基于MSP430F449的高精度電子秤設計

周杰紅

（廣東省南方高級技工學校 廣東 韶關 512023）

0 引言

電子秤是配有稱重裝置的衡器，它經歷了從模擬指針式向數字式發展的過程，稱量精度由0.1%發展到0.01%甚至更高，一般具有各種參數的設定、去皮、累加、稱重結果的自動處理與顯示等功能[1]。電子秤操作簡單、稱量準確、體積小、稱量速度快、讀數方便，廣泛應用于商業貿易、醫院、學校、企業等部門[2]。本文以TI公司的高性能單片機MSP430F449為信息處理核心，結合24位A/D轉換器，設計了一種高精度便攜式電子秤，其最大量程為 50kg，分度值為 10g，內分度值為1g，達到了國家標準《非自動秤通用檢定規程JJG555-1996》規定的三級秤指標[3]。

1 高精度電子秤的工作原理

圖1 高精度電子秤的工作原理框圖

高精度電子秤以MSP430F449為MCU，主要由稱重信號采集電路、數字溫度傳感器、鍵盤、LCD、通信接口電路、語言提示電路、電源管理電路等組成，其原理如圖1所示。圖中稱重傳感器、調理電路、A/D轉換電路等組成稱重信號采集電路，當被測載荷加載在秤體上時，安裝在秤體下方的稱重傳感器產生與被測載荷成正比的電壓信號，經調理電路放大、濾波、A/D轉換后，傳送至MCU，完成稱重信號采集；同時MCU利用數字溫度傳感器采集的環境溫度信號，根據溫度補償算法，完成被測載荷稱重結果的溫度補償，獲得最終的稱重結果，并利用LCD顯示。系統利用鍵盤電路完成電子秤不同功能的選擇和相關數據的輸入；系統具有語音提示功能，可完成電子秤相關功能提示、報警等；電子秤具有RS232通信接口，可實現與上位機的通信功能等；系統具有正常工作和睡眠（即節電工作）等工作模式，利用電源管理電路，實現電子秤的低功耗設計。

2 高精度電子秤的稱重信號采集電路設計

基于MSP430F449的高精度電子秤稱重信號采集電路由稱重傳感器、稱重信號調理電路、A/D轉換電路等組成。

2.1 稱重傳感器的工作原理

稱重傳感器作為電子秤的關鍵部件之一，其性能直接決定了電子秤稱重的準確性與穩定性。電子秤采用的電阻應變式稱重傳感器將4個電阻應變片粘貼在彈性敏感元件上，然后以適當方式組成惠斯登電橋。當稱重傳感器不承受載荷時，彈性敏感元件不產生應變，粘貼在其上的應變片不發生變形，應變片的電阻不變，電橋平衡，輸出電壓為零；反之，當被測載荷加載在電子秤秤體上時，稱重傳感器承受載荷，應變片電阻改變，電橋失去平衡，傳感器輸出與被測載荷重量成比例的電壓信號[4]。稱重傳感器的工作原理如圖2所示。

圖2 稱重傳感器電橋電路

圖2中，設 4 個應變片的電阻分別為 R1、R2、R3、R4，電橋電源電壓為Us，則惠斯登電橋輸出電壓Uxi為

當稱重傳感器承受載荷，并且4個應變片的阻值相等時，有

式中，μ為彈性元件的泊松比；△R為應變片的電阻變化值。

當傳感器承受載荷時，橫向粘貼的應變片R2、R4被拉伸，阻值增大；縱向粘貼的應變片R1、R3被壓縮，阻值減少。將式（2）代入式（1）有

式（4）表明，稱重傳感器的輸出與應變片電阻變化量的代數和成正比。

稱重傳感器的靈敏度與最大量程是稱重傳感器兩個最重要的參數，必須根據電子秤的設計要求綜合考慮，以選擇合適的參數。在本設計中，選用靈敏度為2mV/V、最大量程為100kg的稱重傳感器。

2.2 電子秤A/D轉換電路設計

圖3 電子秤A/D轉換原理圖

本文設計的電子秤內分度[3]為1g，最大秤量[3]為50kg，分度數[3]為5000，因此A/D轉換電路的分辨率至少為1/50000。考慮到噪聲的影響，實際應用中應設定裕量，一般為最小分辨率的10倍（即能夠分辨出0.1g），因此A/D轉換電路的分辨率設計為1/500000。此時A/D轉換器至少為19位（19位A/D轉換器的分辨率為1/524288），本文設計的電子秤采用Analog Devices公司的24位高精度、低噪聲的△-∑型A/D轉換器AD7799完成稱重信號的A/D轉換。圖3為A/D轉換電路原理圖。圖中，AD7799采用差分輸入方式（AIN+、AIN-），將經調理后的稱重信號轉換為數字信號，其與稱重傳感器、信號調理電路、MCU芯片MSP430F449等構成了分辨率為0.1g的稱重信號采集電路。集成運放U0與電阻R6、R7等組成A/D轉換器的基準電壓發生器，其輸出VREF=2.5V；AD7799具有SPI接口，MCU利用 P1.0、P1.1、P1.2模擬 SPI總線， 實現與AD7799的數據通信。

2.3 電子秤的信號調理電路設計

調理電路由稱重信號放大電路、低通濾波電路及相關外圍電路組成，其原理如圖4所示。圖中，U2（包括U2A和U2B）、R3、R4、R5、C1、C2等組成雙端輸入雙端輸出的儀用放大器與低通濾波器，這種儀用放大器具有低噪聲、高輸入阻抗、低輸出阻抗等優點，用以實現稱重傳感器輸出微弱信號（IN1+、IN1-）的放大和低通濾波，并將調理后的信號（AIN1+、AIN1-）直接傳送至A/D轉換器；集成運放 U1采用TI公司的OPA2227，該集成運放具有低噪聲、低漂移、低失調電壓、高共模抑制比(CMRR)、工作頻帶寬等優點，很適合微弱信號處理。

2.3.1 信號調理電路電壓放大倍數的確定

圖4中，U2、R3、R4、R5、C1、C2等組成的第一級調理電路的電壓放大倍數為

設S為稱重傳感器的靈敏度，Fmax為其最大量程，us為稱重傳感器的電源電壓，Mmin為稱重傳感器能夠分辨的最小載荷量，則稱重傳感器在最小載荷量Mmin作用下的輸出umin為

當 S=2mV/V，Fmax=100kg，us=5V，Mmin=0.1g時，umin=0.02μV。

采用24位的高精度A/D轉換器，其能夠分辨的最小輸入電壓inmin為

式中，VREF為參考電壓，當 VREF=2.5V 時，nmin≈0.149μV。

由以上分析可以看出，如果信號不放大，A/D轉換器將不能識別umin。因此必須對稱重傳感器的輸出電壓放大，其最小放大倍數Aumin為

當稱重傳感器承載滿負荷時（即M=Fmax，此時A/D滿幅值輸出FFFFFFH），傳感器輸出電壓umax為

因此，調理電路總的電壓放大倍數Au應滿足7.45≤Au≤250。綜合各方面的因素，取調理電路總的電壓放大倍數Au=200。 將Au1代入式（5），考慮到電阻的標稱值，令 R4=100Ω，R3=R5，則有 R3=R5≈10kΩ。

2.3.2 低通濾波器參數的確定

圖4 電子秤調理電路原理圖

參見圖 4，U2、R3、R4、R5、C1、C2等組成有源低通濾波器，用于濾除工頻信號干擾。由于稱重信號為直流信號，考慮到濾波效果，取低通濾波器的截止頻率均為fc=10Hz，令C1=C2，則有取標稱值 C1=C2=2μF。

3 高精度電子秤的軟件設計

電子秤的軟件設計主要包括系統初始化子程序、稱重信號采集與處理子程序、功能鍵處理子程序、睡眠狀態喚醒子程序、通信子程序等。圖5為電子秤的稱重信號采集與處理子程序流程框圖，圖中，系統首先完成稱重信號與環境溫度信號的實時采集，并進行數據預處理，然后根據溫度補償算法，完成稱重數據的溫度補償，獲得最終的稱重結果，通過LCD顯示，并調用語音提示子程序完成稱重結束提示。若需要與上位機通信，則調用通信子程序，完成與上位機通信功能。

圖5 稱重信號采集與處理子程序流程框圖

4 結論

本文以TI公司的高性能單片機MSP430F449為信息處理核心，結合24位A/D轉換器，設計了一種高精度電子秤，完成了電子秤的軟、硬件電路設計。這種電子秤的最大量程為50kg，分度數為5000，內分度值為1g，達到了國家標準《非自動秤通用檢定規程JJG555-1996》規定的三級秤指標。

［1］佟瑩辛.基于C8051F350的高精度低成本電子秤[J].遼寧科技學院學報，2008，10(3)：9-10.

［2］王德清，胡曉毅，賈宏，等.基于SPCE061A的高精密電子秤設計[J].電子技術應用，2008，27(5)：83-86.

［3］中華人民共和國國家計量檢定規程.JJG555-1996非自動秤通用檢定規程[S].北京：國家技術監督局，1996.

［4］潘學軍.應變式非平衡電橋與電子秤[J].四川師范大學學報：自然科學版，2000，23(1)：75-78.