基于MSP430單片機的電子秤設計

摘 要 質量是測量領域中的一個重要參數，稱重技術自古以來就被人們所重視，隨著科技的發展，在現代生活及工業中，對質量測量的精度要求越來越高。系統以MSP430單片機為核心，電阻應變片作為稱重傳感器，物體重量引起應變片發生形變產生阻值變化，進而產生電壓變化，經過處理放大，送至單片機進行處理，紅外遙控輸入單價金額，最后通過128*64液晶顯示屏顯示出被測物體重量、單價、總價的信息息。該系統低功耗，經測試，系統工作正常，達到設計要求。

【關鍵詞】MSP430單片機 電子秤 傳感器 電阻應變片

1 引言

電子秤是日常生活中常用的電子衡器，廣泛應用于市場、超市、物流配送中心。隨著科學技術和經濟的發展，出售商品種類的增加，稱量物品的設備也在更新還代。傳統的機械式稱重裝置也漸漸被精度更高、功能更多的電子稱重裝置所替代。電子秤的稱重功能是基于單片機這一微型計算機系統來實現的。通過液晶顯示屏將稱重物體的質量信息直觀的顯示給你，避免了機械式的稱重裝置帶來的人為讀數的麻煩。

2 設計思路

為了實現稱重功能，首先要將物體質量這個非電量轉換成電量。通過稱重傳感器受到被測物體的重力從而產生一個與之對應的電壓信號，輸出電壓信號通常很小，所以用儀表放大器進行信號放大，這時得到了一個單片機所能適應的電壓信號。然后通過AD芯片進行模數轉換，轉換成數字量被送入到主控電路的單片機中處理，進行數據整理、運算、存儲，最后通過單片機端口并行輸出到液晶顯示屏，通過紅外遙控板給電子秤輸入單價，解決遠處來回操作的不便，從而顯示出被測物體的重量、單價和經過運算產生總價，都在顯示屏上同時顯示出來。為了提高系統集成度、穩定性及可靠性，利用了MSP430F149單片機系統的存儲器、A/D轉換器、比較器等資源。系統的結構如圖1所示。

3 硬件設計

3.1 單片機

MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（Mixed Signal Processor）。MSP430單片機稱之為混合信號處理器，是由于其針對實際應用需求，將多個不同功能的模擬電路、數字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片機”解決方案。該系列單片機多應用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。MSP430F149單片機是TI第一代產品，具有普遍性、操作性、成熟性等優點，是16位超低功耗微控制器，擁有60kB閃存、2KB RAM、12位ADC、2 USART、硬件乘法器，提供 8MIPS，工作電壓為1.8V-3.6V，其超低功耗表現0.1μA RAM（保持模式）0.7μA（實時時鐘模式）200μA/MIPS（工作模式）在 6μs 之內快速從待機模式喚醒。MSP430F149單片機超低功耗、強大的處理能力并且自帶12位A＼D轉換器，所以本設計采用MSP430F149單片機。

3.2 電子秤基本結構

該設計是一個以電阻應變片為稱重傳感器的簡易電子秤，該設計主體有五個部分，支架、懸臂梁、秤盤、單片機最小系統及轉換電路。鐵質懸臂梁一端水平固定在支架上，懸臂梁上粘貼電阻應變片作為稱重傳感器，鐵質懸臂梁另一端通過線連接秤盤，秤盤上放置 被測物體。電子秤基本結構如圖2所示。

3.3 傳感器電路

本次設計采用電阻應變片作為稱重傳感器，在電阻應變片的選型上采用金屬箔式全橋4臂應變片。該型應變片電橋相鄰兩臂受溫度影響，同時產生大小相等、符號相同的電阻增量而互相抵消，達到溫度補償的效果，特性曲線的線性特點好，輸出靈敏度很高。良好的絕緣性能、抗潮性能和耐熱性能，易于粘貼、應變極限大和價格低廉等優點，且時間穩定性好，也是本次設計選用它的原因。稱盤上物體質量的變化導致懸臂梁發生彎曲形變，從而電阻應變片發生阻值變化，在全橋4臂相對稱的兩端分別為直流電壓輸入端和輸出端，電流通過阻值變化發生輸出端微弱電壓變化。

3.4 放大電路

由于其前端傳感器電路傳來的電壓微弱，只有幾個mv，對于單片機的內部A/D轉換器來說其轉換后的精度是非常差的。所以我們需要用到放大電路，將微弱的電壓放大到能使單片機準確識別且使整個系統的精度達到其設計要求。這里我們采用AD620作為放大電路的核心，AD620具有高精度（最大非線性度40ppm）、低失調電壓（最大50?V）和低失調漂移（最大0.6?V/℃）特性，是電子秤和傳感器接口等精密數據采集系統的理想之選。AD620采用8引腳SOIC和DIP封裝，尺寸小于分立電路設計，并且功耗更低，因而非常適合電池供電及便攜式應用。此外，僅需要一個外部電阻來設置增益，增益范圍為1至10，000。其高增益、低功耗、尺寸小是這次設計選擇它的原因。參考Datasheet其增益（放大倍數）公式為

G=（49.4K/Rg） +1，Rg為Pin1和Pin8之間的電阻。其3腳與2腳分別接傳感器電路輸出端的正負，1腳和8腳中間接一滑動變阻器作為增益調節，方便之后總裝調試，6、5腳為放大電路輸出端的正負。由于微小的抖動可能引起應變片阻值變化從而導致輸出電壓的抖動變化，我們就要采用濾波來解決。采用硬件的電容濾波和程序消抖結合的方式使最終顯示在顯示屏上的是一個比較穩定的值。

3.5 顯示設計方案

本次設計采用的是MSP430F149單片機開發板，其硬件上有很多的擴展功能，包括LCD12864、LCD1602的擴展接口。帶中文字庫的128X64 是一種具有4 位/8 位并行、2 線或3 線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體 中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64， 內置8192 個16*16 點漢字，和128 個16*8 點ASCII 字符 集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。LCD1602是一種工業字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。綜合考慮選擇顯示界面更大且能顯示漢字的LCD12864。

3.6 遙控按鍵輸入

在日常生活中電子秤都少不了數字按鍵輸入面板，輸入單價、去皮、總計、數字0～9、符號等會占用不少的面積。為了減少它的占用面積，決定采用紅外遙控輸入，優點是可使它小型化，也可在遠處控制輸入。單片機最小系統板上集成了紅外接收模塊，系統工作時通過紅外遙控板發出脈沖信號，紅外接收頭收到肉眼不可見的紅外光，將信息傳給單片機從而對其輸入進行控制。

4 軟件設計（如圖3所示）

系統工作有三個階段。第一階段，系統初始階段。按下電源鍵系統開始工作，通過傳感器采集數據，數據經單片機處理，在液晶顯示屏顯示重量等信息。在此之前的數據處理時間段，通過開機動畫給采集數據爭取一點時間，使結果更精準。第二階段，系統調試階段，單片機通過程序的控制將空載、100克、200克……1000克等具有梯度性重量的非電量通過A/D轉換器轉換成單片機識別的信號記錄在內部的60KB FLASH里面，然后單片機將其處理形成多段函數式。第三階段，持續工作階段，系統將之前的測試信息繪制成多段線記錄，不同的重量對應單片機里不同的編碼信息。

在軟件設計之初，進行大量實驗，采集放大電路輸出端電壓值與被測物體重量并將其繪制成V-W曲線圖。通常我們希望圖中是一條直線即y=kx+b的一次函數，但是在大量的數據的積累下，繪制出來的并不是一條直線，當物體越來越重時，其線形會慢慢彎曲，產生偏移，如果以線性的公式計算，會產生不必要的誤差。這時，可以將整個曲線看成很多個一次函數線繪制而成，通過分段截取的方式，將整個曲線分成若干段，每一段有不同的k值即一次項系數。在系統工作信息采集時，放置具有梯度性重量的砝碼，依次記錄，減少系統誤差，提高系統精確度。在系統接收到紅外遙控發出的脈沖信號后，通過單片機解碼，作出相應操作。

參考文獻

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[4]AD620數據手冊[Z].亞德諾半導體官網，2004.

作者簡介

劉恒瑞（1995-），男，四川省南充市人。四川郵電職業技術學院物聯網應用技術專業。

作者單位

四川郵電職業技術學院 四川省成都市 610067