隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，集成電路技術(shù)日益成熟，一系列最小系統版的設計研發(fā)，為電子衡器向高性?xún)r(jià)比、高精 度、高穩定性的發(fā)展方向提供了條件。此設計是以STC15W408S單片機為控制核心，用BF350稱(chēng)重傳感器組成惠斯登 電橋輸出信號，并利用高精度24位HX711作為A/D轉換芯片以及用LCD1602來(lái)顯示數據的一款多功能數字電子秤， 具有操作簡(jiǎn)單，便捷智能、精確度高、穩定性好等特點(diǎn)。

0.引言

電子秤，是人們日常生活中十分普遍而又必不可少的一 種使用工具，主要用來(lái)在商品貿易時(shí)計量質(zhì)量，其使用領(lǐng)域廣泛，小至商品雜貨店，大至工農業(yè)、醫療等領(lǐng)域。滲入到人民 生活的方方面面，與傳統機械秤相比，現代電子秤的發(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?xún)r(jià)比、穩定度及精度，設計了一款集 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、速度快的高精度數字化電子秤。

1.基于HX711的高精度電子秤結構與原理

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

電源模塊用來(lái)給系統提供+5V直流穩定電壓。當被測物 體放置在秤盤(pán)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，并導致 電橋失衡輸出與被測物體的重量成正比的模擬電壓信號，該模 擬電壓信號放大后經(jīng)A/D轉換芯片HX711轉換成高精度的數 字信號，并送到單片機進(jìn)行儲存和處理。當鍵盤(pán)模塊有按鍵按 下時(shí)，單片機會(huì )進(jìn)行必要的判斷和分析，并根據該按鍵的功 能，進(jìn)行去皮、稱(chēng)重、計算、顯示、查詢(xún)、報警等相應功能的實(shí)現。

2.系統硬件設計

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 塊獨立設計并檢測，最終組合成一個(gè)整體并進(jìn)行性能測試。

2.1單片機控制模塊

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，不僅在設計上STC15W408S可 以實(shí)現測量和控制要求，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字節系統可編程Hash存儲器，512字節 RAM，42個(gè)I/O 口線(xiàn)，內置5KB EEPROM，3個(gè)16位定時(shí)/計 數器，并支持全雙工串行通信、掉電喚醒、外部中斷等。

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

2.2稱(chēng)重傳感器

稱(chēng)重傳感器是一種能感受壓力并將感受到的壓力信號轉 換成與被測物體重量成比例的可用于輸出信號的傳感器，作 為電子秤的關(guān)鍵組成部件之一，稱(chēng)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量數據的可靠 性和精確度。產(chǎn)品設計中選用電阻應變片壓力傳感器，將4個(gè) 應變片通過(guò)特殊的黏合劑緊密的黏合在產(chǎn)生力學(xué)的應變基體 上，組成惠斯登電橋。當基體不受力時(shí)，電阻應變片各處張力 相同，不會(huì )產(chǎn)生形變，此時(shí)電橋平衡，輸出模擬電壓信號為零; 當基體受力發(fā)生應力變化時(shí)，電阻應變片各處張力不同，產(chǎn)生 形變，此時(shí)電橋失去平衡，輸出與被測物體重量成比例的模擬 電壓信號。

稱(chēng)重傳感器的工作原理如圖3所示。

為實(shí)現電子秤設計的高精度，高穩定性要求，在眾多的稱(chēng) 重傳感器中，本產(chǎn)品設計選用了 BF350稱(chēng)重傳感器，其靈敏系 數為2.00-2.20，精度等級為0.02級，應變極限為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)現高穩定性的靜態(tài)測量。

2.3 A/D轉換芯片

稱(chēng)重傳感器測量的模擬電壓信號經(jīng)放大器放大后需要經(jīng) 過(guò)A/D轉換器送至單片機進(jìn)行處理。為達到本設計的高精度 和高穩定性要求，系統采用片內集成穩壓電源、時(shí)鐘振蕩器等電 路的高集成度24位A/D轉換芯HX711，其編程簡(jiǎn)單、響應速度 快，使用時(shí)無(wú)需外接元件，并具備上電自動(dòng)復位功能。稱(chēng)重傳感 器輸出的模擬電壓信號通過(guò)選擇A或B通道傳輸到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與后端的單片機接口電路簡(jiǎn)單，只需DOUT、SCK 接入單片機的I/O 口上，就可以進(jìn)行信號傳輸。BF350稱(chēng)重傳 感器、HX711芯片與單片機間接口電路如圖4所示。

2.4液晶顯示模塊

在單片機系統中，LCD1602是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示字 母、數字、符號等的點(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、性能穩定、 使用簡(jiǎn)單，其管腳分為控制端口、數據端口、調整端口和電 源端，其中調整端口需外接10K電位器，通過(guò)電位器可以 調節字符顯示亮度。LCD1602與單片機接口電路如圖5 所示。

2.5超重報警電路

電子秤作為一種計量工具，有一定的量程范圍，當被測 物體重量超出量程范圍時(shí)，內置稱(chēng)重傳感器將受到損壞。在 充分考慮實(shí)用性和性?xún)r(jià)比的前提下，設置了超重報警電路。 超重報警電路如圖6所示。系統設計中，其內分度為0.1g， 最大稱(chēng)重為20kg，分度數為200000。當被測物體重量超出 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)三極管導通，電路驅動(dòng) 蜂鳴器，產(chǎn)生報警聲；當被測物體重量在量程范圍內， 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 警聲。

3.系統軟件設計

軟件系統設計的基本思想是充分利用單片機控制的優(yōu) 勢，實(shí)現稱(chēng)重過(guò)程的一系列要求，以達到高精度及高穩定性。為便于程序管理、調試與調用，程序設計主要采用了模 塊化結構化思想，即分為主程序和子程序。主程序主要用來(lái) 進(jìn)行系統初始化，統一管理和調用各個(gè)子程序，使系統運行有條不紊。子程序則包括數據米集程序、A/D轉換程序、按 鍵功能程序、LCD顯示程序和報警程序，各個(gè)子程序分工明 確，統一協(xié)調，完成本設計一系列功能設計，實(shí)現去皮、稱(chēng)重、 計算、顯示、查詢(xún)、報警等功能?？紤]到設計的高精度性要 求，在進(jìn)行軟件設計時(shí)，通過(guò)編程語(yǔ)言對數據進(jìn)行平滑處理 補償系統誤差，進(jìn)一步提高系統精度。軟件設計流程圖如圖 7所示。

4.系統性能測試

在進(jìn)行實(shí)際的設計過(guò)程中，首先使用了軟件開(kāi)發(fā)平臺on4進(jìn)行了軟件仿真，然后實(shí)際制作電路模型，進(jìn)行 性能測試，最后根據測試結果進(jìn)行分析并改進(jìn)設計。表1為 部分實(shí)測數據，測試與數據分析表明，此電子秤系統相對誤差 小于等于0.4%，其精確度較高，穩定性良好。

5.結語(yǔ)

隨著(zhù)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 穩定性方向發(fā)展，在這樣的發(fā)展趨勢下，此設計完成的電子秤 在技術(shù)性能上、使用上都滿(mǎn)足了各行業(yè)對于現代電子衡器的 需求，并且模塊化的設計使得本產(chǎn)品具有通用性、靈活性和穩 定性，稍加修改和擴展，能夠具有更廣泛的推廣和應用價(jià)值， 使電子秤的整體化水平得到更好的發(fā)展。