基于單片機(jī)的數(shù)字電子稱設(shè)計(jì)

摘要：秤是一種常用的測(cè)量器具。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電子式稱量裝置，具有準(zhǔn)確、快速、顯示直觀等諸多優(yōu)點(diǎn)受到人們的青睞，傳統(tǒng)純機(jī)械結(jié)構(gòu)的桿秤、臺(tái)秤、磅秤等稱量裝置逐步被淘汰。數(shù)字電子秤利用MCU單片機(jī)、傳感器、AD轉(zhuǎn)換器件、實(shí)現(xiàn)，具有精度高、功能強(qiáng)。本文對(duì)10Kg，重量誤差不大于+0.005Kg的電子稱的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，該電子秤具有基本檢測(cè)重量、計(jì)算物品價(jià)格、鍵盤(pán)輸入物品單價(jià)、顯示物品重量和總金額、物品超重報(bào)警功能。

關(guān)鍵詞：電子稱 電阻應(yīng)變傳感器 AD轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)：TH715.193 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）10-0175-01

1 電子稱的功能

數(shù)字電子稱重系統(tǒng)的核心控制部件是單片機(jī)，控制過(guò)程是首先是通過(guò)傳感器采集到被測(cè)物體的重量壓力，并將該非電量轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號(hào)。電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)處理電路進(jìn)行適度的線性放大，放大后的電壓模擬信號(hào)需要通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并傳送入到主控單片機(jī)中。單片機(jī)對(duì)重量數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理控制，計(jì)算通過(guò)液晶顯示器顯示被測(cè)物體的重量。物體重量測(cè)量完成后，用戶可以通過(guò)系統(tǒng)鍵盤(pán)輸入物品單價(jià)，系統(tǒng)根據(jù)重量和單價(jià)自動(dòng)計(jì)算總金額并顯示。

2 稱重傳感器

在數(shù)字電子稱的設(shè)計(jì)中，傳感器的精度在系統(tǒng)中起著決定性作用。電阻應(yīng)變傳感器由電阻應(yīng)變片和信號(hào)測(cè)量線路兩部分組成。目前使用最廣的電阻應(yīng)變片電阻絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。本文中選用的是電阻絲應(yīng)變片型傳感器。結(jié)合設(shè)計(jì)要求的稱重范圍，重量誤差，同時(shí)還要考慮到秤臺(tái)自身重量、振動(dòng)的影響和沖擊分量的影響，還要避免因?yàn)槌囟鴵p壞傳感器，所以傳感器量程必須大于額定稱重的重量。我們選擇的是L-PSIII型傳感器，量程10Kg，精度為0.01%，滿量程時(shí)誤差0.002Kg。可以滿足本系統(tǒng)的精度要求。

本設(shè)計(jì)中選用的是測(cè)量電路最常用電阻應(yīng)變傳感器橋式測(cè)量電路來(lái)進(jìn)行信號(hào)測(cè)量。它共用兩只電阻和兩只應(yīng)變片，分別貼在彈性粱上，通過(guò)導(dǎo)線連接為電橋，就可以測(cè)量電橋中電阻隨重力變化導(dǎo)致彈性梁應(yīng)變而產(chǎn)生的變化。應(yīng)變片電阻的變化通過(guò)橋式測(cè)量電路輸出電壓表現(xiàn)出來(lái)。即橋式輸出電壓的變化表現(xiàn)出被測(cè)物體重力的變化。

3 AD轉(zhuǎn)換芯片HX711

電阻應(yīng)變傳感器感應(yīng)被測(cè)重力，輸出微弱的毫伏級(jí)電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)需要進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)換。在設(shè)計(jì)中，選擇了電子秤專用的A/D轉(zhuǎn)換器芯片hx711對(duì)傳感器的輸出電壓進(jìn)行放大和A/D轉(zhuǎn)換。HX711是一款高精度電子秤專用的的24 位A/D 轉(zhuǎn)換器芯片，芯片內(nèi)集成了穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器電路，所以HX711芯片具有集成度高、芯片的響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該芯片與后端MCU 芯片的接口和編程非常簡(jiǎn)單，HX711芯片通過(guò)2線串行方式與單片機(jī)通信，HX711芯片內(nèi)的所有控制信號(hào)由管腳驅(qū)動(dòng)，無(wú)需對(duì)片內(nèi)部的寄存器進(jìn)行編程。

4 重量轉(zhuǎn)換計(jì)算

4.1 傳感器將重力轉(zhuǎn)換為電壓

傳感器將重力轉(zhuǎn)換為微弱電壓，轉(zhuǎn)換關(guān)系是滿量程輸出電壓=激勵(lì)電壓乘以靈敏度2.0mv/v。比如供電電壓是4.5v，乘以靈敏度2.0mv可得滿量程輸出9mv，即量程最大10kg重力產(chǎn)生9mv電壓。

4.2 hx711對(duì)采集電壓處理

hx711模塊具有128倍信號(hào)增益，可以將電壓放大128倍，然后采樣輸出24位的AD轉(zhuǎn)換值，單片機(jī)通過(guò)指定的時(shí)序?qū)?4位的數(shù)字量數(shù)據(jù)讀出。HX711的供電電壓是4.5V。在4.5V的供電電壓下10Kg的傳感器滿量程的輸出電壓9mV。經(jīng)過(guò)放大后，最大輸出電壓是 576mV（4.5mV*128），經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后輸出的最大數(shù)字值為是 2147483（576mV*224/4.5V）。

4.3 重量計(jì)算

單片機(jī)獲取當(dāng)前AD值并進(jìn)行處理，需要存放在long型變量中。 因long型變量計(jì)算速率慢和存放空間多，所以可以進(jìn)行處理，除以1000，縮放為int型，便于后續(xù)計(jì)算。weight=FullScale-AdVal/1000。

重量計(jì)算過(guò)程如下，假設(shè)重力為xKg（x<10Kg），測(cè)量出來(lái)的AD值為y，采樣值為A，10Kg傳感器輸出，發(fā)送給AD模塊兒的電壓為0.9x mV。經(jīng)過(guò)128倍增益后為57.6x mV。轉(zhuǎn)換為24bit數(shù)字信號(hào)為2147483.648x，所以y=2147483.648x/1000=429.4967296A。因此得出A≈y/4.50g。所以得出重量計(jì)算weight=10000*weight/FullScale；最終重量需要用RATIO參數(shù)進(jìn)行精度調(diào)節(jié)是 weight=weight*RATIO。RATIO=1690/1000，作為精度調(diào)節(jié)，由于單片機(jī)計(jì)算能力所限，這里RATIO只能用 整數(shù)/整數(shù) 的形式，建議除數(shù)和被除數(shù)都使用4位數(shù)以保證精度。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括AD采樣、LCD12864顯示、計(jì)算重量、判斷是否超重、校準(zhǔn)函數(shù)等幾部分模塊。

在系統(tǒng)通電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，然后獲取當(dāng)前采樣的AD值，并對(duì)AD值進(jìn)行處理，計(jì)算出被測(cè)物體的重量，接著進(jìn)行調(diào)零和定標(biāo)，同時(shí)判斷是否超重，超重蜂鳴器報(bào)警。最后調(diào)用液晶顯示函數(shù)，計(jì)算重量進(jìn)行顯示。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于單片機(jī)的電子稱的設(shè)計(jì)過(guò)程，并詳細(xì)說(shuō)明了測(cè)量信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程和處理方法，通過(guò)實(shí)踐調(diào)試，能夠達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。但是測(cè)量的過(guò)程容易受到外界的干擾，測(cè)量中也會(huì)輸出偏差較大的值，可以在軟件部分采用軟件濾波的方法，來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)誤差，從而達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)精度要求。

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收稿日期：2016-09-20

作者簡(jiǎn)介：汪小涵 （1982—），女，四川樂(lè)山人，講師，本科，研究方向：EDA技術(shù)，嵌入式技術(shù)。