電子秤系統設計主要包括硬件電路設計，軟件編程調試，實(shí)物稱(chēng)重三部分。硬件電路部分是以單片機 STC89C52ＲC 為核心控制單元，實(shí)現控制數據的處理。數據采集部分選用壓力傳感器，采用 24 位 AD 轉換芯片 HX711 對傳感器采集到的模擬量進(jìn)行 AD 轉換。轉換后的數據經(jīng)過(guò)放大后送到單片機進(jìn)行處理，由 LCD12864 液晶顯示數據，軟件部分采用 keil 編程實(shí)現。稱(chēng)重測量結果顯示: 稱(chēng)重范圍 5．00 ～ 500 g，重量小于 50 g 時(shí)，稱(chēng)重誤差小于 0．5 g; 重量在 50 g 及以上，稱(chēng)重誤差不大于 1 g。此電子秤具有快速方便、數字顯示、自動(dòng)計價(jià)去皮，金額自動(dòng)累加等優(yōu)點(diǎn)。

0.引言

電子秤是通過(guò)將被測物體作用其上來(lái)確定該物體質(zhì)重的計量器具。在電子秤的發(fā)展演變過(guò)程中,曾經(jīng)先后出現了6種類(lèi)型的電子秤設計,分別是:架盤(pán)天平、不等臂平臺秤、吊車(chē)秤、傾斜象限桿秤、彈簧秤和自動(dòng)秤。時(shí)下,隨著(zhù)現代科技的重要飛躍與高速進(jìn)步,電子秤也開(kāi)始轉入了便利化、數字化、智能化的發(fā)展方向。

基于此,本次研究即采用了電阻式應變片傳感器作為信號采集單元、STC89C52RC單片機為控制核心,設計實(shí)現一款重量輕、計量準確、讀數直觀(guān)、價(jià)格低廉的便攜式智能電子秤系統,適于樣品稱(chēng)重、廚房配料,中藥藥鋪稱(chēng)重等多種場(chǎng)合。

1.研究設計方案

1.1設計目標

設計并制作一個(gè)成本較低,以電阻應變片為稱(chēng)重傳感器的簡(jiǎn)易電子秤。

1)電子秤可以數字顯示被稱(chēng)物體的重量,單位克(g);2)電子秤稱(chēng)重范圍5.00~500 g;重量小于50 g,稱(chēng)重誤差小于0.5 g;重量在50 g及以上,稱(chēng)重誤差小于1 g;3)電子秤可以設置單價(jià)(元/克),可計算物品金額并實(shí)現金額累加;4)電子秤具有去皮功能,去皮范圍不超過(guò)100 g。

1.2系統總體設計

本次研發(fā)系統主要由控制、測量、放大轉換、數據顯示、鍵盤(pán)和電源等部分集結構成。在此，給出研究設計的整體架構如圖1所示。

1．3電子秤的工作設計原理

當被測物體放置到稱(chēng)重平臺上時(shí)，電阻應變片傳感器將隨稱(chēng)重懸臂一起發(fā)生形變，傳感器的力效應則轉化成電效應，也就是物體的重量將轉換為與被測物體重量成一定線(xiàn)性函數關(guān)系的模擬電信號，只是這個(gè)時(shí)候該信號還屬微弱級別，因而需將其進(jìn)行放大、濾波后，再經(jīng)由 A / D 轉換電路，轉換為數字信號，最后送入 CPU 將實(shí)現定制處理。具體地，CPU 將對鍵盤(pán)和各種功能開(kāi)關(guān)提供實(shí)時(shí)掃描，并根據鍵盤(pán)輸入內容和各種功能開(kāi)關(guān)的狀態(tài)做出判斷、分析，同時(shí)由軟件程序來(lái)控制各種運算，最后將運算結果顯示在液晶屏上。

2.硬件設計

硬件設計是電子秤的重點(diǎn)與關(guān)鍵。研究得到的功能原理設計則如圖 2 所示。下面，將針對此次研發(fā)中的具體應用實(shí)現給出如下闡釋與論述。

2．1 電阻應變片傳感器

電阻應變片式傳感器的基本構成通?？煞譃?nbsp;2 部分: 彈性敏感元件和應變計。彈性敏感元件在被測物理量的作用下，將產(chǎn)生一個(gè)與其成正比的應變，然后用應變計作為轉換元件將應變轉換為電阻變化。該傳感器的工作原理可如圖3 所示。

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

本次研究得到的電阻應變片式傳感器具有如下強大優(yōu)勢特點(diǎn): 使用方便，應用和測量范圍廣，精度較高，結構小巧，頻率響應好，對試件影響輕微，對復雜環(huán)境適應性強，可在高溫、高壓、強磁場(chǎng)等特殊環(huán)境中使用，因而利于實(shí)現遠距離、自動(dòng)化測量。

2．2 A / D 轉換器

研究可知，A / D 轉換部分對系統整體設計的成功運作具有重要意義。HX711 芯片即是一種專(zhuān)為高精度電子秤而設計發(fā)布的 24 位 A / D 轉換器芯片 ，與同類(lèi)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，所有控制信號均由管腳驅動(dòng)，無(wú)需對芯片內部的寄存器來(lái)拓展配置編程 。輸入選擇開(kāi)關(guān)可任意選取通道 A 或通道 B，與其內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，對應的滿(mǎn)額度差分輸入信號幅值分別為 ± 20mV 或 ± 40mV。通道 B 則為固定的 32 增益，用于系統參數檢測。芯片內提供的穩壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內的 A / D 轉換器提供電源，系統板上無(wú)需添加另外的模擬電源。芯片內的時(shí)鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動(dòng)復位功能簡(jiǎn)化了開(kāi)機的初始化過(guò)程 。

考慮到本系統中對物體重量的測量和場(chǎng)合使用的精度要求，以及對轉換速率也呈現出明確快捷要求，本次設計采用了 24位的 A / D 轉換器 HX7411。A / D 轉換電路圖如圖 4所示。

2．3 鍵盤(pán)處理電路

由于此時(shí)，輸出信號電壓即可由式( 1) 運算得到:需要設置單價(jià) ( 10 個(gè)數字鍵) ，還具有確認、刪除、去皮、計價(jià)等功能，總共需設置 17 個(gè)鍵( 包括一個(gè)復位鍵) 。鍵盤(pán)的擴展方案采用了矩陣式鍵盤(pán)。矩陣式鍵盤(pán)的特點(diǎn)是把檢測線(xiàn)分成 2 組，一組行線(xiàn)，一組列線(xiàn)，按鍵將部署在行線(xiàn)和列線(xiàn)的交叉點(diǎn)上。當鍵盤(pán)的數量大于 8 時(shí)，一般都采用矩陣式鍵盤(pán)。結合本設計的實(shí)際要求，16 個(gè)按鍵使用 4×4 矩陣式鍵盤(pán)，另外一個(gè)復位鍵將使用獨立式按鍵設計實(shí)現。

2．4 報警電路

當被測物體重量超過(guò)系統設計所允許的限值時(shí)，研究中利用控制程序使單片機的 I / O 口轉為高電平，此時(shí)三級管導通，蜂鳴器即會(huì )發(fā)出警報聲，同時(shí)報警燈閃爍。

綜上可得，本次研發(fā)中設計構建的系統實(shí)物呈現如圖 5所示。

3.程序設計

系統研究中，軟件部分依據功能應用可劃定為 6 個(gè)模塊，分別是主程序模塊、A / D 轉換模塊、數制轉換模塊、鍵盤(pán)掃描控制模塊、顯示模塊和報警模塊 。主程序流程圖給出了系統工作的基本過(guò)程，描述了信號的基本流向，從而可全面發(fā)揮控制導引作用。主程序流程如圖 6 所示。

4.實(shí)驗測試

4．1 測量調試

研究得到通，蜂鳴器即會(huì )發(fā)出警報聲，同時(shí)報警燈閃爍的稱(chēng)重精度主要由傳感器決定，而不同的傳感器所配設的精度特性曲線(xiàn)也各不一樣，因此，每一個(gè)傳感器的參數在程序中均需要進(jìn)行適當校正。當發(fā)現測試出來(lái)的重量偏大時(shí)，增加該數值; 如果測試出來(lái)的重量偏小時(shí)，減小該數值; 此數值一般在 2．15 附近之間調整?？偟貋?lái)說(shuō)，該參數因傳感器不同而有針對性地生成調整限定。電子秤的精度調節需要用砝碼展開(kāi)反復的統計測量。在測量調試過(guò)程中，研究采用分段的方法，即將量程區間分為 3段，分別為: 5．00 ～ 50．00 g，50．00 ～ 200．00 g，200．00 ～ 500．00 g。

再根據各個(gè)階段的誤差值在程序中進(jìn)行相應參數的調試校準修正。

修正測量結果如圖 7 所示，插入圖為砝碼值較小時(shí)的放大圖。從測試修正四曲線(xiàn)可以看出，經(jīng)過(guò)多次測量校正后的曲線(xiàn)滿(mǎn)足線(xiàn)性且接近真實(shí)值，說(shuō)明系統最優(yōu)，達到測試要求。

4．2 測試結果與誤差分析

4．2．1 測試結果( 數據)

取 3 次測量結果平均值作為經(jīng)過(guò)精度校準后的測試數據，具體如表 1 所示。

由表 1 數據可以看出，重量小于 50 g 時(shí)，稱(chēng)重誤差小于0．5 g; 重量在 50 g 及以上，稱(chēng)重誤差小于 1 g，且可設置電子秤每 0．5 s 自動(dòng)稱(chēng)重，累積 3 次取平均值刷新顯示，這樣測量誤差可控制在表 1 所列范圍，稱(chēng)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)，貼電阻感應片處的厚度，感應片的質(zhì)量及粘貼時(shí)對氣泡的處理，稱(chēng)重溫度等都會(huì )對測量結果產(chǎn)生一定的作用和影響。為此，可設計提出如下改良方案:

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

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

3) 系統程序設計盡量?jì)?yōu)化。通過(guò)程序的算法及參數的選取來(lái)改善系統硬件部分對電子秤精度的影響;

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

5.結束語(yǔ)

通過(guò)對稱(chēng)重傳感器信號處理電路的分析和實(shí)測，可以總結出，此電子秤的精度調節需要用砝碼展開(kāi)反復的統計測量。在整體上具備了線(xiàn)路完善、轉換精度高、調試步驟簡(jiǎn)單、而且功耗低、以及無(wú)溫漂等眾多特點(diǎn)，滿(mǎn)足設計要求。

另外，隨著(zhù)對生活質(zhì)量的高優(yōu)追求，電子秤的精度調節需要用砝碼展開(kāi)反復的統計測量。在還可以擴展外延更多電路，如日歷時(shí)鐘電路、通訊接口電路等。日歷時(shí)鐘電路則可顯示購貨日期，通訊接口電路則可與上位機( PC 機) 進(jìn)行通訊，從而將大量的商品數據存于上位機，然后通過(guò)串口或并口通訊與電子稱(chēng)相連，達到遠距離操控的滿(mǎn)意效果目的。