隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，集成電路技術(shù)日益成熟，一系列最小系統(tǒng)版的設(shè)計(jì)研發(fā)，為電子衡器向高性價(jià)比、高精 度、高穩(wěn)定性的發(fā)展方向提供了條件。此設(shè)計(jì)是以STC15W408S單片機(jī)為控制核心，用BF350稱重傳感器組成惠斯登 電橋輸出信號(hào)，并利用高精度24位HX711作為A/D轉(zhuǎn)換芯片以及用LCD1602來(lái)顯示數(shù)據(jù)的一款多功能數(shù)字電子秤， 具有操作簡(jiǎn)單，便捷智能、精確度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

0.引言

電子秤，是人們?nèi)粘Ｉ钪惺制毡槎直夭豢缮俚囊?/span> 種使用工具，主要用來(lái)在商品貿(mào)易時(shí)計(jì)量質(zhì)量，其使用領(lǐng)域廣泛，小至商品雜貨店，大至工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域。滲入到人民 生活的方方面面，與傳統(tǒng)機(jī)械秤相比，現(xiàn)代電子秤的發(fā)展趨向 于小型化、智能化方向，且具有重量輕、成本低、速率快等優(yōu)點(diǎn)。但仍存在一定的局限性，例如要求具有更高的抗干擾能力和 更高的精度等。

考慮到電子衡器的性價(jià)比、穩(wěn)定度及精度，設(shè)計(jì)了一款集 傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體的多功能、小功耗、 簡(jiǎn)單易用、速度快的高精度數(shù)字化電子秤。

1.基于HX711的高精度電子秤結(jié)構(gòu)與原理

高精度電子秤以STC15W408S單片機(jī)作為主控部件，連接各個(gè)子模塊，子模塊主要包括電源模塊、信號(hào)采集轉(zhuǎn)換模塊、 LCD顯示模塊、鍵盤模塊以及報(bào)警模塊等，其系統(tǒng)原理圖如圖 1所示。

電源模塊用來(lái)給系統(tǒng)提供+5V直流穩(wěn)定電壓。當(dāng)被測(cè)物 體放置在秤盤上時(shí)，物體的壓力傳到橋式壓敏電阻傳感器，此 時(shí)傳感器因受力不均而產(chǎn)生形變，電阻阻值隨之改變，并導(dǎo)致 電橋失衡輸出與被測(cè)物體的重量成正比的模擬電壓信號(hào)，該模 擬電壓信號(hào)放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片HX711轉(zhuǎn)換成高精度的數(shù) 字信號(hào)，并送到單片機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存和處理。當(dāng)鍵盤模塊有按鍵按 下時(shí)，單片機(jī)會(huì)進(jìn)行必要的判斷和分析，并根據(jù)該按鍵的功 能，進(jìn)行去皮、稱重、計(jì)算、顯示、查詢、報(bào)警等相應(yīng)功能的實(shí)現(xiàn)。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電子秤的硬件電路由功能不同的各個(gè)模塊組成，各個(gè)模 塊獨(dú)立設(shè)計(jì)并檢測(cè)，最終組合成一個(gè)整體并進(jìn)行性能測(cè)試。

2.1單片機(jī)控制模塊

考慮價(jià)格、性能多方面要求，在信息控制和處理模塊上， 采用了 STC15W408S單片機(jī)，不僅在設(shè)計(jì)上STC15W408S可 以實(shí)現(xiàn)測(cè)量和控制要求，在性能上，其重量輕、體積小、功耗低， 提高了電子秤的便攜性。其引腳電路如圖2所示。

STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能8 位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Hash存儲(chǔ)器，512字節(jié) RAM，42個(gè)I/O 口線，內(nèi)置5KB EEPROM，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì) 數(shù)器，并支持全雙工串行通信、掉電喚醒、外部中斷等。

單片機(jī)STC15W408S的P1.0、P1.1端口用于與高精度A/ D轉(zhuǎn)換芯片HX711管腳的SCK、DOUT連接，接收數(shù)字信號(hào); P1.5端口用于報(bào)警提示，與蜂鳴器電路相連;P0端口用于與液晶LCD1602傳輸信號(hào)。

2.2稱重傳感器

稱重傳感器是一種能感受壓力并將感受到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn) 換成與被測(cè)物體重量成比例的可用于輸出信號(hào)的傳感器，作 為電子秤的關(guān)鍵組成部件之一，稱重傳感器的選擇十分重要， 其性能的好與壞，極大程度上決定了電子秤測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠 性和精確度。產(chǎn)品設(shè)計(jì)中選用電阻應(yīng)變片壓力傳感器，將4個(gè) 應(yīng)變片通過(guò)特殊的黏合劑緊密的黏合在產(chǎn)生力學(xué)的應(yīng)變基體 上，組成惠斯登電橋。當(dāng)基體不受力時(shí)，電阻應(yīng)變片各處張力 相同，不會(huì)產(chǎn)生形變，此時(shí)電橋平衡，輸出模擬電壓信號(hào)為零; 當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片各處張力不同，產(chǎn)生 形變，此時(shí)電橋失去平衡，輸出與被測(cè)物體重量成比例的模擬 電壓信號(hào)。

稱重傳感器的工作原理如圖3所示。

為實(shí)現(xiàn)電子秤設(shè)計(jì)的高精度，高穩(wěn)定性要求，在眾多的稱 重傳感器中，本產(chǎn)品設(shè)計(jì)選用了 BF350稱重傳感器，其靈敏系 數(shù)為2.00-2.20，精度等級(jí)為0.02級(jí)，應(yīng)變極限為2.0%，且功耗 低、易于散熱、粘貼簡(jiǎn)單，焊接方便，并可消除溫度變化和微小 波動(dòng)帶來(lái)的影響，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性的靜態(tài)測(cè)量。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換芯片

稱重傳感器測(cè)量的模擬電壓信號(hào)經(jīng)放大器放大后需要經(jīng) 過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器送至單片機(jī)進(jìn)行處理。為達(dá)到本設(shè)計(jì)的高精度 和高穩(wěn)定性要求，系統(tǒng)采用片內(nèi)集成穩(wěn)壓電源、時(shí)鐘振蕩器等電 路的高集成度24位A/D轉(zhuǎn)換芯HX711，其編程簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度 快，使用時(shí)無(wú)需外接元件，并具備上電自動(dòng)復(fù)位功能。稱重傳感 器輸出的模擬電壓信號(hào)通過(guò)選擇A或B通道傳輸?shù)?/span>HX711， 其中A通道的可編程增益為128或64，B通道則為固定的32 增益。HX711與后端的單片機(jī)接口電路簡(jiǎn)單，只需DOUT、SCK 接入單片機(jī)的I/O 口上，就可以進(jìn)行信號(hào)傳輸。BF350稱重傳 感器、HX711芯片與單片機(jī)間接口電路如圖4所示。

2.4液晶顯示模塊

在單片機(jī)系統(tǒng)中，LCD1602是一種專門用來(lái)顯示字 母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊，工作在4.5~5.0V電 壓環(huán)境下，可顯示2行共32個(gè)字符，其功耗低、性能穩(wěn)定、 使用簡(jiǎn)單，其管腳分為控制端口、數(shù)據(jù)端口、調(diào)整端口和電 源端，其中調(diào)整端口需外接10K電位器，通過(guò)電位器可以 調(diào)節(jié)字符顯示亮度。LCD1602與單片機(jī)接口電路如圖5 所示。

2.5超重報(bào)警電路

電子秤作為一種計(jì)量工具，有一定的量程范圍，當(dāng)被測(cè) 物體重量超出量程范圍時(shí)，內(nèi)置稱重傳感器將受到損壞。在 充分考慮實(shí)用性和性價(jià)比的前提下，設(shè)置了超重報(bào)警電路。 超重報(bào)警電路如圖6所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，其內(nèi)分度為0.1g， 最大稱重為20kg，分度數(shù)為200000。當(dāng)被測(cè)物體重量超出 量程范圍時(shí)，STC15W408S的P1.5端口產(chǎn)生低電平，加在 PNP型的三極管9013基極上，此時(shí)三極管導(dǎo)通，電路驅(qū)動(dòng) 蜂鳴器，產(chǎn)生報(bào)警聲；當(dāng)被測(cè)物體重量在量程范圍內(nèi)， STC15W408S的P1.5端口產(chǎn)生高電平，加在三極管9013 基極上，此時(shí)三極管截止，電路不工作，蜂鳴器不會(huì)發(fā)出報(bào) 警聲。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思想是充分利用單片機(jī)控制的優(yōu) 勢(shì)，實(shí)現(xiàn)稱重過(guò)程的一系列要求，以達(dá)到高精度及高穩(wěn)定性。為便于程序管理、調(diào)試與調(diào)用，程序設(shè)計(jì)主要采用了模 塊化結(jié)構(gòu)化思想，即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。子程序則包括數(shù)據(jù)米集程序、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)，完成本設(shè)計(jì)一系列功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)去皮、稱重、 計(jì)算、顯示、查詢、報(bào)警等功能。考慮到設(shè)計(jì)的高精度性要 求，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)編程語(yǔ)言對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理 補(bǔ)償系統(tǒng)誤差，進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖 7所示。

4.系統(tǒng)性能測(cè)試

在進(jìn)行實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先使用了軟件開發(fā)平臺(tái)on4進(jìn)行了軟件仿真，然后實(shí)際制作電路模型，進(jìn)行 性能測(cè)試，最后根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析并改進(jìn)設(shè)計(jì)。表1為 部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，測(cè)試與數(shù)據(jù)分析表明，此電子秤系統(tǒng)相對(duì)誤差 小于等于0.4%，其精確度較高，穩(wěn)定性良好。

5.結(jié)語(yǔ)

隨著科技的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，電子衡器向小型化、模塊化、 整體化、集成化方向發(fā)展，技術(shù)性能趨向于高速率、高精度、高 穩(wěn)定性方向發(fā)展，在這樣的發(fā)展趨勢(shì)下，此設(shè)計(jì)完成的電子秤 在技術(shù)性能上、使用上都滿足了各行業(yè)對(duì)于現(xiàn)代電子衡器的 需求，并且模塊化的設(shè)計(jì)使得本產(chǎn)品具有通用性、靈活性和穩(wěn) 定性，稍加修改和擴(kuò)展，能夠具有更廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值， 使電子秤的整體化水平得到更好的發(fā)展。