基于MSP430的電子秤設計

文/張景虎

1 前言

物體重量從古代開始就一直是非常重要的物理屬性，它與人們的生產生活息息相關，早期人類發明了“稱”用于稱量物體的重量，使用的是杠桿原理。隨著現代電子通信技術的發展，出現了可以將其它物理量轉換為電信號的傳感器，在此基礎上發展成了電子秤，它綜合了傳感器技術、電子線路技術、數據分析處理技術和計算機控制技術。傳感器技術的發展使得電子秤的測量精度越來越高，能適應比較惡劣的工作環境。現在的電子秤不僅可以稱量物體的重量，還可以進行重量去皮、校準、計算總價等功能。但現在市面上流行的電子秤存在體積較大、攜帶不方便、能耗較高、維修比較困難等問題，而且價格較高，鑒于以上問題，本文設計了一款精度較高、便于攜帶、超低功耗、維修方便、可以滿足家庭使用的小型電子秤。

2 系統硬件設計

2.1 系統設計要求

技術指標要求：

1.稱量范圍：0-10kg；

2.誤差范圍：±0.001kg；

3.去皮功能：通過按鍵中斷實現；

4.超重報警：當物體重量超過10kg時，蜂鳴器發報警聲音，防止損壞應力傳感器；

5.校準功能：當電子秤經過長時間使用或經過劇烈搬動后，通過按鍵重新進行校準。

2.2 整體硬件結構

本系統以MSP430F5529單片機為主控芯片，包括稱重傳感器模塊、HX711信號放大及模數轉換模塊、單片機數據分析與處理模塊、報警電路、鍵盤輸入及顯示電路等，如圖1所示。其基本工作原理為：稱重傳感器感受物體重力的變化后產生微小電信號，該信號經放大電路放大后送給HX711進行模數轉換，轉換后的數字信號送至單片機進行分析及處理，將得到的重量數據、通過4*4矩陣鍵盤輸入商品的單價和計算出的總價一塊送LCD1602液晶顯示，通過鍵盤輸入添加校準、去皮、報警等附加功能。整個系統設計測量精度高，對環境要求低，且結構簡單實用方便。

2.3 稱重傳感器

傳感器是一種能感受被測量的信息并將信息按照一定規律轉換為電信號的器件或裝置，通常傳感器由敏感元件和轉換元件組成。其中敏感元件指傳感器中能直接感受被測量的部分，轉換部分指傳感器中能將敏感元件輸出量轉換為適于傳輸和測量的電信號部分。能采集物體重量的傳感器有電容式傳感器、壓阻傳感器和電阻應變式傳感器等，其中電容式傳感器測量精度較低，壓阻傳感器對環境溫度較敏感，故本設計采用電阻應變式傳感器。

電阻應變式傳感器是電阻傳感器的一種，理論基礎是電阻片的金屬應變效應。電阻應變式傳感器可以將被測量轉換成電阻值這種物理量的形式，被測量可以是質量、力、位移、濕度等常用的物理量。電阻應變式傳感器中的電阻值會隨著傳感器的形變而變化，當給它加上電壓就可以使得非電被測量轉換成電阻的變化，進而產生電信號，完成信息由非電量向電量的轉換。雖然電阻應變式傳感器輸出信號較弱，但是可以經過放大電路進行放大補償，使產生的數據信號便于采集與處理。

采用電阻應變片作為傳感器來感受被測物體的重量，主要原因在于電阻應變片成本很低，其次，以電阻應變片片為基礎將四個應變電阻組建成電橋，這種電路結構可以檢測到應變電阻非常微弱的變化，可以獲得較高的測量精度，滿足本設計的要求。其測量原理如下：

設輸出端為U1,當U1開路時，此時電橋輸出的是電壓，理想狀態下不考慮電源的內阻，根據電阻分壓原理可知：

當R1R3=R2R4時，即時，電橋平衡。

應變電橋的使用方法是在使用之前先把電橋調整好使它保持在平衡狀態，這樣就使得電壓和應變電阻的變化建立了關聯。為進一步提高分辨率，本設計采用差動方式，如圖2所示，將四個應變電阻的阻值設為相等，則原來的R1R2R3R4分別為R1=R-△R、R2=R+△R、R3=R-△R、R4=R+△R，結合式（1）可得：

通過此式可知，在輸入電壓保持不變的情況下，輸出電壓與應變電阻的變化量呈線性關系，以差動方式工作的電橋的靈敏性較高，但是受傳感器尺寸和規格的限制，一般輸出電流很小，需要后續電路進行信號的放大。

圖1：系統結構框圖

圖2：差動應變電橋電路

表1：鍵位對應功能

圖3：HX711模塊

圖4：總體軟件流程圖

2.4 HX711放大及A/D電路

由于本設計采用的是電阻應變式傳感器，初始輸出的模擬信號很小，為了便于后面進行數據分析，需要將模擬信號進行放大，然后進行A/D轉換。HX711芯片是一款專為高精度電子秤而設計的24位A/D轉換芯片，如圖3所示，該芯片集成了低噪聲可編程放大器、時鐘振蕩器、可直接向外部傳感器輸出的穩壓電源等，具有精度高、速度快、抗干擾性強等優點。

圖5：中斷功能流程圖

2.5 MSP430控制系統

本設計根據低功耗的要求采用MSP430F5529，MSP430系列單片機是TI公司生產的一種超低功耗的16位單片機，具有精簡指令集，是將多個模擬電路、數字電路和微處理器集成在一起的混合信號處理器，具有處理能力強、運行速度快、超低功耗等優點，特別適合于需要電池供電的便攜式儀器儀表中，使用內置的EEPROM來永久存儲校準和商品單價等數據信息。

2.6 按鍵輸入

本設計使用4*4矩陣鍵盤中的四個按鍵用來實現復位、校準和去皮功能，其它按鍵用來輸入商品單價信息，如表1所示，在程序設計中通過外部中斷的方式實現各自功能。校準按鍵用于調節在使用和運輸過程中造成的電子秤誤差。

3 系統軟件設計

3.1 總體設計流程

本設計的基本功能是實現物體質量的高精度顯示，在這個基本要求下增加復位、校準、去皮、超重報警和總價顯示等功能。具體流程如圖4所示。

如流程圖所示，當開關打開后，系統開始工作，單片機、HX711芯片開始初始化，數據和端口進行初始化，接著是定時器和EEPROM的初始化。這一系列操作完成后，系統開始進入While的循環檢測階段，檢測是否出現稱重信號，如果沒有，系統會繼續檢測，如果有，則進入物體是否超重的判斷，如果超重了，那么系統就會通過蜂鳴器進行報警，如果沒有超重，則會顯示物體的質量，最后判斷是否開啟校準功能。

3.2 按鍵功能檢測

本設計中校準、去皮功能是以按鍵中斷的方式存在的，校準是在檢測到對應按鍵按下后進行的，而去皮操作是一直存在于整個稱量過程中，其流程圖如圖5所示。

4 總結與展望

便攜電子秤具有高可靠性、高精度、便捷性等特點得到了市場的認可，給人們的生活帶來了很大便利。本文基于MSP430F5529單片機設計的電子秤，集傳感器技術、數字顯示技術于一體，精度高、性能穩定、有校準、去皮和報警功能，且價格低廉，便于使用，滿足了市場的需求，有較大的推廣價值。

隨著人工智能和大數據技術的發展，電子秤也必將與之相結合，故今后的發展方向主要體現在以下幾個方面：

（1）智能化：和計算機相連接，通過計算機使電子秤具有推理、判斷、自適應、自組織等功能。

（2）綜合性：不斷加強擴展，向相鄰行業滲透，綜合各種技術去解決稱重計量、自動控制、信息處理，與計算機組合顯示更多信息，構成一個完整的綜合控制系統。

（3）組合性：硬件可以根據不同要求進行調整，軟件可以根據不同要求進行修改和擴展，并能與外部的控制和數據處理設備進行通信。