一種簡易電子秤的設計

解旭東 龍光利

摘要：針對目前電子稱精度不高、功能少等問題，設計并制作一個以電阻應變片為稱重傳感器的簡易電子秤。它包括硬件和軟件兩部分，硬件部分由結構支架和電路設計組成，其中結構支架由不高于40cm的鐵質支架、鐵質懸梁臂和秤盤制成，電路設計由單片機最小系統、電阻應變片采集電路、A/D轉換電路、按鍵電路、液晶顯示和報警電路組成。軟件部分由主程序和子程序組成，采用C語言編寫。經實驗驗證，電阻應變片采集的模擬信號經放大后轉換為數字信號，然后送入單片機進行數據處理，通過按鍵設置單價，液晶顯示重量、單價、總價和累計金額，同時也實現稱重、累計、去皮和報警功能。

關鍵詞：電子秤;電阻應變片;單片機;數模轉換

中圖分類號 TM914.4? ? ?文獻標識碼 A

文章編號：1009-3044（2022）18-0089-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

電子秤是目前最常見的電子稱重產品，這種產品的作用主要是把秤稱重得來的質量以電子計算的技術進行處理，增加或除去相關的信息顯示到電子顯示屏上。電子秤的前身是比較普通常見的桿秤，發展到電子秤經歷了很多個階段，從開始粗糙的稱重數據，經過傳感器的精密加工處理之后也越來越變的精確穩定，直到最后可以自動通過質量計算得出最終的數據，而且可以去除不需要的因素，精度和速度上都有很大程度的提高，也越來越受人們的喜歡[1-3]。

2 電阻應變片的工作原理

電阻應變片是電阻變壓式傳感器的核心元件，它是一種將物體形變轉換為電信號處理的轉換元件。其工作原理是先將電阻應變片按照直流電橋電路焊接成電路，然后將焊好的電路粘貼在經過處理的測力物體表面，隨著給測力物體表面施加適當的力，粘貼在物體表面的應變片立即感應到受力發生的形變，從而將形變轉換為電信號（電壓或電流）形式作為輸出信號去處理。應變片不僅能測量應變，而且對其他物理量，如重量、扭矩、壓強、位移、溫度和加速度等，只要能設法變為應變的相應變化，都可以利用電阻應變片進行來測量，所以在測試中得到非常廣泛的應用[4-5]。采用直流電橋電路如圖1所示，由電路理論計算可知。

[U0=R1R3-R2R4（R1+R2）（R3+R4）US]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

若使此電橋平衡，即U0=0，只要R1R3﹣R2R4 = 0即可實現。當電橋的四R1，R2，R3，R4皆產生電阻變化ΔR1，ΔR2，ΔR3，ΔR4時，（1）式變：

[U0=（R1+ΔR1）（R3+ΔR3）-（R2+ΔR2）（R4+ΔR4）（R1+ΔR1+R2+ΔR2）?（R3+ΔR3+R4+ΔR4）US] （2）

對于等臂電橋，即R1=R2=R3=R4=R，則上式可以改寫成：

[U0=14（ΔR1R+ΔR3R-ΔR2R-ΔR4R）?US]? ? ?（3）

由于?R/R=k·ε，則（3）式可改寫成：

[U0=14?k?（ε1+ε3-ε2-ε4）?US]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

3 硬件設計

3.1 結構支架設計

支架整體均采用鐵質材料，設計高度為30.8cm，底板尺寸為27cm×26cm×2mm，懸梁臂尺寸為28cm×2cm×2mm，秤盤的直徑為15cm。

3.2 單片機最小系統

單片機最小系統主要由單片機芯片MSP430F5529、復位電路、晶體振蕩電路組成。

MSP430F5529單片機是由美國德州儀器（TI）公司開發的一款16位超低功耗的混合信號處理器，采用精簡指令集（RISC）結構，集成了多個20位的寄存器和常數發生器，主要結構包括16位CPU、存儲器、片上外設、時鐘系統、仿真系統以及連接它們的數據總線和地址總線。

電源：就是VCC和GND引腳，選擇供電電壓為+3.3V，GND接地，可用USB接口線降壓供電。

復位電路：當單片機的引腳RST出現2個機器周期以上高電平時復位，程序從頭開始運行。

時鐘電路：單片機MSP430F5529的時鐘模塊包括數控振蕩器、高速晶體振蕩器和晶體振蕩器低速時鐘源。在單片機MSP430F5529中，內部的LFXTl振蕩器工作默認在低頻模式，它的外部連接一個32.768 kHz晶振和兩個12pF電容，通過XIN和XOUT端口連接到單片機;而外部的XT2晶體振蕩器工作在高頻模式，它外部連接一個8MHz晶振和兩個22pF電容，通過XIN2和XOUT2端口連接到單片機。

3.3 電阻應變片電路設計

采用的電阻應變片型號為BF120-3AA，它屬于金屬箔式應變片，精度高、隨溫度的變化小，適合用于0.05級精度以上傳感器和精密應力分析。有4根引線用于連接外電路，紅線為電源正極輸入，白線為電源負極輸入，藍線為信號輸出1，綠線為信號輸出2。為保證精度，一般不隨意調整線長。

3.4 A/D轉換電路設計

設計的A/D轉換電路如圖2所示。

HX711是一個24位A/D 轉換器芯片[6-7]，設計中采用1個ADSK 脈沖，選擇通道A，增益為128對輸入的信號進行放大和轉換處理。芯片內部的時鐘振蕩電路不需要接外部的連接部件，初始化過程在開機時由于加入上電復位的方法而被簡化。

3.5 液晶顯示電路、按鍵電路和報警電路的設計

液晶顯示電路采用LCD12864，為了減少接線的數目，LCD12864液晶顯示采用串行的傳輸方式，即當15腳PSB為低電平時，是從4（RS/CS）串行的指令/數據選擇信號，串行的片選信5（R/W/SID），串行的數據口6（E/CLK）并行的使能信號，三個口進行同步時鐘傳輸數據[8]。

設計的按鍵電路，采用4×4行列式非編碼矩陣鍵盤，由行線、列線和鍵盤開關矩陣3部分組成。每根行線和列線的交叉處都有一個按鍵，當某個鍵被按下時，與這個按鍵相連的行線和列線就會接通，否則行線和列線不接通。通過按鍵來設置單價、去皮、累加和清0等功能[9]。

若要求電子秤稱重范圍為5～500g，當重量低于5g或超過500g時過載，此時通過程序使單片機的控制I/O口P7.4置高電平，三極管導通，蜂鳴器發出報警聲，同時發光二極管閃爍。

4 軟件設計

軟件分為主程序和子程序，主程序主要用來進行系統初始化，統一管理和調用各個子程序，使系統運行有條不紊;子程序主要包括A/D轉換程序、按鍵功能程序、LCD 顯示程序和報警程序，各個子程序分工明確，統一協調，實現顯示、去皮、稱重、單價設置、金額累計、報警等功能。

設計的主程序流程圖如圖3所示，首先系統開始初始化，將電阻應變片采集的小信號進行信號放大，放大后的模擬電壓信號經過A/D轉換電路轉換成數字信號，將其送入到主控電路中的單片機進行處理，此時獲取重量，通過按鍵設置單價，計算出總價和累計金額進行顯示，同時不斷檢測有沒有超出稱重，若有超過，則蜂鳴器進行報警提示。

5 實驗結果

根據流程圖，用C語言編寫程序，使用CCSv6.0軟件編譯工具進行編譯，將編譯完成后的程序通過USB線下載至單片機。制作一個高度不大于40cm的鐵質支架，將鐵質懸臂梁固定在支架上，再把秤盤懸掛在臂梁上，最后用銀粉對支架進行防氧化處理。在支架臂梁上進行應變片定位和粘貼[10]。制作電子秤電路模塊，包括單片機最小系統、A/D轉換電路、液晶顯示電路、按鍵電路和報警電路等[11]。經調試正常后接通電源，按下單片機復位鍵將系統復位，液晶顯示屏進行初始化顯示，初始化顯示重量為000.00，對電子秤進行校正之后開始進行測試，通過標準砝碼與樣機測試結果進行對比， 當砝碼的重量小于50g時，稱重誤差小于0.14 g;當砝碼的重量在50g及以上時，稱重誤差小于0.5g，即該電子秤的測量精度在1%以內。通過測試不同重量的砝碼，按鍵設置不同的單價，計算可得到總價并實現金額累計。

6 結束語

設計制作的簡易電子秤，用單片機實現電子秤的相關功能，通過按鍵設置單價，液晶顯示重量、單價、總價和累計金額，同時也實現了稱重、累計、去皮和報警功能。進一步設置電阻應變片電路、軟件程序，可擴大稱重范圍、精度及功能;增加無線傳感模塊，也可實現遠程在線監測。

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【通聯編輯：梁書】