基于電阻應變片式傳感器的電子秤設計與實現

王俊芳++王海斌 倪曉昌

摘要：電子秤系統設計主要包括硬件電路設計，軟件編程調試，實物稱重三部分。硬件電路部分是以單片機STC89C52RC為核心控制單元，實現控制數據的處理。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行AD轉換。轉換后的數據經過放大后送到單片機進行處理，由LCD12864液晶顯示數據，軟件部分采用keil編程實現。稱重測量結果顯示：稱重范圍5.00～500 g，重量小于50 g時，稱重誤差小于0.5 g；重量在50 g及以上，稱重誤差不大于1 g。此電子秤具有快速方便、數字顯示、自動計價去皮，金額自動累加等優點。[JP]

關鍵詞： STC89C52RC； 電阻應變片； AD轉換； 電子秤

中圖分類號： TP391

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-2163（2016）06-0121-04

[0引言

衡器是通過將被測物體作用其上來確定該物體質重的計量器具。在衡器的發展演變過程中，曾經先后出現了6種類型的衡器設計，分別是：架盤天平、不等臂平臺秤、吊車秤、傾斜象限桿秤、彈簧秤和自動秤[1]。時下，隨著現代科技的重要飛躍與高速進步，衡器也開始轉入了便利化、數字化、智能化的發展方向[2]。

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，設計實現一款重量輕、計量準確、讀數直觀、價格低廉的便攜式智能電子秤系統，適于樣品稱重、廚房配料，中藥藥鋪稱重等多種場合。

[BT4]1研究設計方案

[BT5]1.1設計目標

設計并制作一個成本較低，以電阻應變片為稱重傳感器的簡易電子秤。

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5.00～500 g；重量小于50 g，稱重誤差小于0.5 g；重量在50 g及以上，稱重誤差小于1 g；

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100 g。

[BT5]1.2系統總體設計

本次研發系統主要由控制、測量、放大轉換、數據顯示、鍵盤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。

[BT5]1.3電子秤的工作設計原理

當被測物體放置到稱重平臺上時，電阻應變片傳感器將隨稱重懸臂一起發生形變，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性函數關系的模擬電信號，只是這個時候該信號還屬微弱級別，因而需將其進行放大、濾波后，再經由A/D轉換電路，轉換為數字信號，最后送入CPU將實現定制處理。具體地，CPU將對鍵盤和各種功能開關提供實時掃描，并根據鍵盤輸入內容和各種功能開關的狀態做出判斷、分析，同時由軟件程序來控制各種運算，最后將運算結果顯示在液晶屏上。

[BT4]2硬件設計

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

電阻應變片式傳感器的基本構成通常可分為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，將產生一個與其成正比的應變，然后用應變計作為轉換元件將應變轉換為電阻變化[3-5]。該傳感器的工作原理可如圖3所示。

用應變片測量時，將其粘貼在彈性體上。當彈性體受力變形時，應變片的敏感柵也隨之變形，其阻值發生相應的變化，再通過一定電路轉換為電壓或電流的變化[6]。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生變形時，輸出信號電壓即可由式（1）[7]運算得到：

Eout=R2×R4（R2+R4）×△R1R1+△R2R2+△R3R3+△R4R4×Ein[JY]（1）

本次研究得到的電阻應變片式傳感器具有如下強大優勢特點：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，對復雜環境適應性強，可在高溫、高壓、強磁場等特殊環境中使用，因而利于實現遠距離、自動化測量。

[BT5]2.2A/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[8]。HX711芯片即是一種專為高精度電子秤而設計發布的24位A/D轉換器芯片[9]，與同類型其它芯片相比，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單，所有控制信號均由管腳驅動，無需對芯片內部的寄存器來拓展配置編程[10]。輸入選擇開關可任意選取通道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，系統板上無需添加另外的模擬電源。芯片內的時鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動復位功能簡化了開機的初始化過程[11]。

考慮到本系統中對物體重量的測量和場合使用的精度要求，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。

[BT5]2.3鍵盤處理電路

[HT5”SS][ST5”BZ][WT5”BZ]

由于此電子秤需要設置單價（10個數字鍵），還具有確認、刪除、去皮、計價等功能，總共需設置17個鍵（包括一個復位鍵）。鍵盤的擴展方案采用了矩陣式鍵盤。矩陣式鍵盤的特點是把檢測線分成2組，一組行線，一組列線，按鍵將部署在行線和列線的交叉點上。當鍵盤的數量大于8時，一般都采用矩陣式鍵盤。[JP3]結合本設計的實際要求，16個按鍵使用4×4矩陣式鍵盤，另外一個復位鍵將使用獨立式按鍵設計實現[7]。[JP]

[BT5]2.4報警電路

當被測物體重量超過系統設計所允許的限值時，研究中利用控制程序使單片機的I/O口轉為高電平，此時三級管導通，蜂鳴器即會發出警報聲，同時報警燈閃爍[12]。

綜上可得，本次研發中設計構建的系統實物呈現如圖5所示。

[BT4]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 個模塊，分別是主程序模塊、A/D 轉換模塊、數制轉換模塊、鍵盤掃描控制模塊、顯示模塊和報警模塊[13]。主程序流程圖給出了系統工作的基本過程，描述了信號的基本流向，從而可全面發揮控制導引作用。 主程序流程如圖6所示。

[BT4]4實驗測試

4.1測量調試

研究得到電子秤的稱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也各不一樣，因此，每一個傳感器的參數在程序中均需要進行適當校正。當發現測試出來的重量偏大時，增加該數值；如果測試出來的重量偏小時，減小該數值；此數值一般在2.15附近之間調整[14]。總地來說，該參數因傳感器不同而有針對性地生成調整限定。

[JP2]電子秤的精度調節需要用砝碼展開反復的統計測量。在測量調試過程中，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。再根據各個階段的誤差值在程序中進行相應參數的調試校準修正。[JP]

修正測量結果如圖7所示，插入圖為砝碼值較小時的放大圖。從測試修正四曲線可以看出，經過多次測量校正后的曲線滿足線性且接近真實值，說明系統最優，達到測試要求。

由表1數據可以看出，重量小于50 g時，稱重誤差小于0.5 g；重量在50 g及以上，稱重誤差小于1 g，且可設置電子秤每0.5 s自動稱重，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，稱重速度較快，而且精度較高。

4.2.2誤差分析及改進

懸臂的材質，貼電阻感應片處的厚度，感應片的質量及粘貼時對氣泡的處理，稱重溫度等都會對測量結果產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，比如對電壓過大情況采取有效防范措施；

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

3）系統程序設計盡量優化。通過程序的算法及參數的選取來改善系統硬件部分對電子秤精度的影響；

4）了解各種實用芯片性能和價格，選用質量優等的電子元器件，尤其是要高度重視電阻應變片的款型選擇

[BT4]5結束語

通過對稱重傳感器信號處理電路的分析和實測，可以總結出，此電子秤整體上具備了線路完善、轉換精度高、調試步驟簡單、而且功耗低、以及無溫漂等眾多特點，滿足設計要求。

另外，隨著對生活質量的高優追求，電子秤還可以擴展外延更多電路，如日歷時鐘電路、通訊接口電路等。日歷時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）進行通訊，從而將大量的商品數據存于上位機，然后通過串口或并口通訊與電子稱相連，達到遠距離操控的滿意效果目的。

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