基于MSP430單片機(jī)的電子秤設(shè)計

摘 要 質(zhì)量是測量領(lǐng)域中的一個重要參數(shù)，稱重技術(shù)自古以來就被人們所重視，隨著科技的發(fā)展，在現(xiàn)代生活及工業(yè)中，對質(zhì)量測量的精度要求越來越高。系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為核心，電阻應(yīng)變片作為稱重傳感器，物體重量引起應(yīng)變片發(fā)生形變產(chǎn)生阻值變化，進(jìn)而產(chǎn)生電壓變化，經(jīng)過處理放大，送至單片機(jī)進(jìn)行處理，紅外遙控輸入單價金額，最后通過128*64液晶顯示屏顯示出被測物體重量、單價、總價的信息息。該系統(tǒng)低功耗，經(jīng)測試，系統(tǒng)工作正常，達(dá)到設(shè)計要求。

【關(guān)鍵詞】MSP430單片機(jī) 電子秤 傳感器 電阻應(yīng)變片

1 引言

電子秤是日常生活中常用的電子衡器，廣泛應(yīng)用于市場、超市、物流配送中心。隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，出售商品種類的增加，稱量物品的設(shè)備也在更新還代。傳統(tǒng)的機(jī)械式稱重裝置也漸漸被精度更高、功能更多的電子稱重裝置所替代。電子秤的稱重功能是基于單片機(jī)這一微型計算機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。通過液晶顯示屏將稱重物體的質(zhì)量信息直觀的顯示給你，避免了機(jī)械式的稱重裝置帶來的人為讀數(shù)的麻煩。

2 設(shè)計思路

為了實(shí)現(xiàn)稱重功能，首先要將物體質(zhì)量這個非電量轉(zhuǎn)換成電量。通過稱重傳感器受到被測物體的重力從而產(chǎn)生一個與之對應(yīng)的電壓信號，輸出電壓信號通常很小，所以用儀表放大器進(jìn)行信號放大，這時得到了一個單片機(jī)所能適應(yīng)的電壓信號。然后通過AD芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量被送入到主控電路的單片機(jī)中處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、運(yùn)算、存儲，最后通過單片機(jī)端口并行輸出到液晶顯示屏，通過紅外遙控板給電子秤輸入單價，解決遠(yuǎn)處來回操作的不便，從而顯示出被測物體的重量、單價和經(jīng)過運(yùn)算產(chǎn)生總價，都在顯示屏上同時顯示出來。為了提高系統(tǒng)集成度、穩(wěn)定性及可靠性，利用了MSP430F149單片機(jī)系統(tǒng)的存儲器、A/D轉(zhuǎn)換器、比較器等資源。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 硬件設(shè)計

3.1 單片機(jī)

MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（Mixed Signal Processor）。MSP430單片機(jī)稱之為混合信號處理器，是由于其針對實(shí)際應(yīng)用需求，將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片機(jī)”解決方案。該系列單片機(jī)多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。MSP430F149單片機(jī)是TI第一代產(chǎn)品，具有普遍性、操作性、成熟性等優(yōu)點(diǎn)，是16位超低功耗微控制器，擁有60kB閃存、2KB RAM、12位ADC、2 USART、硬件乘法器，提供 8MIPS，工作電壓為1.8V-3.6V，其超低功耗表現(xiàn)0.1μA RAM（保持模式）0.7μA（實(shí)時時鐘模式）200μA/MIPS（工作模式）在 6μs 之內(nèi)快速從待機(jī)模式喚醒。MSP430F149單片機(jī)超低功耗、強(qiáng)大的處理能力并且自帶12位A＼D轉(zhuǎn)換器，所以本設(shè)計采用MSP430F149單片機(jī)。

3.2 電子秤基本結(jié)構(gòu)

該設(shè)計是一個以電阻應(yīng)變片為稱重傳感器的簡易電子秤，該設(shè)計主體有五個部分，支架、懸臂梁、秤盤、單片機(jī)最小系統(tǒng)及轉(zhuǎn)換電路。鐵質(zhì)懸臂梁一端水平固定在支架上，懸臂梁上粘貼電阻應(yīng)變片作為稱重傳感器，鐵質(zhì)懸臂梁另一端通過線連接秤盤，秤盤上放置 被測物體。電子秤基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.3 傳感器電路

本次設(shè)計采用電阻應(yīng)變片作為稱重傳感器，在電阻應(yīng)變片的選型上采用金屬箔式全橋4臂應(yīng)變片。該型應(yīng)變片電橋相鄰兩臂受溫度影響，同時產(chǎn)生大小相等、符號相同的電阻增量而互相抵消，達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?，特性曲線的線性特點(diǎn)好，輸出靈敏度很高。良好的絕緣性能、抗潮性能和耐熱性能，易于粘貼、應(yīng)變極限大和價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，且時間穩(wěn)定性好，也是本次設(shè)計選用它的原因。稱盤上物體質(zhì)量的變化導(dǎo)致懸臂梁發(fā)生彎曲形變，從而電阻應(yīng)變片發(fā)生阻值變化，在全橋4臂相對稱的兩端分別為直流電壓輸入端和輸出端，電流通過阻值變化發(fā)生輸出端微弱電壓變化。

3.4 放大電路

由于其前端傳感器電路傳來的電壓微弱，只有幾個mv，對于單片機(jī)的內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器來說其轉(zhuǎn)換后的精度是非常差的。所以我們需要用到放大電路，將微弱的電壓放大到能使單片機(jī)準(zhǔn)確識別且使整個系統(tǒng)的精度達(dá)到其設(shè)計要求。這里我們采用AD620作為放大電路的核心，AD620具有高精度（最大非線性度40ppm）、低失調(diào)電壓（最大50?V）和低失調(diào)漂移（最大0.6?V/℃）特性，是電子秤和傳感器接口等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想之選。AD620采用8引腳SOIC和DIP封裝，尺寸小于分立電路設(shè)計，并且功耗更低，因而非常適合電池供電及便攜式應(yīng)用。此外，僅需要一個外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為1至10，000。其高增益、低功耗、尺寸小是這次設(shè)計選擇它的原因。參考Datasheet其增益（放大倍數(shù)）公式為

G=（49.4K/Rg） +1，Rg為Pin1和Pin8之間的電阻。其3腳與2腳分別接傳感器電路輸出端的正負(fù)，1腳和8腳中間接一滑動變阻器作為增益調(diào)節(jié)，方便之后總裝調(diào)試，6、5腳為放大電路輸出端的正負(fù)。由于微小的抖動可能引起應(yīng)變片阻值變化從而導(dǎo)致輸出電壓的抖動變化，我們就要采用濾波來解決。采用硬件的電容濾波和程序消抖結(jié)合的方式使最終顯示在顯示屏上的是一個比較穩(wěn)定的值。

3.5 顯示設(shè)計方案

本次設(shè)計采用的是MSP430F149單片機(jī)開發(fā)板，其硬件上有很多的擴(kuò)展功能，包括LCD12864、LCD1602的擴(kuò)展接口。帶中文字庫的128X64 是一種具有4 位/8 位并行、2 線或3 線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體 中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64， 內(nèi)置8192 個16*16 點(diǎn)漢字，和128 個16*8 點(diǎn)ASCII 字符 集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。LCD1602是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。綜合考慮選擇顯示界面更大且能顯示漢字的LCD12864。

3.6 遙控按鍵輸入

在日常生活中電子秤都少不了數(shù)字按鍵輸入面板，輸入單價、去皮、總計、數(shù)字0～9、符號等會占用不少的面積。為了減少它的占用面積，決定采用紅外遙控輸入，優(yōu)點(diǎn)是可使它小型化，也可在遠(yuǎn)處控制輸入。單片機(jī)最小系統(tǒng)板上集成了紅外接收模塊，系統(tǒng)工作時通過紅外遙控板發(fā)出脈沖信號，紅外接收頭收到肉眼不可見的紅外光，將信息傳給單片機(jī)從而對其輸入進(jìn)行控制。

4 軟件設(shè)計（如圖3所示）

系統(tǒng)工作有三個階段。第一階段，系統(tǒng)初始階段。按下電源鍵系統(tǒng)開始工作，通過傳感器采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理，在液晶顯示屏顯示重量等信息。在此之前的數(shù)據(jù)處理時間段，通過開機(jī)動畫給采集數(shù)據(jù)爭取一點(diǎn)時間，使結(jié)果更精準(zhǔn)。第二階段，系統(tǒng)調(diào)試階段，單片機(jī)通過程序的控制將空載、100克、200克……1000克等具有梯度性重量的非電量通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成單片機(jī)識別的信號記錄在內(nèi)部的60KB FLASH里面，然后單片機(jī)將其處理形成多段函數(shù)式。第三階段，持續(xù)工作階段，系統(tǒng)將之前的測試信息繪制成多段線記錄，不同的重量對應(yīng)單片機(jī)里不同的編碼信息。

在軟件設(shè)計之初，進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，采集放大電路輸出端電壓值與被測物體重量并將其繪制成V-W曲線圖。通常我們希望圖中是一條直線即y=kx+b的一次函數(shù)，但是在大量的數(shù)據(jù)的積累下，繪制出來的并不是一條直線，當(dāng)物體越來越重時，其線形會慢慢彎曲，產(chǎn)生偏移，如果以線性的公式計算，會產(chǎn)生不必要的誤差。這時，可以將整個曲線看成很多個一次函數(shù)線繪制而成，通過分段截取的方式，將整個曲線分成若干段，每一段有不同的k值即一次項(xiàng)系數(shù)。在系統(tǒng)工作信息采集時，放置具有梯度性重量的砝碼，依次記錄，減少系統(tǒng)誤差，提高系統(tǒng)精確度。在系統(tǒng)接收到紅外遙控發(fā)出的脈沖信號后，通過單片機(jī)解碼，作出相應(yīng)操作。

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作者簡介

劉恒瑞（1995-），男，四川省南充市人。四川郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)。

作者單位

四川郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川省成都市 610067