基于單片機的多功能電子秤

陳嘉偉 郭路榮 中北大學（朔州校區）

1 前言

秤是一種在實際工作和生活中經常用到的測量器具。電子稱量裝置以其準確、快速、方便、顯示直觀等諸多優點而受到人們的青睞。本設計的電子秤具有基本稱重、鍵盤輸入、計算價格并實現金額累加、去皮、顯示、超重報警、語音播報等功能。該電子秤的稱重范圍可自行修改，稱重誤差小于1g。有高精度，低成本，易攜帶的特點。電子秤采用液晶顯，比傳統秤具有更高的準確性和直觀性。另外，該電子秤電路簡單，使用壽命長，應用范圍廣，可以應用于商場、超市、家庭等場所，成為人們日常生活中不可少的必需品。

2 方案描述

如上所示，系統由以下主要模塊構成：

形變量傳感模塊：負責將鐵質懸臂梁的形變信號轉化成電信號。

信號采集放大以及 A/D 轉換模塊：將微弱的電信號進行放大處理并將模擬量轉換成數字量。

主控模塊：主控采用 STC89C52，使用它實現輸入輸出控制，數據處理等功能。 顯示模塊：采用 LCD1602 來顯示重量，單價總價等關鍵信息。

按鍵模塊：通過按鍵來進行功能的選擇，以及輸入電子秤所需要的關鍵信息。

3 算法與分析

3.1 稱重傳感裝置理論分析

電阻應變式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，當彈性體承受載荷產生變形時，電阻應變片（轉換元件）受到拉伸或壓縮而變形后，它的阻值將發生變化（增大或減小），從而使電橋失去平衡，產生相應的差動信號，供后續電路測量和處理。

3.2 檢測算法及功能實現

4.電路設計

4.1 差動放大電路與模數轉換電路

本次設計采用了 HX711 作為模數轉換芯片，其內部集成了差動放大器與模數轉換器，內部集成 了包括穩壓電源、片內時鐘振蕩器等其他同類型芯片所需要的外圍電路。 該方案使用內部時鐘振蕩器(XI=0)，電源（2.7～5.5V）直接取用與MCU 芯片相同的供電電源。通道 A與傳感器相連，通道 B 通過片外分壓電阻與電池相連，用于檢測電池電壓。

4.2 LCD1602顯示電路

1602 液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，電子秤稱重示數、單價示數等得以顯示。

4.3 按鍵電路與聲光報警電路

鍵盤行掃描信號為ROW1—ROW4，列掃描信號為COL1—COL4。行信號為輸入信號，低電平有效；列信號為輸出信號。當沒有鍵按下時，即使行掃描輸入低電平信號，列信號仍為高電平；當行掃描為低電平并且有鍵按下時，相應的列輸出低電平。該低電平信號可以定位至按下鍵的位置。

聲光報警電路如圖所示：

聲光報警電路

當測量重量超過量程時，beep和alert給出低電平信號，驅動蜂鳴器鳴響，報警燈亮。

4.4 語音模塊電路

語音模塊控制原理說明：此控制方式是采用了模擬串行的控制方式。如需要播放第幾個地址的內容就發送幾 個脈沖（大于 50us即可，建議采用 100us 左右，下同）的原理，可以快速的控制多達128 段地址的任意 組合。

（16）喀麥隆、扎伊爾、盧旺達堅持開展“綠色革命”、“肚子獨立”和“烏姆岡達”（鄉鄰間的互助）運動。 （1985·《人民日報》）

模擬串行工作時各 IO 的作用：

BUSY：芯片工作時（播放聲音），輸出低電平，停止工作或者待機時，保持高電平；

DATA：接受控制脈沖的腳位。收到幾個脈沖，就播放第幾個地址的內容；

REST：任何時候，收到一個脈沖的時候，可以使芯片的播放指針歸零（就是是 DATA的腳位恢復到 初始狀態），同時即刻是芯片停止，進入待機狀態；

5 程序結構與設計

5.1 主程序流程圖

5.2 HX711 讀值與處理

HX711與單片機采用類似與IIC的方式通訊，所用到的數據線為 SCK 與 DO，需要讀值時發送 25-26 個時鐘脈沖啟動，之后就可進行讀值，時鐘信號默認為低電平。

5.3 定時器和鍵盤掃描流程圖

本設計主程序使用了定時器，用來實現每0.5秒稱重一次的功能。

6 測試方案與測試結果

6.1 測試方案及測試條件

6.1.1 測試儀器

使用標準砝碼進行標定，然后測量相應的砝碼值。

6.1.2 測試方案

1、確定分度值

由于懸臂梁的形變和重物的實際變化量并非對應嚴格的線性變化，即是同一個分度值在不同質量的重物值的擬合情況不同，所以要采用分段測試分度值來修正線性的變化誤差，讓懸臂梁的形變和重物的質量成一個嚴格的線性關系。

本系統測試是采用標準砝碼來測試 AD 值，砝碼從 0 克變化到 500 克，記錄對應的 AD 值，最后繪制坐標圖來分析擬合關系，確定分度區間，并設置相應分度值，將對應關系加到程序中修訂。

2、測量誤差范圍

當分度值確定后再重新對重量值進行測試，以確定誤差范圍。通過對指定范圍內測量三次從而求得誤差的平均值。

6.2 測試結果

AD分度值擬合結果。經過擬合，其擬合出來的函數關系為y=1.0042x-0.5595。

6.3 測試結果分析

本設計的精度完全能達到日常稱重的要求。但是每次測試的值會產生一個波動。波動的來源于有幾方面，首先是托盤的震動，托盤震動會使懸臂梁產生動態的形變從而使顯示值產生變化。其次鐵質懸臂梁不能嚴格恢復形變也會使值產生波動。這種誤差是不能避免的，只能通過函數進行補償，從而減小誤差。

7 總結

通過對電阻應變式稱重傳感器和模數轉換器的理論分析研究，根據電子天平的分辨率要求，確定了實際使用芯片的具體型號，再把轉換后的數字信號送入STC89C52單片機進行處理。最終實現了一款基于單片機的多功能電子秤。