一種簡(jiǎn)易電子秤的設(shè)計(jì)

解旭東 龍光利

摘要：針對(duì)目前電子稱精度不高、功能少等問(wèn)題，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)以電阻應(yīng)變片為稱重傳感器的簡(jiǎn)易電子秤。它包括硬件和軟件兩部分，硬件部分由結(jié)構(gòu)支架和電路設(shè)計(jì)組成，其中結(jié)構(gòu)支架由不高于40cm的鐵質(zhì)支架、鐵質(zhì)懸梁臂和秤盤制成，電路設(shè)計(jì)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、電阻應(yīng)變片采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、按鍵電路、液晶顯示和報(bào)警電路組成。軟件部分由主程序和子程序組成，采用C語(yǔ)言編寫。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電阻應(yīng)變片采集的模擬信號(hào)經(jīng)放大后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)按鍵設(shè)置單價(jià)，液晶顯示重量、單價(jià)、總價(jià)和累計(jì)金額，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)稱重、累計(jì)、去皮和報(bào)警功能。

關(guān)鍵詞：電子秤;電阻應(yīng)變片;單片機(jī);數(shù)模轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào) TM914.4? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）18-0089-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

電子秤是目前最常見(jiàn)的電子稱重產(chǎn)品，這種產(chǎn)品的作用主要是把秤稱重得來(lái)的質(zhì)量以電子計(jì)算的技術(shù)進(jìn)行處理，增加或除去相關(guān)的信息顯示到電子顯示屏上。電子秤的前身是比較普通常見(jiàn)的桿秤，發(fā)展到電子秤經(jīng)歷了很多個(gè)階段，從開始粗糙的稱重?cái)?shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)傳感器的精密加工處理之后也越來(lái)越變的精確穩(wěn)定，直到最后可以自動(dòng)通過(guò)質(zhì)量計(jì)算得出最終的數(shù)據(jù)，而且可以去除不需要的因素，精度和速度上都有很大程度的提高，也越來(lái)越受人們的喜歡[1-3]。

2 電阻應(yīng)變片的工作原理

電阻應(yīng)變片是電阻變壓式傳感器的核心元件，它是一種將物體形變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)處理的轉(zhuǎn)換元件。其工作原理是先將電阻應(yīng)變片按照直流電橋電路焊接成電路，然后將焊好的電路粘貼在經(jīng)過(guò)處理的測(cè)力物體表面，隨著給測(cè)力物體表面施加適當(dāng)?shù)牧?，粘貼在物體表面的應(yīng)變片立即感應(yīng)到受力發(fā)生的形變，從而將形變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流）形式作為輸出信號(hào)去處理。應(yīng)變片不僅能測(cè)量應(yīng)變，而且對(duì)其他物理量，如重量、扭矩、壓強(qiáng)、位移、溫度和加速度等，只要能設(shè)法變?yōu)閼?yīng)變的相應(yīng)變化，都可以利用電阻應(yīng)變片進(jìn)行來(lái)測(cè)量，所以在測(cè)試中得到非常廣泛的應(yīng)用[4-5]。采用直流電橋電路如圖1所示，由電路理論計(jì)算可知。

[U0=R1R3-R2R4（R1+R2）（R3+R4）US]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

若使此電橋平衡，即U0=0，只要R1R3﹣R2R4 = 0即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電橋的四R1，R2，R3，R4皆產(chǎn)生電阻變化ΔR1，ΔR2，ΔR3，ΔR4時(shí)，（1）式變：

[U0=（R1+ΔR1）（R3+ΔR3）-（R2+ΔR2）（R4+ΔR4）（R1+ΔR1+R2+ΔR2）?（R3+ΔR3+R4+ΔR4）US] （2）

對(duì)于等臂電橋，即R1=R2=R3=R4=R，則上式可以改寫成：

[U0=14（ΔR1R+ΔR3R-ΔR2R-ΔR4R）?US]? ? ?（3）

由于?R/R=k·ε，則（3）式可改寫成：

[U0=14?k?（ε1+ε3-ε2-ε4）?US]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)支架設(shè)計(jì)

支架整體均采用鐵質(zhì)材料，設(shè)計(jì)高度為30.8cm，底板尺寸為27cm×26cm×2mm，懸梁臂尺寸為28cm×2cm×2mm，秤盤的直徑為15cm。

3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由單片機(jī)芯片MSP430F5529、復(fù)位電路、晶體振蕩電路組成。

MSP430F5529單片機(jī)是由美國(guó)德州儀器（TI）公司開發(fā)的一款16位超低功耗的混合信號(hào)處理器，采用精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，集成了多個(gè)20位的寄存器和常數(shù)發(fā)生器，主要結(jié)構(gòu)包括16位CPU、存儲(chǔ)器、片上外設(shè)、時(shí)鐘系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)以及連接它們的數(shù)據(jù)總線和地址總線。

電源：就是VCC和GND引腳，選擇供電電壓為+3.3V，GND接地，可用USB接口線降壓供電。

復(fù)位電路：當(dāng)單片機(jī)的引腳RST出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)復(fù)位，程序從頭開始運(yùn)行。

時(shí)鐘電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)MSP430F5529的時(shí)鐘模塊包括數(shù)控振蕩器、高速晶體振蕩器和晶體振蕩器低速時(shí)鐘源。在單片機(jī)MSP430F5529中，內(nèi)部的LFXTl振蕩器工作默認(rèn)在低頻模式，它的外部連接一個(gè)32.768 kHz晶振和兩個(gè)12pF電容，通過(guò)XIN和XOUT端口連接到單片機(jī);而外部的XT2晶體振蕩器工作在高頻模式，它外部連接一個(gè)8MHz晶振和兩個(gè)22pF電容，通過(guò)XIN2和XOUT2端口連接到單片機(jī)。

3.3 電阻應(yīng)變片電路設(shè)計(jì)

采用的電阻應(yīng)變片型號(hào)為BF120-3AA，它屬于金屬箔式應(yīng)變片，精度高、隨溫度的變化小，適合用于0.05級(jí)精度以上傳感器和精密應(yīng)力分析。有4根引線用于連接外電路，紅線為電源正極輸入，白線為電源負(fù)極輸入，藍(lán)線為信號(hào)輸出1，綠線為信號(hào)輸出2。為保證精度，一般不隨意調(diào)整線長(zhǎng)。

3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

HX711是一個(gè)24位A/D 轉(zhuǎn)換器芯片[6-7]，設(shè)計(jì)中采用1個(gè)ADSK 脈沖，選擇通道A，增益為128對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)換處理。芯片內(nèi)部的時(shí)鐘振蕩電路不需要接外部的連接部件，初始化過(guò)程在開機(jī)時(shí)由于加入上電復(fù)位的方法而被簡(jiǎn)化。

3.5 液晶顯示電路、按鍵電路和報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

液晶顯示電路采用LCD12864，為了減少接線的數(shù)目，LCD12864液晶顯示采用串行的傳輸方式，即當(dāng)15腳PSB為低電平時(shí)，是從4（RS/CS）串行的指令/數(shù)據(jù)選擇信號(hào)，串行的片選信5（R/W/SID），串行的數(shù)據(jù)口6（E/CLK）并行的使能信號(hào)，三個(gè)口進(jìn)行同步時(shí)鐘傳輸數(shù)據(jù)[8]。

設(shè)計(jì)的按鍵電路，采用4×4行列式非編碼矩陣鍵盤，由行線、列線和鍵盤開關(guān)矩陣3部分組成。每根行線和列線的交叉處都有一個(gè)按鍵，當(dāng)某個(gè)鍵被按下時(shí)，與這個(gè)按鍵相連的行線和列線就會(huì)接通，否則行線和列線不接通。通過(guò)按鍵來(lái)設(shè)置單價(jià)、去皮、累加和清0等功能[9]。

若要求電子秤稱重范圍為5～500g，當(dāng)重量低于5g或超過(guò)500g時(shí)過(guò)載，此時(shí)通過(guò)程序使單片機(jī)的控制I/O口P7.4置高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)發(fā)光二極管閃爍。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件分為主程序和子程序，主程序主要用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)初始化，統(tǒng)一管理和調(diào)用各個(gè)子程序，使系統(tǒng)運(yùn)行有條不紊;子程序主要包括A/D轉(zhuǎn)換程序、按鍵功能程序、LCD 顯示程序和報(bào)警程序，各個(gè)子程序分工明確，統(tǒng)一協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)顯示、去皮、稱重、單價(jià)設(shè)置、金額累計(jì)、報(bào)警等功能。

設(shè)計(jì)的主程序流程圖如圖3所示，首先系統(tǒng)開始初始化，將電阻應(yīng)變片采集的小信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大，放大后的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，將其送入到主控電路中的單片機(jī)進(jìn)行處理，此時(shí)獲取重量，通過(guò)按鍵設(shè)置單價(jià)，計(jì)算出總價(jià)和累計(jì)金額進(jìn)行顯示，同時(shí)不斷檢測(cè)有沒(méi)有超出稱重，若有超過(guò)，則蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警提示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)流程圖，用C語(yǔ)言編寫程序，使用CCSv6.0軟件編譯工具進(jìn)行編譯，將編譯完成后的程序通過(guò)USB線下載至單片機(jī)。制作一個(gè)高度不大于40cm的鐵質(zhì)支架，將鐵質(zhì)懸臂梁固定在支架上，再把秤盤懸掛在臂梁上，最后用銀粉對(duì)支架進(jìn)行防氧化處理。在支架臂梁上進(jìn)行應(yīng)變片定位和粘貼[10]。制作電子秤電路模塊，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示電路、按鍵電路和報(bào)警電路等[11]。經(jīng)調(diào)試正常后接通電源，按下單片機(jī)復(fù)位鍵將系統(tǒng)復(fù)位，液晶顯示屏進(jìn)行初始化顯示，初始化顯示重量為000.00，對(duì)電子秤進(jìn)行校正之后開始進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)砝碼與樣機(jī)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比， 當(dāng)砝碼的重量小于50g時(shí)，稱重誤差小于0.14 g;當(dāng)砝碼的重量在50g及以上時(shí)，稱重誤差小于0.5g，即該電子秤的測(cè)量精度在1%以內(nèi)。通過(guò)測(cè)試不同重量的砝碼，按鍵設(shè)置不同的單價(jià)，計(jì)算可得到總價(jià)并實(shí)現(xiàn)金額累計(jì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)制作的簡(jiǎn)易電子秤，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電子秤的相關(guān)功能，通過(guò)按鍵設(shè)置單價(jià)，液晶顯示重量、單價(jià)、總價(jià)和累計(jì)金額，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了稱重、累計(jì)、去皮和報(bào)警功能。進(jìn)一步設(shè)置電阻應(yīng)變片電路、軟件程序，可擴(kuò)大稱重范圍、精度及功能;增加無(wú)線傳感模塊，也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)。

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【通聯(lián)編輯：梁書】