張波 王晨陽 徐傳旭 張晉銘 李可

摘? 要：電子秤是在人們?nèi)粘Ｉ钪袘脧V泛的一種稱重儀器。本文所設(shè)計的電子秤由應變式電阻壓力傳感器構(gòu)成電橋來完成稱量物體的重力到電壓信號的轉(zhuǎn)換，電壓信號放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換部分由集成芯片HX711完成，由STC89C52單片機完成相應的計算，把得到的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為相應的質(zhì)量數(shù)值，并實現(xiàn)相應的計價、去皮等功能。稱重信息由單片機控制LCD1602來顯示。

關(guān)鍵詞：壓力傳感器;信號放大;A/D轉(zhuǎn)換;STC89C52單片機

中圖分類號：TN701? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）08-0042-03

Abstract：Electronic scale is a weighing instrument and widely used in people’s daily life. The designed electronic scale consists of a bridge composed of strain resistance pressure sensor to complete the conversion of weighing object’s gravity to voltage signal. Voltage signal amplification and A/D conversion are completed by integrated chip HX711. The SCM STC89C52 completes the corresponding calculation，converts the obtained digital signal into the corresponding quality value，and realizes the corresponding valuation，peeling and other functions. The weighing information is displayed by LCD1602 controlled by single chip computer.

Keywords：pressure sensor;signal amplification;A/D conversion;STC89C52 SCM

0? 引? 言

電子秤是一種常用的稱重儀器，相比較于機械秤，電子秤更加輕小直觀。電子秤是電子衡器中的一種，而電子衡器的測量水平，將影響到社會經(jīng)濟效益和現(xiàn)代化水平[1]，影響人們的生產(chǎn)生活。單片機目前來說功能較強大、體積小、性價比高，在家用電器、消費電子、工業(yè)自動化、儀器儀表等很多方面應用越來越廣。因此本文基于單片機設(shè)計了一款高精度的電子秤。

1? 總體設(shè)計方案

電子秤是通過傳感器技術(shù)把物品的重力轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出，電壓信號經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后再利用微處理器技術(shù)進行相應的計算處理，最后通過一定的方式顯示出來，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器選用電阻應變片壓力傳感器構(gòu)成電橋，將物體的重力轉(zhuǎn)化為電壓信號。壓力傳感器輸出的電壓信號是模擬信號且幅值比較小，必須經(jīng)過放大后才能進行后續(xù)處理。單片機只能接收數(shù)字信號，故模擬的電壓信號要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換才能送至單片機。集成芯片HX711可完成信號放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，故選用此芯片。數(shù)據(jù)處理計算由STC89C52單片機完成，其能夠把表示壓力的電壓信號換算成物品質(zhì)量，處理鍵盤輸入的去皮、單價等信息，計算總價，控制液晶屏LCD1602的輸出，并在超重（超出測量范圍）時控制蜂鳴和LED報警。

2? 壓力傳感器和HX711芯片

2.1? 壓力傳感器

導體或半導體由于受到外力而產(chǎn)生形變時其電阻值也將隨之變化，這一現(xiàn)象稱為應變效應[2]，是電阻壓力傳感器的理論基礎(chǔ)。電阻應變片具有精度高、簡便、體積小、動態(tài)響應好等優(yōu)點，應用較為廣泛。初始阻值為R的電阻壓力傳感器在應變?yōu)棣抛柚底兓拇笮棣，則電阻壓力傳感器靈敏度系數(shù)K為：

應變電阻器在使用中通常構(gòu)成直流橋式電路。為了減少誤差，增加電橋輸出靈敏度，電橋的四個橋臂通常都選用應變電阻，且選用的四個應變電阻（如圖2中Ra、Rb、Rc、Rd）參數(shù)都相同，設(shè)四個應變電阻初始阻值相等，且均為R，受到相同的應變時產(chǎn)生的阻值變化ΔR也相等。構(gòu)成電橋后，同一橋臂上兩個電阻應變方向相反，即受到壓力時引起的電壓變化方向相反。設(shè)電橋輸入電壓為Ui，則電橋輸出電壓大小為：

2.2? HX711芯片的應用

HX711是專為電精度電子秤而設(shè)計的芯片，內(nèi)部集成有放大部分和24位A/D轉(zhuǎn)換部分。信號放大部分是電阻應變壓力傳感器必不可少的部分，而模數(shù)轉(zhuǎn)換是模擬信號輸入普通單片機必不可少的部分。芯片共有16個引腳，工作電壓范圍為2.6V-5.5V，工作時電流小于1.6mA，功耗很低。芯片內(nèi)有兩路可選差分輸入：A路、B路，輸入選擇開關(guān)可很便捷選擇A路或B路。A路對應的放大器增益編程可選為64或128，對應的滿度差分輸入電壓信號幅值絕對值分別為20mV和40mV。B路對應的放大器增益為固定的32。芯片內(nèi)部集成的穩(wěn)壓電源可直接向外部傳感器電路供電。芯片內(nèi)集成振蕩電路無須外圍器件。芯片所有控制由管腳輸入，芯片內(nèi)寄存器無須編程。芯片上電自動復位簡化了初始化過程。芯片串行通訊接口非常簡便，可很方便地與后面的微處理器進行通訊。該芯片的集成度很高，使用該芯片可在很大程度上簡化電子秤電路設(shè)計，增強電路可靠性，提高電路輸出精度。

電阻Ra、Rb、Rc、Rd構(gòu)成的壓力傳感器電橋和HX711部分的電路如圖2所示。16腳電源引腳DVDD和1腳穩(wěn)壓電路部分供電電源都連至輸入電源VCC。圖2中穩(wěn)壓電路部分包括穩(wěn)壓電路部分供電電源1腳VSUP、穩(wěn)壓電路輸出控制腳2腳BASE、穩(wěn)壓電路輸入控制腳4腳VFB、PNP型三極管Q1，電阻R1和R2。輸出電壓也即3腳上電壓VAVDD大小為VFB（R1+R2）/R2。電橋的輸出通過R3、R4和電容C4接A路輸入，芯片的7引腳INNA和8引腳INPA。輸出速率控制15引腳接地，數(shù)據(jù)輸出速率為10Hz。14管腳XI接地選擇使用內(nèi)部振蕩時鐘。B路輸入未采用，都接地。串行通訊口和單片機相連接，用來輸出轉(zhuǎn)換的數(shù)具，選擇輸入通路和相應通路的增益。12腳DOUT是數(shù)據(jù)傳送引腳，11腳PD_SCK是時鐘引腳，圖2設(shè)計的電路分別和STC89C52單片機的P3口的P34和P35相連接。壓力傳感器電橋物品重力按一固定關(guān)系轉(zhuǎn)換為電壓Uo輸出，該電壓信號Uo經(jīng)HX711完成信號放大和A/D轉(zhuǎn)換，之后再送至STC89C52單片機處理。

3? STC89C52單片機部分

3.1? STC89C52單片機

整個系統(tǒng)以STC89C52單片機為計算處理和控制的核心。STC89C52單片機是宏晶科技推出的國產(chǎn)低功耗使用MCS-51內(nèi)核的8位單片機，價格便宜[3]。該單片機具有8K可編程FLASH存儲器，4K的EEPROM，用戶燒錄程序比較方便。該單片機和傳統(tǒng)的8051單片機一樣共40引腳，引腳分布功能也和傳統(tǒng)的8051單片機一致，指令代碼兼容8051單片機;該單片機具最高工作頻率達35MHz，有4個外部中斷，3個16位的定時/計數(shù)器，功能上比基礎(chǔ)型的51單片強出很多。STC89C52單片機接受來自HX711的數(shù)字信號，根據(jù)這一數(shù)字信號計算得到相應的物品質(zhì)量，并通過LCD1602顯示。單片機接受鍵盤信息，根據(jù)需要可完成去皮和計價功能。

3.2? LCD1602液晶

LCD1602液晶顯示器件工作電壓為4.5V-5.5V，可以和STC89C52單片機用同一電源供電。常用的LCD1602是點陣型、字符型液晶，共有2行，每行有16個字符位，每個字符位可顯示一個字符，顯示內(nèi)容比數(shù)碼管豐富很多，且功耗低很多。1602內(nèi)部字符發(fā)生存儲器已存入了包括英文26個大小寫字母、阿拉伯數(shù)字和常用符號等160個點陣字符圖形[4]，因此可很方便地顯示這些符號。常規(guī)應用，1602不能顯示漢字和其他圖形，要讓其顯示漢字和其他圖形需自定義字符圖形庫。要使顯示內(nèi)容更為豐富，可選用12864液晶顯示器件。1602除電源引腳、背光電源引腳和對比度調(diào)節(jié)引腳外，其余引腳使用時直接和STC89C52單片I/O引腳相連，使用較為方便。亮度調(diào)節(jié)引腳通常由電位器可調(diào)端子上分壓獲得電壓信號，背光電源引腳有時也通過三極管由單片機引腳控制。

3.3? 矩陣鍵盤

按鍵輸入是單片機常用的輸入方式之一。但是單片機I/O口資源非常用限，按鍵較多時若一個按鍵對應一個I/O引腳，勢必會占用過多的單片機I/O資源，限制了單片機的其他擴展應用。因此通常使用矩陣式鍵盤，行列式分布的鍵盤通過程序掃描判斷應選擇哪個按鍵按下。不同的按鍵程序內(nèi)對應不同的數(shù)值或字符，按鍵在程序內(nèi)對應的數(shù)值或字符和人眼看到的鍵盤標示一致。

3.4? 聲光報警

單片機電子秤傳感器部分有對應的測量范圍，超出測范圍電子秤則無法準確顯示其重量。因此稱重時要有相應的報警提示功能。超重時單片機一I/O引腳控制相應的LED報警燈亮起，程序控制另一I/O引腳輸出一定頻率的和規(guī)律的脈沖信號，該I/O引腳加在PNP型三極管的基極，信號經(jīng)三極管放大后驅(qū)動小喇叭報警響起。單片機I/O引腳允許輸入的電流比其輸出電流大，所以通常配PNP三極管。

4? 結(jié)? 論

本文設(shè)計的基于單片機的電子稱重范圍達40Kg，精度為1g。電子秤體積小，使用方便直觀，性價比較高，配置好相應的結(jié)構(gòu)外殼后很適合應用于人們的日常生活。

參考文獻：

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[2] 張洗玉，陳鄆城，王晗亞，等.基于嵌入式的高精度簡易電子秤的研制 [J].中國儀器儀表，2019（1）：56-61.

[3] 梁小潔，張薇，羅重陽，等.基于單片機的電子秤設(shè)計 [J].電子設(shè)計工程，2018，26（4）：154-157.

[4] 馬雅盼，劉忠富，李美儀，等.多功能電子秤系統(tǒng)設(shè)計 [J].智能計算機與應用，2018，8（1）：177-180.

作者簡介：張波（1979-），男，漢族，湖北棗陽人，副教授，碩士，研究方向：電力電子技術(shù)。