)電阻應(yīng)變片同時(shí)發(fā)生形變，電阻應(yīng)變片 發(fā)生電阻應(yīng)變效應(yīng)，使電阻應(yīng)變片阻值發(fā)生變化， 其阻值大小的變化反映了重物質(zhì)量的大小。但 考慮到在電子秤設(shè)計(jì)中，金屬敏感部位受力形變太 大振動(dòng)也愈劇烈，其穩(wěn)定所需時(shí)間也較長，電子秤 稱量時(shí)間也會(huì)加長，所以實(shí)際應(yīng)用中金屬敏感部位 受力形變量較小，電阻應(yīng)變片的形變量也很小，其 阻值變化也非常小，阻值變化不方便精確測量，故 采用電路將對應(yīng)變電阻的測量轉(zhuǎn)換為電壓的測量， 傳感器電路如圖2所示。綜合考慮電子秤設(shè)計(jì)，系 統(tǒng)選擇的稱重傳感器靈敏度為2 mV/V、最大量程 為 5 kg。

該電路中，4個(gè)可變電阻為同參數(shù)電阻應(yīng)變片， VCC為電源正極，GND為電源負(fù)極，U+和U_為 電壓輸出端，將對電阻的檢測轉(zhuǎn)換為對電壓的檢 測。并且電路是對稱的，當(dāng)無外力時(shí)，4個(gè)電阻應(yīng)變 片阻值相等，輸出電壓U為零;應(yīng)變片受力形變時(shí)， 2個(gè)應(yīng)變片被拉伸阻值增大，另外2個(gè)應(yīng)變片被壓 縮阻值減小，電路處于非平衡態(tài)，電路輸出電壓信態(tài)相同（如R1和R3，R2和R4收縮），故該 電路沒有線性誤差，電路檢測精度和靈敏度都較 高，精度為單個(gè)應(yīng)變片工作時(shí)的4倍，并有抗溫度漂 移作用。另外，考慮到電子秤使用時(shí)間較長，為防 止外界環(huán)境溫度、濕度變化對應(yīng)變片的影響，需要 對粘接好的應(yīng)變片用膠進(jìn)行密封，與外界隔離，提 高其測量穩(wěn)定性。

2.2信號放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

物品重量信息經(jīng)稱重傳感器電路轉(zhuǎn)換為電壓 信號后，由于應(yīng)變片本身形變量較小故輸出電壓信 號變化也很小，不方便直接使用，輸出的電壓信號 需要放大后才能使用，而且該電壓信號放大后仍然 是模擬量信號，單片機(jī)無法識別，還需要將模擬量 信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后才能供給單片機(jī)使用，而在 此過程中，放大電路的精度、穩(wěn)定性及A/D轉(zhuǎn)換的 精度，將直接影響電子秤的稱重準(zhǔn)確性、精度、反應(yīng) 時(shí)間等主要參數(shù)。另外，單獨(dú)設(shè)計(jì)放大電路及A/D

也無法保障，故這里選擇高精度電子秤專用A/D轉(zhuǎn) 換芯片HX711來實(shí)現(xiàn)。

HX711芯片是專門用于電子稱重系統(tǒng)的A/D 轉(zhuǎn)換芯片，其響應(yīng)快、抗干擾力強(qiáng)和價(jià)格便宜，并具 有高達(dá)24位的轉(zhuǎn)換精度、最高128倍的放大倍數(shù)、 士40 mV的輸入電壓、上電自動(dòng)復(fù)位和自帶穩(wěn)壓電 源等功能，能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，使用也很 方便。可直接將HX711芯片模擬量輸入通道A與 電阻應(yīng)變片傳感器電路連接，對傳感器電路輸出信 號進(jìn)行放大。其接線電路如圖3所示.

HX711芯片采用5 V直流電源供電，同時(shí)5 V 電源正極端連接HX711的AVDO端子作為芯片模 擬電源，并給傳感器電路供電，傳感器電路輸出模 擬電壓信號給HX711的A通道接口接收稱重信號模擬量。B通道輸人端接熱敏電阻用于補(bǔ)償因溫度變化對應(yīng)變電阻阻值產(chǎn)生的影響，提高數(shù)據(jù)采集的可靠性。PD-SCK和Dout端子各連接單片機(jī)1位I/O接口，單片機(jī)通過發(fā)出不同電平信號控制PD -SCK端電平狀態(tài)，控制A/D轉(zhuǎn)換，通過Dout端將稱重?cái)?shù)字信號發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)接收到稱重信號進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換為重量信息，并以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)完成電子秤其他功能.

2.3鍵盤電路模塊

為了方便用戶在使用電子秤時(shí)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定及功能選擇，需要進(jìn)行鍵盤電路模塊設(shè)計(jì)。這里采用標(biāo)準(zhǔn)4X4薄膜矩陣鍵盤。數(shù)字鍵0?9用來設(shè)定單價(jià)參數(shù)，*為小數(shù)點(diǎn)，A為“清零”功能按鍵，B為“累計(jì)”功能按鍵，C為“去皮”功能按鍵，D為“單位”切換功能按鍵，#為“存儲”功能按鍵。用戶通過鍵盤按鍵進(jìn)行相應(yīng)功能的操作。

2.4液晶顯示模塊

電子秤借助顯示屏告知用戶稱重結(jié)果，為了更加直觀、方便、清晰地顯示稱重信息，選用具有亮度高、漢字顯示功能的12864液晶顯示屏，可更加詳細(xì)、清晰地在一塊顯示屏上分行顯示物品重量、單

價(jià)、金額等信息，并可根據(jù)用戶需要，通過“單位”切換按鍵在“公斤”“斤”“千克”“克”之間切換。12864液晶顯示屏與單片機(jī)的連接如圖4所示。其中，單片機(jī)P0 口接顯示屏8位數(shù)據(jù)線，P2 口作為控制信號輸出端接顯示屏控制信號RS，R/W，E，RST。 vcc

2.5聲光指示模塊

為了使用方便和提醒用戶，設(shè)計(jì)了聲光指示模 塊，在待稱物品重量超過電子秤最大量程時(shí)，蜂鳴 器連續(xù)響、紅色發(fā)光二極管閃爍，提醒用戶超重。 在長時(shí)間沒有物品需要稱重時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入待機(jī)省 電模式,此時(shí)蜂鳴器響2 s，提醒用戶進(jìn)入待機(jī)模式。 聲光指示電路與單片機(jī)連接電路如圖5所示。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件是控制系統(tǒng)的靈魂，電子秤也是如此，只 有在軟件和硬件的相互協(xié)調(diào)、配合下系統(tǒng)才能正常 工作，實(shí)現(xiàn)電子秤功能。電子秤系統(tǒng)主程序流程如 圖6所示。

系統(tǒng)上電后，對各個(gè)模塊參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè) 置，包括液晶顯示模塊、HX711模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及數(shù) 據(jù)采集模塊的初始化，并自動(dòng)完成稱重系統(tǒng)的自動(dòng) 校準(zhǔn)清零。當(dāng)有待稱重物品放置在稱重平臺時(shí)，則 稱重傳感器電路有模擬量輸出，并送人HX711芯 片進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后將稱重信息數(shù) 字信號送單片機(jī)存儲，并等待用戶操作鍵盤輸人相 應(yīng)的控制指令和參數(shù)，系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的控制功能子 程序后將計(jì)算結(jié)果送12864液晶顯示器顯示，當(dāng)檢 測到物重超過電子枰最大量程時(shí)，聲光指示電路工 作，二極管閃爍、蜂鳴器響，提醒用戶超重。在稱重 過程中，如果超過1 min檢測到?jīng)]有待稱重物品，系 統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)人待機(jī)省電模式，顯示屏關(guān)閉，當(dāng)有重物 放置時(shí)退出待機(jī)省電模式，進(jìn)人工作狀態(tài)。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)設(shè)計(jì)的硬件和軟件制作的電子秤實(shí)物如 圖7所示。并對樣機(jī)進(jìn)行了測試，通過標(biāo)準(zhǔn)砝碼與 樣機(jī)測試結(jié)果進(jìn)行對比，測試數(shù)據(jù)如表1所示.

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)計(jì)制作的電子秤能夠 完成對物品稱重的功能，并且最大誤差僅為0. 1 g, 滿足普通場合對稱重儀器精度要求。

5.結(jié)束語

以AT89C52單片機(jī)為核心，應(yīng)用稱重傳感器 及電子秤專用A/D轉(zhuǎn)換芯片HX711設(shè)計(jì)制作的電 子秤，具有單價(jià)設(shè)定、累計(jì)、清零、數(shù)據(jù)存儲、自動(dòng)待 機(jī)和超重報(bào)警等多種功能，其稱量范圍為5 kg,測 量誤差為0.1 g。經(jīng)試驗(yàn)，該電子秤具有使用方便、 計(jì)量準(zhǔn)確、體積小、響應(yīng)快、稱重效率髙、工作穩(wěn)定、 功能多樣和性價(jià)比高特點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值.