基于单片机的多功能电子秤

陈嘉伟 郭路荣 中北大学（朔州校区）

1 前言

秤是一种在实际工作和生活中经常用到的测量器具。电子称量装置以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。本设计的电子秤具有基本称重、键盘输入、计算价格并实现金额累加、去皮、显示、超重报警、语音播报等功能。该电子秤的称重范围可自行修改，称重误差小于1g。有高精度，低成本，易携带的特点。电子秤采用液晶显，比传统秤具有更高的准确性和直观性。另外，该电子秤电路简单，使用寿命长，应用范围广，可以应用于商场、超市、家庭等场所，成为人们日常生活中不可少的必需品。

2 方案描述

如上所示，系统由以下主要模块构成：

形变量传感模块：负责将铁质悬臂梁的形变信号转化成电信号。

信号采集放大以及 A/D 转换模块：将微弱的电信号进行放大处理并将模拟量转换成数字量。

主控模块：主控采用 STC89C52，使用它实现输入输出控制，数据处理等功能。 显示模块：采用 LCD1602 来显示重量，单价总价等关键信息。

按键模块：通过按键来进行功能的选择，以及输入电子秤所需要的关键信息。

3 算法与分析

3.1 称重传感装置理论分析

电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片、电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片（转换元件）受到拉伸或压缩而变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，供后续电路测量和处理。

3.2 检测算法及功能实现

4.电路设计

4.1 差动放大电路与模数转换电路

本次设计采用了 HX711 作为模数转换芯片，其内部集成了差动放大器与模数转换器，内部集成 了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其他同类型芯片所需要的外围电路。 该方案使用内部时钟振荡器(XI=0)，电源（2.7～5.5V）直接取用与MCU 芯片相同的供电电源。通道 A与传感器相连，通道 B 通过片外分压电阻与电池相连，用于检测电池电压。

4.2 LCD1602显示电路

1602 液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，电子秤称重示数、单价示数等得以显示。

4.3 按键电路与声光报警电路

键盘行扫描信号为ROW1—ROW4，列扫描信号为COL1—COL4。行信号为输入信号，低电平有效；列信号为输出信号。当没有键按下时，即使行扫描输入低电平信号，列信号仍为高电平；当行扫描为低电平并且有键按下时，相应的列输出低电平。该低电平信号可以定位至按下键的位置。

声光报警电路如图所示：

声光报警电路

当测量重量超过量程时，beep和alert给出低电平信号，驱动蜂鸣器鸣响，报警灯亮。

4.4 语音模块电路

语音模块控制原理说明：此控制方式是采用了模拟串行的控制方式。如需要播放第几个地址的内容就发送几 个脉冲（大于 50us即可，建议采用 100us 左右，下同）的原理，可以快速的控制多达128 段地址的任意 组合。

（16）喀麦隆、扎伊尔、卢旺达坚持开展“绿色革命”、“肚子独立”和“乌姆冈达”（乡邻间的互助）运动。 （1985·《人民日报》）

模拟串行工作时各 IO 的作用：

BUSY：芯片工作时（播放声音），输出低电平，停止工作或者待机时，保持高电平；

DATA：接受控制脉冲的脚位。收到几个脉冲，就播放第几个地址的内容；

REST：任何时候，收到一个脉冲的时候，可以使芯片的播放指针归零（就是是 DATA的脚位恢复到 初始状态），同时即刻是芯片停止，进入待机状态；

5 程序结构与设计

5.1 主程序流程图

5.2 HX711 读值与处理

HX711与单片机采用类似与IIC的方式通讯，所用到的数据线为 SCK 与 DO，需要读值时发送 25-26 个时钟脉冲启动，之后就可进行读值，时钟信号默认为低电平。

5.3 定时器和键盘扫描流程图

本设计主程序使用了定时器，用来实现每0.5秒称重一次的功能。

6 测试方案与测试结果

6.1 测试方案及测试条件

6.1.1 测试仪器

使用标准砝码进行标定，然后测量相应的砝码值。

6.1.2 测试方案

1、确定分度值

由于悬臂梁的形变和重物的实际变化量并非对应严格的线性变化，即是同一个分度值在不同质量的重物值的拟合情况不同，所以要采用分段测试分度值来修正线性的变化误差，让悬臂梁的形变和重物的质量成一个严格的线性关系。

本系统测试是采用标准砝码来测试 AD 值，砝码从 0 克变化到 500 克，记录对应的 AD 值，最后绘制坐标图来分析拟合关系，确定分度区间，并设置相应分度值，将对应关系加到程序中修订。

2、测量误差范围

当分度值确定后再重新对重量值进行测试，以确定误差范围。通过对指定范围内测量三次从而求得误差的平均值。

6.2 测试结果

AD分度值拟合结果。经过拟合，其拟合出来的函数关系为y=1.0042x-0.5595。

6.3 测试结果分析

本设计的精度完全能达到日常称重的要求。但是每次测试的值会产生一个波动。波动的来源于有几方面，首先是托盘的震动，托盘震动会使悬臂梁产生动态的形变从而使显示值产生变化。其次铁质悬臂梁不能严格恢复形变也会使值产生波动。这种误差是不能避免的，只能通过函数进行补偿，从而减小误差。

7 总结

通过对电阻应变式称重传感器和模数转换器的理论分析研究，根据电子天平的分辨率要求，确定了实际使用芯片的具体型号，再把转换后的数字信号送入STC89C52单片机进行处理。最终实现了一款基于单片机的多功能电子秤。