基于单片机的简易电子秤

张桂红

摘要：系统主要由单片机、应变片传感器模块、差动放大模块（由IN333构成的）、A/D转换模块（HX711AD采集芯片）、显示模块、电源模块组成。通过系统软硬件调试，可以测量从1g～500g的重量，且误差较小，可满足设计要求。

关键词：单片机；应变片；差动放大；AD采集

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）24-0244-02

1 方案论证

处理器模块：采用STC公司的STC12C5A60S2，此单片机超强加密、高速，高可靠、低功耗，超低价、强抗静电，强抗干扰，且具有内部A/D转换接口不需要外接A/D转换芯片，具有内部D/A转换PWM，操作也较为简单，性价比较高。

传感器模块：采用臂全桥传感器电路，该电路具有零点补偿，消除了温度带来的误差，测试结果误差大大减小，灵敏度很高，可以用于微小物体的测量。

差动放大模块：采用TI公司的IN333芯片构成差动放大器模块电路。IN333为集成运放芯片，只需要给其供电，并接入一个相应大小的电阻就可以很好的控制器放大倍数。优点：电路简单，引入干扰较小且更为精确。

本系统先通过四臂全桥电路将应变片的电阻变化量转化为电压信号输出，但输出的电压信号过小单片机无法检测，因此该信号需经IN333放大电路放大后再接入A/D采集模块，最后送单片机进行计算，并显示当前的重量。

2 理论分析与计算

2.1 应变片的贴法和粘贴位置

应变片的粘贴：应变片只有与试件一同伸缩，才能较好的反映试件的应变，所以应变片必须粘贴在试件上粘贴要牢固。粘贴的位置对最终的测量起到至关重要的作用，位置不对测试的结果也很难准确。

2.1.1 应变片的粘贴

1）粘合剂的选用：选用粘合剂时，要根据应变片的基片材料、工作温度、潮湿程度、稳定性要求、有无化学腐蚀、粘贴时间等多个因素合力选择粘合剂。常用有502、环氧树脂，703硅胶等。

2）试件处理：为了保证一定的粘合强度，必须将试件表面处理干净，清除杂质、油污及表面氧化层等。粘贴表面保持平整，表面光滑。

2.1.2应变片的位置

粘贴应变片的位置很重要，对试件进行分析计算找出试件的应变区将应变片良好的粘贴在应变区才会得到较准确的测量数值。

轴向拉伸试验，粘贴在应变区后粘贴角度也会影响最终的测量。假设轴向应变为A，横向变形系数为U，横向应变为-UA，粘贴角度偏差为X。则实际应变为。

2.2 四臂全桥

四臂全桥在实验过程中四个桥臂的电阻阻值都会发生变化，且四臂电桥相比于单臂和双臂电桥测量准确性大大提高，也更加灵敏，具有零点补偿，和温度补偿在恶劣环境中也可以较好工作。并且在桥式电路中相邻应变片应该接相反电阻变化的（即拉伸的应变片与压缩的应变片必须都相邻）。电桥电路如图1所示：

2.3 输入输出数据拟合方程

通过A/D采集模块后，单片机会接收到电压值所对应的数字量，必须找到该数字量与砝码重量的对应关系。因此将1g～500g砝码依次放入托盘，测量10次加砝码和减砝码的数据，通过excel表格，找出多次测试数据之间的拟合方程，依据该拟合进行程序设计。

2.4 悬臂梁选择

悬臂梁在试验中起着至关重要的作用，应变片粘贴在上面，主要的受力体与形变体。悬臂梁的形状是实验结果的准确性决定性因素，悬臂梁材料最好选用铝合金或其他合金其形变性更好，对应变力的测量更为准确，其他材料也可以作为悬臂梁的材料但测量结果与合金相比还是有一定差距。市面上的悬臂梁都是合金材料，不含铁，无法满足设计要求。经过多次实验，本设计最终确定用两片钢条（含铁，可被磁铁吸附）来作为悬臂梁。

3 电路与程序设计

3.1系统组成

系统主要由应变片传感器模块、差动放大模块，A/D转换模块、显示模块、电源模块组成。应变片传感器模块主要由传感器桥式电路构成；差动放大模块主要由IN333构成差动放大电路；A/D采集模块主要由HX711AD采集芯片来实现；显示模块采用显示较为全面直观的12864作为显示器件；电源模块用的是整流桥加三端稳压管构成直流稳压电源。

3.2硬件电路设计

硬件电路设计部分主要是差动放大电路，差动放大电路是由TI公司的芯片IN333、基准源构成。IN333是TI公司生产的一款自归零的仪表放大器，具有轨到轨输入输出特性，同时其内建的射频干扰滤波器可以有效减少空中电磁波对仪表放大器输入级的影响，并且芯片的REF引脚可以使输出含有一个固定的直流偏置，方便后端运放或ADC电路的设计，同样的需要一个低阻抗的电压进行驱动。