基于STC89C52和HX711的電子秤設(shè)計(jì)

張波 王晨陽 徐傳旭 張晉銘 李可

摘? 要：電子秤是在人們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)用廣泛的一種稱重儀器。本文所設(shè)計(jì)的電子秤由應(yīng)變式電阻壓力傳感器構(gòu)成電橋來完成稱量物體的重力到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，電壓信號(hào)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換部分由集成芯片HX711完成，由STC89C52單片機(jī)完成相應(yīng)的計(jì)算，把得到的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的質(zhì)量數(shù)值，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的計(jì)價(jià)、去皮等功能。稱重信息由單片機(jī)控制LCD1602來顯示。

關(guān)鍵詞：壓力傳感器;信號(hào)放大;A/D轉(zhuǎn)換;STC89C52單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TN701? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）08-0042-03

Abstract：Electronic scale is a weighing instrument and widely used in people’s daily life. The designed electronic scale consists of a bridge composed of strain resistance pressure sensor to complete the conversion of weighing object’s gravity to voltage signal. Voltage signal amplification and A/D conversion are completed by integrated chip HX711. The SCM STC89C52 completes the corresponding calculation，converts the obtained digital signal into the corresponding quality value，and realizes the corresponding valuation，peeling and other functions. The weighing information is displayed by LCD1602 controlled by single chip computer.

Keywords：pressure sensor;signal amplification;A/D conversion;STC89C52 SCM

0? 引? 言

電子秤是一種常用的稱重儀器，相比較于機(jī)械秤，電子秤更加輕小直觀。電子秤是電子衡器中的一種，而電子衡器的測(cè)量水平，將影響到社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和現(xiàn)代化水平[1]，影響人們的生產(chǎn)生活。單片機(jī)目前來說功能較強(qiáng)大、體積小、性價(jià)比高，在家用電器、消費(fèi)電子、工業(yè)自動(dòng)化、儀器儀表等很多方面應(yīng)用越來越廣。因此本文基于單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款高精度的電子秤。

1? 總體設(shè)計(jì)方案

電子秤是通過傳感器技術(shù)把物品的重力轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出，電壓信號(hào)經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后再利用微處理器技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算處理，最后通過一定的方式顯示出來，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器選用電阻應(yīng)變片壓力傳感器構(gòu)成電橋，將物體的重力轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)是模擬信號(hào)且幅值比較小，必須經(jīng)過放大后才能進(jìn)行后續(xù)處理。單片機(jī)只能接收數(shù)字信號(hào)，故模擬的電壓信號(hào)要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換才能送至單片機(jī)。集成芯片HX711可完成信號(hào)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，故選用此芯片。數(shù)據(jù)處理計(jì)算由STC89C52單片機(jī)完成，其能夠把表示壓力的電壓信號(hào)換算成物品質(zhì)量，處理鍵盤輸入的去皮、單價(jià)等信息，計(jì)算總價(jià)，控制液晶屏LCD1602的輸出，并在超重（超出測(cè)量范圍）時(shí)控制蜂鳴和LED報(bào)警。

2? 壓力傳感器和HX711芯片

2.1? 壓力傳感器

導(dǎo)體或半導(dǎo)體由于受到外力而產(chǎn)生形變時(shí)其電阻值也將隨之變化，這一現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)[2]，是電阻壓力傳感器的理論基礎(chǔ)。電阻應(yīng)變片具有精度高、簡(jiǎn)便、體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛。初始阻值為R的電阻壓力傳感器在應(yīng)變?yōu)棣抛柚底兓拇笮棣，則電阻壓力傳感器靈敏度系數(shù)K為：

應(yīng)變電阻器在使用中通常構(gòu)成直流橋式電路。為了減少誤差，增加電橋輸出靈敏度，電橋的四個(gè)橋臂通常都選用應(yīng)變電阻，且選用的四個(gè)應(yīng)變電阻（如圖2中Ra、Rb、Rc、Rd）參數(shù)都相同，設(shè)四個(gè)應(yīng)變電阻初始阻值相等，且均為R，受到相同的應(yīng)變時(shí)產(chǎn)生的阻值變化ΔR也相等。構(gòu)成電橋后，同一橋臂上兩個(gè)電阻應(yīng)變方向相反，即受到壓力時(shí)引起的電壓變化方向相反。設(shè)電橋輸入電壓為Ui，則電橋輸出電壓大小為：

2.2? HX711芯片的應(yīng)用

HX711是專為電精度電子秤而設(shè)計(jì)的芯片，內(nèi)部集成有放大部分和24位A/D轉(zhuǎn)換部分。信號(hào)放大部分是電阻應(yīng)變壓力傳感器必不可少的部分，而模數(shù)轉(zhuǎn)換是模擬信號(hào)輸入普通單片機(jī)必不可少的部分。芯片共有16個(gè)引腳，工作電壓范圍為2.6V-5.5V，工作時(shí)電流小于1.6mA，功耗很低。芯片內(nèi)有兩路可選差分輸入：A路、B路，輸入選擇開關(guān)可很便捷選擇A路或B路。A路對(duì)應(yīng)的放大器增益編程可選為64或128，對(duì)應(yīng)的滿度差分輸入電壓信號(hào)幅值絕對(duì)值分別為20mV和40mV。B路對(duì)應(yīng)的放大器增益為固定的32。芯片內(nèi)部集成的穩(wěn)壓電源可直接向外部傳感器電路供電。芯片內(nèi)集成振蕩電路無須外圍器件。芯片所有控制由管腳輸入，芯片內(nèi)寄存器無須編程。芯片上電自動(dòng)復(fù)位簡(jiǎn)化了初始化過程。芯片串行通訊接口非常簡(jiǎn)便，可很方便地與后面的微處理器進(jìn)行通訊。該芯片的集成度很高，使用該芯片可在很大程度上簡(jiǎn)化電子秤電路設(shè)計(jì)，增強(qiáng)電路可靠性，提高電路輸出精度。

電阻Ra、Rb、Rc、Rd構(gòu)成的壓力傳感器電橋和HX711部分的電路如圖2所示。16腳電源引腳DVDD和1腳穩(wěn)壓電路部分供電電源都連至輸入電源VCC。圖2中穩(wěn)壓電路部分包括穩(wěn)壓電路部分供電電源1腳VSUP、穩(wěn)壓電路輸出控制腳2腳BASE、穩(wěn)壓電路輸入控制腳4腳VFB、PNP型三極管Q1，電阻R1和R2。輸出電壓也即3腳上電壓VAVDD大小為VFB（R1+R2）/R2。電橋的輸出通過R3、R4和電容C4接A路輸入，芯片的7引腳INNA和8引腳INPA。輸出速率控制15引腳接地，數(shù)據(jù)輸出速率為10Hz。14管腳XI接地選擇使用內(nèi)部振蕩時(shí)鐘。B路輸入未采用，都接地。串行通訊口和單片機(jī)相連接，用來輸出轉(zhuǎn)換的數(shù)具，選擇輸入通路和相應(yīng)通路的增益。12腳DOUT是數(shù)據(jù)傳送引腳，11腳PD_SCK是時(shí)鐘引腳，圖2設(shè)計(jì)的電路分別和STC89C52單片機(jī)的P3口的P34和P35相連接。壓力傳感器電橋物品重力按一固定關(guān)系轉(zhuǎn)換為電壓Uo輸出，該電壓信號(hào)Uo經(jīng)HX711完成信號(hào)放大和A/D轉(zhuǎn)換，之后再送至STC89C52單片機(jī)處理。

3? STC89C52單片機(jī)部分

3.1? STC89C52單片機(jī)

整個(gè)系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為計(jì)算處理和控制的核心。STC89C52單片機(jī)是宏晶科技推出的國(guó)產(chǎn)低功耗使用MCS-51內(nèi)核的8位單片機(jī)，價(jià)格便宜[3]。該單片機(jī)具有8K可編程FLASH存儲(chǔ)器，4K的EEPROM，用戶燒錄程序比較方便。該單片機(jī)和傳統(tǒng)的8051單片機(jī)一樣共40引腳，引腳分布功能也和傳統(tǒng)的8051單片機(jī)一致，指令代碼兼容8051單片機(jī);該單片機(jī)具最高工作頻率達(dá)35MHz，有4個(gè)外部中斷，3個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，功能上比基礎(chǔ)型的51單片強(qiáng)出很多。STC89C52單片機(jī)接受來自HX711的數(shù)字信號(hào)，根據(jù)這一數(shù)字信號(hào)計(jì)算得到相應(yīng)的物品質(zhì)量，并通過LCD1602顯示。單片機(jī)接受鍵盤信息，根據(jù)需要可完成去皮和計(jì)價(jià)功能。

3.2? LCD1602液晶

LCD1602液晶顯示器件工作電壓為4.5V-5.5V，可以和STC89C52單片機(jī)用同一電源供電。常用的LCD1602是點(diǎn)陣型、字符型液晶，共有2行，每行有16個(gè)字符位，每個(gè)字符位可顯示一個(gè)字符，顯示內(nèi)容比數(shù)碼管豐富很多，且功耗低很多。1602內(nèi)部字符發(fā)生存儲(chǔ)器已存入了包括英文26個(gè)大小寫字母、阿拉伯?dāng)?shù)字和常用符號(hào)等160個(gè)點(diǎn)陣字符圖形[4]，因此可很方便地顯示這些符號(hào)。常規(guī)應(yīng)用，1602不能顯示漢字和其他圖形，要讓其顯示漢字和其他圖形需自定義字符圖形庫。要使顯示內(nèi)容更為豐富，可選用12864液晶顯示器件。1602除電源引腳、背光電源引腳和對(duì)比度調(diào)節(jié)引腳外，其余引腳使用時(shí)直接和STC89C52單片I/O引腳相連，使用較為方便。亮度調(diào)節(jié)引腳通常由電位器可調(diào)端子上分壓獲得電壓信號(hào)，背光電源引腳有時(shí)也通過三極管由單片機(jī)引腳控制。

3.3? 矩陣鍵盤

按鍵輸入是單片機(jī)常用的輸入方式之一。但是單片機(jī)I/O口資源非常用限，按鍵較多時(shí)若一個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)一個(gè)I/O引腳，勢(shì)必會(huì)占用過多的單片機(jī)I/O資源，限制了單片機(jī)的其他擴(kuò)展應(yīng)用。因此通常使用矩陣式鍵盤，行列式分布的鍵盤通過程序掃描判斷應(yīng)選擇哪個(gè)按鍵按下。不同的按鍵程序內(nèi)對(duì)應(yīng)不同的數(shù)值或字符，按鍵在程序內(nèi)對(duì)應(yīng)的數(shù)值或字符和人眼看到的鍵盤標(biāo)示一致。

3.4? 聲光報(bào)警

單片機(jī)電子秤傳感器部分有對(duì)應(yīng)的測(cè)量范圍，超出測(cè)范圍電子秤則無法準(zhǔn)確顯示其重量。因此稱重時(shí)要有相應(yīng)的報(bào)警提示功能。超重時(shí)單片機(jī)一I/O引腳控制相應(yīng)的LED報(bào)警燈亮起，程序控制另一I/O引腳輸出一定頻率的和規(guī)律的脈沖信號(hào)，該I/O引腳加在PNP型三極管的基極，信號(hào)經(jīng)三極管放大后驅(qū)動(dòng)小喇叭報(bào)警響起。單片機(jī)I/O引腳允許輸入的電流比其輸出電流大，所以通常配PNP三極管。

4? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的電子稱重范圍達(dá)40Kg，精度為1g。電子秤體積小，使用方便直觀，性價(jià)比較高，配置好相應(yīng)的結(jié)構(gòu)外殼后很適合應(yīng)用于人們的日常生活。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：張波（1979-），男，漢族，湖北棗陽人，副教授，碩士，研究方向：電力電子技術(shù)。