簡易電子秤---2016年江蘇省大學生電子設計競G題解析

劉 磊,余 豐,凌文韶,劉清闖,顧 斌,袁迎春

（南京信息職業技術學院,210023）

簡易電子秤---2016年江蘇省大學生電子設計競G題解析

劉 磊,余 豐,凌文韶,劉清闖,顧 斌,袁迎春

（南京信息職業技術學院,210023）

簡要介紹了電子稱的任務要求，提出了以BF120-3AA電阻應變片為稱重傳感器、HX711為A/D轉換器，采用單片機為處理器，配以鍵盤和屏顯等設計簡易電子秤的技術方案。并設計電源濾波、零點漂移抑制和線性化數據處理等技術，進一步提高了測量精度，精度可達1%，測量范圍1~500克，滿足賽題任務要求，系統達到了低成本、高精度和實用性的三者統一。

電子秤;電阻應變片;BF120-3AA;HX711

1　任務要求

設計并制作一個以電阻應變片為稱重傳感器的簡易電子秤，電子秤的結構如右圖所示。如右圖1所示，鐵質懸臂梁固定在支架上，支架高度不大于40cm，支架及秤盤的形狀與材質不限。懸臂梁上粘貼電阻應變片作為稱重傳感器。

圖1　簡易電子稱結構

2　工作原理

本設計的工作原理：采用鐵質懸梁臂固定于支架上，上粘貼電阻應變片作為稱重傳感器。彈性元件（鐵質懸臂梁）在外力作用下產生彈性變形，使得粘貼在其表面的傳感元件（電阻應變片）也隨同變形，則會使其阻值發生變化。由測量電路把阻值變化轉換為電信號，該信號與被測物體重量成一定的函數關系。將微弱的電信號經過放大濾波，由模數轉換器轉換成數字信號，并交給MCU進行處理，處理結果由顯示電路輸出。

3　主要電路設計

硬件部分采用單片機MCS-51單片機為控制核心，實現電子秤的基本控制功能。信號采集部分包括秤重傳感器BF120-3AA、信號放大處理電路和HX711A/D轉換電路。轉換后的數字信號送給單片機處理，并利用液晶顯示模塊完成讀數顯示，功能調整部分設計按鍵實現人機對話，利用鍵盤進行人機交互，輸入數據，操作簡單方便。利用液晶屏顯示物品重量，還可顯示物品的單價和總金額，系統結構模塊如下圖2所示。

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

特別說明：

（1）稱重傳感裝置需自制，不得采用商用電子稱的稱重裝置。（2）鐵質懸臂梁可用磁鐵檢驗，懸臂梁上所用電阻應變片的種類、型號、數量自定。（3）測試時以砝碼為重量標準。

圖2　系統整體框圖

3.1傳感器電路

電阻應變片把機械應變信號轉換為電阻變化后，必須采用轉換電路，將應變計的電阻變化轉換成電壓或者電流變化，以便于測量。電橋電路是目前廣泛采用的測量電路，由于全橋電橋的靈敏度高于半橋及單臂電橋，故本設計采用全橋交流電橋。

本設計選擇的傳感器為BF120-3AA，量程為2.0%，精度為±0.1%，完全滿足本系統要求。

由于橋臂的起始電阻相等，都為R，四個橋臂應變片的靈敏系數相同，則,K為應變片靈敏系數，為應變量。

圖3　電橋系統原理框圖

將4個應變片分別貼在彈性梁的4個敏感部位，傳感器受力作用后發生變形，被拉伸阻值增大，被壓縮，阻值減小。測量前需要使電橋平衡，保證電橋的輸出電壓只與應變片形變引起的電阻變化有關。該部分采集信號的完整電路參見圖8所示電路。

3.2A/D轉換電路，

圖4　軟件系統主程序流程圖

A/D轉換的位數與整個測量控制的范圍和精度有關，電路見圖8。這里選用24 位A/D 轉換器芯片HX711。該芯片具有兩路可選擇差分輸入； 片內低噪聲可編程放大器，可選增益為32、64和128；芯片集成了包括穩壓電源、片內時鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優點，降低了電子秤的整機成本，提高了整機的性能和可靠性。

4　軟件設計

為理解方便，系統的軟件編寫采用主程序加子程序方式進行，主要包括：主程序、A/D轉換子程序、顯示子程序、按鍵子程序、計價子程序等。

主程序：控制單片機初始化、調用按鍵識別程序，判斷按鍵功能，調用A/D模塊數據并調用顯示子程序等。

A/D轉換子程序：完成A/D轉換，并根據多次實驗測量結果對數據進行校準、修正補償等。

顯示子程序：執行寫顯示數據的命令，將顯示得內容進行更新。

按鍵子程序：完成按鍵識別，執行按鍵相應功能。

計價子程序：根據按鍵輸入的單價等進行計價處理。

液晶顯示程序實現思路如下：初始化之后判斷是否忙碌?也就是是否寫完了，如果沒有寫完等待直到寫完之后再寫入命令，并初始化

圖5　顯示子程序流程圖

5　測試結果及誤差分析

5.1測試方案

在通電之前，先根據硬件邏輯設計圖，仔細檢查線路是否連接正確，核對元器件的安裝是否符合要求，檢查電源和系統總線，防止短路和極性錯誤。加電后檢查主要引腳的電位，測量電平是否正常。排除一些明顯的靜態故障。選取不同的砝碼，測試電子秤的稱重、去皮、金額顯示等各種功能。

5.2測試結果

表1　測試結果（單位：g）

5.3誤差分析

測試結果曲線如圖6和圖7所示。圖6反映出，本系統達到了高線性度，測量范圍可達1~500克。圖7反映出，本系統的測試精度在1%以內，雖然傳感器的非線性、放大電路非線性、電源穩定度等影響存在，但是我們設計的電路還是滿足了系統要求。

圖6　測試結果曲線圖

6　結論

本系統通過兩個基本單元信號采集單元和控制單元，實現重力物理量到電壓物理量的轉換，完成數據處理、參數設置和讀數等功能。通過采用電源濾波抗噪聲和抗干擾、零點漂移抑制和線性化數據處理等技術，進一步提高了測量精度，精度可達1%，測量范圍1~500克。實現低成本、高精度和實用性的統一，并獲省級比賽一等獎。

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Simple Digital Weight Scale-- Analysis To Title G Of 2016 Electronic Design Competition For College Students In Jiangsu Province

Liu Lei,Yu Feng,Ling WenShao,Liu Qingchuang,Gu Bin,Yuan Yingchun
（NanJing Collage Of Information Technology,210023）

After introduced the basic department，A simple electronic scale is designed with resistance strain chip BF120-3AA 、A/D converter HX711 、micro-computer MCU51、 keyboard and screen display and other peripheral equipmen.The system also uses the power filter, zero drift suppression and linearization of data processing technology,to further improve the measurement accuracy, accuracy of up to 1%, the measurement range of 1~500 G.This system achieves the unity of the three low cost, high accuracy and practicability in the field of gravity weighing electronic system design.

digital weight scale;electronic strain gauge;BF120-3AA;HX711

圖7　測試結果相對誤差曲線圖

圖8　整機電路圖

課題資助：江蘇省高等職業院校高級訪問工程師計劃資助項目，編號：2014FG063