基于單片機的不規則物體比重測試儀的設計

郭紅霞，張 菁，張俊霞

（榆林學院 能源工程學院，陜西 榆林719000）

基于單片機的不規則物體比重測試儀的設計

郭紅霞，張 菁，張俊霞

（榆林學院 能源工程學院，陜西 榆林719000）

由于傳統的比重測試儀大多是通過電子稱來進行測量的，其測量次數多，步驟繁瑣而且不準確。文中采用了一種基于單片機的比重測試儀的設計方法，其硬件電路由單片機作為核心控制部件，外圍電路是由壓力傳感器HX711，顯示電路，鍵盤電路和報警電路等組成，利用軟件算法實現了不規則物體雙通道同時稱重。通過記錄實驗數據并對其進行分析，得出稱重誤差最大不會超過1%的結論，其結果表明該物體比重測試儀可以實現測量數據精確且一步即可完成測量，大大減少操作次數，可以推廣使用。

電子秤；比重測量儀；單片機；HX711

稱重技術自從古代就被人們所看重，作為一種計量技術，普遍被用于工農業、科研教學、交通等多個領域，與百姓的生活息息相關。不規則物體比重測試儀是衡器儀器中的一種，是稱重技術中的一種新型儀表，廣泛應用于各種場合。傳統的比重測試儀大多是基于電子稱來進行測量的，測量次數多，步驟繁瑣而且不準確，文中設計了一款基于單片機的不規則物體比重測試儀，該比重測試儀用單片機控制，可以有效實現快速精準的測量且一步即可完成測量，大大減少操作次數，并且成本低廉，可實用性較好。

1　設計方案

系統總體方案以模塊化進行設計，選用HTC89C52單片機作為整個測量儀裝置的主控芯片。對被測物進行信號采集時應用測量精度較高的電阻應變式稱重傳感器，使得測量精度得到了有效保障；在數模轉換模塊選取了HX711芯片作為稱重裝置的A/D轉換器件，該芯片內置穩壓電源可以為傳感器提供電源并且有高增益、高精度的優點；在顯示單元中使用了帶有12引腳的LCD12864顯示器，實現了用中文顯示的功能，并且能夠同時顯示被測物雙通道物體的重量、比重等內容。該測量儀可以實現稱重范圍分別為0～5 kg和0～10 kg，測量精度為5 g的稱重功能。系統總體方案框圖如圖1所示。

圖1　系統總體方案框圖

2　硬件電路

2.1數據輸入通道設計

信息的采集與轉換，是本設計中的重要組成部分，系統將壓力傳感器采集到的信息經過放大、濾波和穩壓等操作后，通過HX711A/D轉換芯片將采集到的有效數值轉變為電壓信號，最后通過DOUT與PD-SCK兩個引腳和單片機連接，硬件連接簡單，大大減少程序的編寫。具體電路如圖2所示。

圖2　采集轉換電路

2.2I/O接口電路設計

設計中I/O接口電路分按鍵電路和顯示電路。按鍵控制是人機互通中不可缺少的部分，它是系統接受用戶操作的直接路徑。由于本設計中涉及到的按鍵數量比較少，只有2個按鍵，所以采取了獨立按鍵模式，當按鍵引腳出現低電平時，就會檢測按鍵的功能，執行相應的程序。按鍵主要實現去皮功能，即測試儀是開機檢測水杯重量，并將水杯重量清零。具體電路如圖3所示。顯示電路采取的是LCD1602，顯示中每個字符由5*7個小點組成，每一行可以顯示十六個英文字符，一共可以顯示兩行，顯示電路如圖4所示。

圖3　按鍵電路

圖4　顯示電路圖

2.3報警電路的設計

該設計采用蜂鳴器作為超量程報警器，從而實現閾值報警功能。其報警電路如圖5所示，把蜂鳴器的正極接VCC，負極接三極管8550的集電極，8550的基極串聯一個1 kΩ的電阻再接到單片機的P2.0端口，當P2.0為高電平時，8550無法導通，蜂鳴器不叫，當P2.0為低電平時，8550導通，蜂鳴器報警。

圖5　報警電路圖

3　系統軟件設計

程序設計主要采用模塊化設計，主要完成的內容有系統初始化，檢測通道重物，A/D轉換，中斷服務子程序，LCD顯示比重，按鍵子程序等。主程序主要采用中斷方式進行，當按鍵出現低電平時，執行去皮按鍵子程序，當出現數據轉換信號時，開始執行中斷子程序，并實現轉換數據和顯示。其主程序設計框圖如圖6所示，中斷服務程序如圖7所示。

單片機中斷服務子程序的具體執行程序如下：

圖6　主程序流程圖

圖7　中斷服務子程序

4　測試與誤差分析

文中搭建了該不規則物體測量儀的硬件電路系統，其硬件實物測試圖如圖8所示。

圖8　硬件實物測試圖

測量儀可以實現稱重范圍分別為0～5 kg和0～10 kg，應用該測量儀時，首先給電路板上電復位后，兩個稱重器上沒有任何砝碼，其顯示電路顯示結果完全正常。在合理的量程范圍內，A通道選擇2 000 g的砝碼，B通道選擇5 000 g的砝碼，通過多次A通道和B通道的值進行顯示測量，得出下表1所示數據。通過測試，在其稱重范圍內通過加上不同的砝碼，該測量儀可以有效地實現對對物體準確稱重功能。

由以上的實驗數據可以看出，本設計存在一定的誤差。通過計算結果為:

表1　實驗數據表

A通道的平均值為:

則A通道的平均相對誤差為:

同理:計算出B通道的平均相對誤差為:

也就是說，在比重的顯示中，出現的誤差最大不會超過1%。而本設計所采用的傳感器量程為10 kg，1%的誤差也就是稱1 kg的物體時，只會出現10 g的誤差，從數據分析來看，此方案完全滿足設計要求。

5　結　論

不規則物體比重測試儀因可靠的性能、準確的測量、先進的技術和簡單的結構等特點，所以受到大眾的喜愛，在現代社會中用途越來越廣泛，給百姓的生活帶來了諸多方便。本設計采用HTC89C52單片機設計的不規則物體比重測試儀，無論是從高精度，還是穩定性都滿足設計的要求，它還有操作簡單，價格低廉等優點。此不規則物體比重測試儀是將信號采集與轉換技術、計算機技術、信息處理和顯示的現代集成儀器，具有很好的實用性。

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The design of proportion of irregular objects tester based on m icrocomputer

GUO Hong-xia，ZHANG Jing，ZHANG Jun-xia
（School of Energy Engineering，Yulin University，Yulin 719000，China）

As traditional gravity tester mostly be measured by electronic scale，which measures the number of multi-step tedious and inaccurate.In this paper，the design method of specific gravity tester based on micro-controller，the hardware circuit controlled by themicro-controller as a coremember，the peripheral circuit is composed of a pressure sensor HX711，display circuit，keyboard circuit and alarm circuit and other components，do not use software algorithms to achieve a dual regular objects simultaneously weighed.By recording and analyze experimental data，we can get the weighing conclusion that maximum error doesnotexceed 1%，the results show that the objectproportion tester can achieve accuratemeasurementdata and themeasurementstep can be completed，greatly reducing the numberofoperations，so thatwe can promote itsuse.

electronic scale；weight tester；single-chipmicrocomputer；HX711

TN02

A

1674-6236（2016）19-0095-03

2016-03-04稿件編號：201603046

國家自然科學青年基金項目（51406176）；榆林市科技局市級項目（2015CXY-22-03；Gy13-06）

郭紅霞（1983—），女，陜西府谷人，碩士研究生，講師。研究方向：電子電路設計，自動控制，單片機方向。