基于單片機的數字電子秤的設計與實現

馮春寶，陳文鑫，董炎峰，何安東，李登峰

（重慶郵電大學理學院，重慶 400065）

一、引言

物料計量是工業生產和貿易流通中的重要環節。稱重裝置或衡器是不可缺少的計量工具。隨著工農業生產的發展和商品流通的擴大，衡器的需求也日益增多，過去沿用的機械杠桿秤己不能適應生產自動化和管理現代化的要求。自20世紀60年代以來，由于傳感器技術和電子技術的迅速發展，電子稱重技術日趨成熟，并逐步取代傳統機械秤。尤其是70年代初期，微處理機的出現使得電子稱重技術得到了進一步的發展。快速、準確、操作方便、消除人為誤差、功能多樣化等已成為現代稱重技術的主要特點。稱重裝置的應用已遍及到國民經濟各領域，取得了顯著的經濟效益。與此同時，對稱重儀表的要求也越來越高，要求儀表具有更高抗干擾能力和更高的精度。

基于電子秤發展的現狀，本文研究了一種用單片機控制的高精度數字電子秤設計方案。這種高精度數字電子秤計量準確、攜帶方便，集質量稱量功能與價格計算功能于一體，能夠滿足商業貿易和居民家庭的使用需求。

二、數字電子秤的總體架構

該智能數字電子采用STC89C52微處理器為系統控制核心，通過壓力傳感器對被測物體進行數據采集，從而將物體重量這一非電學量轉化為容易采集、放大的電學量。利用惠斯登電橋將壓力傳感器微弱的電阻變化轉化為易放大的電壓信號，再進行AD數字轉換，將采集到的數據發送給單片機，單片機進行數據運算，并控制顯示模塊顯示信息。同時，單片機協調、指揮各模塊的工作。系統的總體框架如圖1。

圖1 系統結構

三、項目設計與實現

（一）硬件部分

硬件部分采用STC89C52微處理器為系統控制核心，協調、指揮各模塊的工作。其中包含測量模塊、AD轉換模塊、數據處理模塊以及顯示模塊。

1.測量模塊

稱重測量采用目前常用并且比較成熟的方法來實現，稱重傳感器選用雙孔梁式傳感器如圖2所示，4片電阻應變片（圖2中1、2、3、4）粘貼在雙孔梁的應變區，在稱重時雙孔梁在由被稱物體產生的壓力P和系統底盤對雙孔梁的支持力N的作用下，產生平行四邊形形變，由這4片應變片接成的惠斯登（Wheatstone）電橋在供橋電壓的激勵下隨重量不同而輸出不同的電壓信號。

圖2 電阻應變片

2.AD轉換模塊

5 kg壓力傳感器，滿量程輸出電壓=激勵電壓×靈敏度 1.0 mv/v。

HX711AD模塊對產生的5 mv電壓進行采樣。711模塊A通道帶有128倍信號增益，可以將5mv的電壓放大128倍，然后采樣輸出24bitAD轉換的值，單片機通過指定時序將24bit數據讀出（圖3）。

圖3 重量采集結構框圖

3.信號處理及顯示模塊

STC89C52微處理器作為數據運算、處理中心，指揮各個模塊協調工作。周期性掃描的矩陣鍵盤以及12864液晶顯示屏提供了良好的人機交互接口。單片機讀取AD轉換的值，通過一系列計算得到所稱物品的重量、總價等數據，通過液晶屏呈現給使用者。

（二）軟件部分

系統的軟件設計采用C語言編寫，系統首先對AD轉換模塊、矩陣鍵盤、液晶顯示模塊進行初始化，完成后實時的將壓力傳感器采集到的數據經運算后呈現在顯示屏上。同時，監測鍵盤，當用戶按下按鍵時，單片機判斷不同按鍵從而進行不同的操作，單價修改、去皮等等。

STC89C52作為整個系統的控制核心，承載著信息的獲取、解釋、發送以及向各個子功能模塊的控制等功能。其中液晶顯示、AD轉換均采用串行連接方式，鍵盤則采用8個通用的I/O口對16個按鍵的檢測。

程序流程如圖4所示。

四、計量性能分析

對于衡器準確度的劃分，按照國際法制計量組織的規定和國際慣例，是采用了更接近實際的分段誤差表示的方法。但是，這樣一來就無法用一個簡單的百分數來表示準確度了，而只能根據衡器所能達到的分度數（n）和分度值（d或e）來劃分準確度。

圖4 程序流程

按照國際法制計量組織（ORML）的規定，電子秤可分為4個等級，如表1所示。

表1 準確度等級和符號

1.量程

量程的定義:電子衡器的最大稱量Max，即電子秤在正常工作情況下，所能稱量的最大值。

本產品量程為0～5 kg。

2.分度值

分度值的定義:電子秤的測量范圍被分成若干等份，等份值即為分度值，用e或d表示。

本產品 d=0.1g，e=d。

3.分度數

分度數的定義:衡器的測量范圍被分成若干等份，總分數即為分度數用n表示，電子衡器的最大稱量Max可以用總分度數n與分度數d的乘積來表示，即Max=n×d。

與準確度等級有關的檢定分度值、檢定分度數和最小秤量見表2。

表2 檢定分度值、檢定分度數和最小秤量

經過實驗數據分析，得出本產品的準確度等級為中級Ⅲ。

五、結束語

該智能電子秤的設計與制作能夠高質量地完成，離不開各個成員的分工與合作，此次設計有著較完整的產品開發歷程，讓我們學到了很多在課堂學不到的知識，在以后的開發過程中也給我們提供寶貴的經驗。

此次設計還是有美中不足的地方。市場上已經存在很多具有相同功能的產品，本設計的優勢不是很明顯，該產品投放到市場中并不具有很強的競爭力。我們希望可以在后續的研發中給其加入核心創新功能，使其能夠在市場中占得一席之地。

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