文/張景虎

1 前言

物體重量從古代開始就一直是非常重要的物理屬性，它與人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，早期人類發(fā)明了“稱”用于稱量物體的重量，使用的是杠桿原理。隨著現(xiàn)代電子通信技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可以將其它物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，在此基礎(chǔ)上發(fā)展成了電子秤，它綜合了傳感器技術(shù)、電子線路技術(shù)、數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。傳感器技術(shù)的發(fā)展使得電子秤的測量精度越來越高，能適應(yīng)比較惡劣的工作環(huán)境。現(xiàn)在的電子秤不僅可以稱量物體的重量，還可以進(jìn)行重量去皮、校準(zhǔn)、計(jì)算總價(jià)等功能。但現(xiàn)在市面上流行的電子秤存在體積較大、攜帶不方便、能耗較高、維修比較困難等問題，而且價(jià)格較高，鑒于以上問題，本文設(shè)計(jì)了一款精度較高、便于攜帶、超低功耗、維修方便、可以滿足家庭使用的小型電子秤。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

技術(shù)指標(biāo)要求：

1.稱量范圍：0-10kg；

2.誤差范圍：±0.001kg；

3.去皮功能：通過按鍵中斷實(shí)現(xiàn)；

4.超重報(bào)警：當(dāng)物體重量超過10kg時(shí)，蜂鳴器發(fā)報(bào)警聲音，防止損壞應(yīng)力傳感器；

5.校準(zhǔn)功能：當(dāng)電子秤經(jīng)過長時(shí)間使用或經(jīng)過劇烈搬動(dòng)后，通過按鍵重新進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.2 整體硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以MSP430F5529單片機(jī)為主控芯片，包括稱重傳感器模塊、HX711信號(hào)放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)數(shù)據(jù)分析與處理模塊、報(bào)警電路、鍵盤輸入及顯示電路等，如圖1所示。其基本工作原理為：稱重傳感器感受物體重力的變化后產(chǎn)生微小電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大電路放大后送給HX711進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送至單片機(jī)進(jìn)行分析及處理，將得到的重量數(shù)據(jù)、通過4*4矩陣鍵盤輸入商品的單價(jià)和計(jì)算出的總價(jià)一塊送LCD1602液晶顯示，通過鍵盤輸入添加校準(zhǔn)、去皮、報(bào)警等附加功能。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)測量精度高，對(duì)環(huán)境要求低，且結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用方便。

2.3 稱重傳感器

傳感器是一種能感受被測量的信息并將信息按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件或裝置，通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中敏感元件指傳感器中能直接感受被測量的部分，轉(zhuǎn)換部分指傳感器中能將敏感元件輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號(hào)部分。能采集物體重量的傳感器有電容式傳感器、壓阻傳感器和電阻應(yīng)變式傳感器等，其中電容式傳感器測量精度較低，壓阻傳感器對(duì)環(huán)境溫度較敏感，故本設(shè)計(jì)采用電阻應(yīng)變式傳感器。

電阻應(yīng)變式傳感器是電阻傳感器的一種，理論基礎(chǔ)是電阻片的金屬應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變式傳感器可以將被測量轉(zhuǎn)換成電阻值這種物理量的形式，被測量可以是質(zhì)量、力、位移、濕度等常用的物理量。電阻應(yīng)變式傳感器中的電阻值會(huì)隨著傳感器的形變而變化，當(dāng)給它加上電壓就可以使得非電被測量轉(zhuǎn)換成電阻的變化，進(jìn)而產(chǎn)生電信號(hào)，完成信息由非電量向電量的轉(zhuǎn)換。雖然電阻應(yīng)變式傳感器輸出信號(hào)較弱，但是可以經(jīng)過放大電路進(jìn)行放大補(bǔ)償，使產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(hào)便于采集與處理。

采用電阻應(yīng)變片作為傳感器來感受被測物體的重量，主要原因在于電阻應(yīng)變片成本很低，其次，以電阻應(yīng)變片片為基礎(chǔ)將四個(gè)應(yīng)變電阻組建成電橋，這種電路結(jié)構(gòu)可以檢測到應(yīng)變電阻非常微弱的變化，可以獲得較高的測量精度，滿足本設(shè)計(jì)的要求。其測量原理如下：

設(shè)輸出端為U1,當(dāng)U1開路時(shí)，此時(shí)電橋輸出的是電壓，理想狀態(tài)下不考慮電源的內(nèi)阻，根據(jù)電阻分壓原理可知：

當(dāng)R1R3=R2R4時(shí)，即時(shí)，電橋平衡。

應(yīng)變電橋的使用方法是在使用之前先把電橋調(diào)整好使它保持在平衡狀態(tài)，這樣就使得電壓和應(yīng)變電阻的變化建立了關(guān)聯(lián)。為進(jìn)一步提高分辨率，本設(shè)計(jì)采用差動(dòng)方式，如圖2所示，將四個(gè)應(yīng)變電阻的阻值設(shè)為相等，則原來的R1R2R3R4分別為R1=R-△R、R2=R+△R、R3=R-△R、R4=R+△R，結(jié)合式（1）可得：

通過此式可知，在輸入電壓保持不變的情況下，輸出電壓與應(yīng)變電阻的變化量呈線性關(guān)系，以差動(dòng)方式工作的電橋的靈敏性較高，但是受傳感器尺寸和規(guī)格的限制，一般輸出電流很小，需要后續(xù)電路進(jìn)行信號(hào)的放大。

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2：差動(dòng)應(yīng)變電橋電路

表1：鍵位對(duì)應(yīng)功能

圖3：HX711模塊

圖4：總體軟件流程圖

2.4 HX711放大及A/D電路

由于本設(shè)計(jì)采用的是電阻應(yīng)變式傳感器，初始輸出的模擬信號(hào)很小，為了便于后面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，需要將模擬信號(hào)進(jìn)行放大，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。HX711芯片是一款專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換芯片，如圖3所示，該芯片集成了低噪聲可編程放大器、時(shí)鐘振蕩器、可直接向外部傳感器輸出的穩(wěn)壓電源等，具有精度高、速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖5：中斷功能流程圖

2.5 MSP430控制系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)根據(jù)低功耗的要求采用MSP430F5529，MSP430系列單片機(jī)是TI公司生產(chǎn)的一種超低功耗的16位單片機(jī)，具有精簡指令集，是將多個(gè)模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一起的混合信號(hào)處理器，具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、超低功耗等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于需要電池供電的便攜式儀器儀表中，使用內(nèi)置的EEPROM來永久存儲(chǔ)校準(zhǔn)和商品單價(jià)等數(shù)據(jù)信息。

2.6 按鍵輸入

本設(shè)計(jì)使用4*4矩陣鍵盤中的四個(gè)按鍵用來實(shí)現(xiàn)復(fù)位、校準(zhǔn)和去皮功能，其它按鍵用來輸入商品單價(jià)信息，如表1所示，在程序設(shè)計(jì)中通過外部中斷的方式實(shí)現(xiàn)各自功能。校準(zhǔn)按鍵用于調(diào)節(jié)在使用和運(yùn)輸過程中造成的電子秤誤差。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)流程

本設(shè)計(jì)的基本功能是實(shí)現(xiàn)物體質(zhì)量的高精度顯示，在這個(gè)基本要求下增加復(fù)位、校準(zhǔn)、去皮、超重報(bào)警和總價(jià)顯示等功能。具體流程如圖4所示。

如流程圖所示，當(dāng)開關(guān)打開后，系統(tǒng)開始工作，單片機(jī)、HX711芯片開始初始化，數(shù)據(jù)和端口進(jìn)行初始化，接著是定時(shí)器和EEPROM的初始化。這一系列操作完成后，系統(tǒng)開始進(jìn)入While的循環(huán)檢測階段，檢測是否出現(xiàn)稱重信號(hào)，如果沒有，系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)檢測，如果有，則進(jìn)入物體是否超重的判斷，如果超重了，那么系統(tǒng)就會(huì)通過蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，如果沒有超重，則會(huì)顯示物體的質(zhì)量，最后判斷是否開啟校準(zhǔn)功能。

3.2 按鍵功能檢測

本設(shè)計(jì)中校準(zhǔn)、去皮功能是以按鍵中斷的方式存在的，校準(zhǔn)是在檢測到對(duì)應(yīng)按鍵按下后進(jìn)行的，而去皮操作是一直存在于整個(gè)稱量過程中，其流程圖如圖5所示。

4 總結(jié)與展望

便攜電子秤具有高可靠性、高精度、便捷性等特點(diǎn)得到了市場的認(rèn)可，給人們的生活帶來了很大便利。本文基于MSP430F5529單片機(jī)設(shè)計(jì)的電子秤，集傳感器技術(shù)、數(shù)字顯示技術(shù)于一體，精度高、性能穩(wěn)定、有校準(zhǔn)、去皮和報(bào)警功能，且價(jià)格低廉，便于使用，滿足了市場的需求，有較大的推廣價(jià)值。

隨著人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，電子秤也必將與之相結(jié)合，故今后的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）智能化：和計(jì)算機(jī)相連接，通過計(jì)算機(jī)使電子秤具有推理、判斷、自適應(yīng)、自組織等功能。

（2）綜合性：不斷加強(qiáng)擴(kuò)展，向相鄰行業(yè)滲透，綜合各種技術(shù)去解決稱重計(jì)量、自動(dòng)控制、信息處理，與計(jì)算機(jī)組合顯示更多信息，構(gòu)成一個(gè)完整的綜合控制系統(tǒng)。

（3）組合性：硬件可以根據(jù)不同要求進(jìn)行調(diào)整，軟件可以根據(jù)不同要求進(jìn)行修改和擴(kuò)展，并能與外部的控制和數(shù)據(jù)處理設(shè)備進(jìn)行通信。