基于單片機高精度電子天平設計

王仲夏，馬萬國，張濤

(河海大學文天學院,安徽馬鞍山,243000)

基于單片機高精度電子天平設計

王仲夏，馬萬國，張濤

(河海大學文天學院,安徽馬鞍山,243000)

本系統是以單片機為核心，設計帶有通訊和U盤存儲功能的高精度電子天平。數據采集部分采用高精度電阻式應變片壓力傳感器，數據處理部分采用了24位A/D轉換芯片HX711。該天平電路簡單，壽命長，應用范圍廣，可以應用于商場、家庭等場所，成為人們日常生活中不可少的必需品。并且此次電子天平的設計了帶有通訊和U盤存儲功能，更是向部分實驗人員提供了一個很好選擇。本次設計采用新型電阻式應變片壓力傳感器、高精度AD、STC12C5A60S2單片機設計實現，具有測量精度高、低成本，易攜帶等特點。

單片機；傳感器；A/D轉換芯片；高精度；U盤存儲

0 引言

電子天平是一種在實際工作和生活中經常用到的測量器具, 電子天平以其準確、方便、顯示直觀等優點受到人們的喜愛。本系統設計的電子天平帶有通訊和U盤存儲功能，對于數據采集和保存要求較高的場合也同樣適用。因此，對高精度電子天平的設計是具有實際意義的。

1 系統硬件電路設計

1.1 電子天平系統結構圖

根據系統功能要求，系統主要由最小系統、A/D轉換芯片、傳感器、超重報警電路、U盤存儲、按鍵電路、顯示模塊等七部分組成，如圖1所示。

1.2 電子天平工作原理

HX711芯片與單片機連接簡單。單片機把處理后的數據通過數碼管顯示出來。通過三個獨立按鍵可以對電子天平進行去皮和微調處理。三個按鍵分別是去皮、校準電子天平。當按下第一個按鍵時，電子天平就會清除傳感器獲得的數據，此時數碼管為“0”,由此達到去皮的功能。通過標準砝碼校準電子天平，砝碼放置到傳感器上，觀察數碼管的顯示，若小于砝碼的重量，可以長時間按下第二個按鍵校準電子天平；若顯示的值大于砝碼的重量，則長時間按下第三個按鍵校準電子天平。電子天平的量程是0-2kg，當稱的重物超過其量程時，蜂鳴器就會報警，提醒被稱物體超過最大量程。U盤存儲功能，通過存儲模塊，把采集的數據保存到U盤中新建的EXCLE表格中，表格由程序生成。原理圖如圖2所示。

2 硬件設計

2.1 測量器件

傳感器是測量機構最重要的部件。本次使用電阻應變片壓力傳感器采集數據，工作原理如下：電阻應變片壓力傳感器主要由彈性體、電阻應變片電纜線等組成，內部線路采用惠更斯電橋，當重物放置在梁上，壓力作用于梁上。電阻應變片R1、R2、R3、R4發生形變。R1和R2被拉伸，阻值增加；R3和R4被壓縮，阻值減小。此時，電橋不平衡，不平衡電壓與作用在傳感器上的載荷P成正比，從而將非電量轉化成電量輸出。如圖3所示。

圖1 電子天平系統結構圖

圖2 系統原理圖

圖3 電阻應變式傳感器測量原理

2.2 電子天平專用24位AD轉換芯片HX711

HX711是一款24 位A/D 轉換芯片，專為高精度電子天平而設計。與同類型其它芯片相比，HX711具有響應快、抗干擾能力強、集成度高等特點。

該芯片與單片機連接簡單，DT和SCK和單片機引腳連接即可，無需對芯片內部的寄存器編程。由于芯片內部自帶穩壓電源，所以系統無需另外的模擬電源。其內部A/D轉換器和稱重傳感器電源均由穩壓電源提供。由于芯片內有電源上電復位電路，故簡化了初始化過程。

2.3 主控芯片

STC12C5A60S2是宏晶科技推出的新一代高速1T單片機，指令代碼完全兼容傳統的8051,但速度快8-12倍。芯片提供有4K/8K/16k/32K/64K多種程序空間，用戶可根據程序大小選擇；每個I/O口驅動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不要超過55mA。

2.4 通訊功能

本系統設計的通訊部分是利用USB轉TTL模塊和串口助手之間進行通訊，單片機的P3.0和模塊的RX連接，P3.1和模塊TX連接。通過串口助手能夠實時的觀察數據的采集。單片機內有兩個“串行數據緩沖器”，一個是“發送寄存器”，另一個是“接受寄存器”。這兩個SBUF有相同的地址99H，但他們在單片機內部是兩個單獨模塊。

2.5 U盤存儲

本系統設計帶有U盤存儲功能，適用于對數據要求較高的場合，系統使用的存儲模塊CH376是U盤和SD卡文件管理控制芯片。CH376 有USB設備和USB主機兩種方式，支持8位并口、SPI接口和異步串口三種通訊接口。本系統采用8位并口的通訊接口方式。

3 軟件設計

軟件流程圖如圖4所示。

4 結語

本次系統設計實現了電子天平的通訊和存儲及測量功能，從前期設計的分析，資料的查找，到實物的焊接等整個系統的設計完成，讓我們感受到一個團隊合作的重要性。整個設計的完成離不開每個參與人員的努力。本次設計過程中也不斷出現各種問題，只有靜下心來，慢慢分析原因，才能解決遇到的問題。

圖4 軟件設計流程圖

[1] 李朝青.單片機原理及接口技術[M].北京航天航空大學出版社.

[2] 張毅剛.單片機原理及接口技術[M].人民郵電出版社.

[3] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程.

[4] 譚浩強. C語言程序設計[M].清華大學出版社.

[5] 顧理敏，宋瑋·電子稱[M]·北京：計量出版社，1982.

[6] 曲波，肖圣兵，呂建平·工業常用傳感器選型指南[M]·清華大學出版社.

[7] 何希才，薛永毅·傳感器及其應用實例[M]·機械工業出版社.

[8] 李軍，賀慶之·檢測技術及儀表[M]·中國輕工業出版社.

Design of high precision electronic balance based on MCU

Wang Zhongxia,Ma Wanguo,Zhang Tao
（Hohai university Wen Tian college,Maanshan Anhui,243000）

The system is based on single-chip microcomputer, designed with communication and U disk storage function of high-precision electronic balance. The data acquisition part uses the high precision resistance strain gauge pressure sensor, and the data processing part uses the 24 bit A/D conversion chip HX711. The utility model has the advantages of simple circuit, long service life and wide application range, and can be used in places such as shopping malls, families, etc.. And the design of the electronic balance with communication and U disk storage function, but also to some of the laboratory staff to provide a good choice. This design uses the new resistance strain gauge pressure sensor, the high precision AD, the STC12C5A60S2 monolithic integrated circuit design realization, has the measuring accuracy high, low cost, easy to carry and so on the characteristic.

MCU;sensors;A/D conversion chip; high-precision;U disk storage

王仲夏（1974-），男,講師，現任河海大學文天學院機械系教師，主要從事基于微處理器技術的智能設備研發的教學科研工作。

2016年河海大學文天學院大學生創新創業訓練項目；2017年度安徽高校自然科學研究項目,項目編號KJ2017A896。

馬萬國（1994-）,男，學生，河海大學文天學院13級自動化。

張 濤（1994-）, 男，學生，河海大學文天學院14級自動化。