基于单片机的数字电子秤的设计与实现

冯春宝，陈文鑫，董炎峰，何安东，李登峰

（重庆邮电大学理学院，重庆 400065）

一、引言

物料计量是工业生产和贸易流通中的重要环节。称重装置或衡器是不可缺少的计量工具。随着工农业生产的发展和商品流通的扩大，衡器的需求也日益增多，过去沿用的机械杠杆秤己不能适应生产自动化和管理现代化的要求。自20世纪60年代以来，由于传感器技术和电子技术的迅速发展，电子称重技术日趋成熟，并逐步取代传统机械秤。尤其是70年代初期，微处理机的出现使得电子称重技术得到了进一步的发展。快速、准确、操作方便、消除人为误差、功能多样化等已成为现代称重技术的主要特点。称重装置的应用已遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效益。与此同时，对称重仪表的要求也越来越高，要求仪表具有更高抗干扰能力和更高的精度。

基于电子秤发展的现状，本文研究了一种用单片机控制的高精度数字电子秤设计方案。这种高精度数字电子秤计量准确、携带方便，集质量称量功能与价格计算功能于一体，能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。

二、数字电子秤的总体架构

该智能数字电子采用STC89C52微处理器为系统控制核心，通过压力传感器对被测物体进行数据采集，从而将物体重量这一非电学量转化为容易采集、放大的电学量。利用惠斯登电桥将压力传感器微弱的电阻变化转化为易放大的电压信号，再进行AD数字转换，将采集到的数据发送给单片机，单片机进行数据运算，并控制显示模块显示信息。同时，单片机协调、指挥各模块的工作。系统的总体框架如图1。

图1 系统结构

三、项目设计与实现

（一）硬件部分

硬件部分采用STC89C52微处理器为系统控制核心，协调、指挥各模块的工作。其中包含测量模块、AD转换模块、数据处理模块以及显示模块。

1.测量模块

称重测量采用目前常用并且比较成熟的方法来实现，称重传感器选用双孔梁式传感器如图2所示，4片电阻应变片（图2中1、2、3、4）粘贴在双孔梁的应变区，在称重时双孔梁在由被称物体产生的压力P和系统底盘对双孔梁的支持力N的作用下，产生平行四边形形变，由这4片应变片接成的惠斯登（Wheatstone）电桥在供桥电压的激励下随重量不同而输出不同的电压信号。

图2 电阻应变片

2.AD转换模块

5 kg压力传感器，满量程输出电压=激励电压×灵敏度 1.0 mv/v。

HX711AD模块对产生的5 mv电压进行采样。711模块A通道带有128倍信号增益，可以将5mv的电压放大128倍，然后采样输出24bitAD转换的值，单片机通过指定时序将24bit数据读出（图3）。

图3 重量采集结构框图

3.信号处理及显示模块

STC89C52微处理器作为数据运算、处理中心，指挥各个模块协调工作。周期性扫描的矩阵键盘以及12864液晶显示屏提供了良好的人机交互接口。单片机读取AD转换的值，通过一系列计算得到所称物品的重量、总价等数据，通过液晶屏呈现给使用者。

（二）软件部分

系统的软件设计采用C语言编写，系统首先对AD转换模块、矩阵键盘、液晶显示模块进行初始化，完成后实时的将压力传感器采集到的数据经运算后呈现在显示屏上。同时，监测键盘，当用户按下按键时，单片机判断不同按键从而进行不同的操作，单价修改、去皮等等。

STC89C52作为整个系统的控制核心，承载着信息的获取、解释、发送以及向各个子功能模块的控制等功能。其中液晶显示、AD转换均采用串行连接方式，键盘则采用8个通用的I/O口对16个按键的检测。

程序流程如图4所示。

四、计量性能分析

对于衡器准确度的划分，按照国际法制计量组织的规定和国际惯例，是采用了更接近实际的分段误差表示的方法。但是，这样一来就无法用一个简单的百分数来表示准确度了，而只能根据衡器所能达到的分度数（n）和分度值（d或e）来划分准确度。

图4 程序流程

按照国际法制计量组织（ORML）的规定，电子秤可分为4个等级，如表1所示。

表1 准确度等级和符号

1.量程

量程的定义:电子衡器的最大称量Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大值。

本产品量程为0～5 kg。

2.分度值

分度值的定义:电子秤的测量范围被分成若干等份，等份值即为分度值，用e或d表示。

本产品 d=0.1g，e=d。

3.分度数

分度数的定义:衡器的测量范围被分成若干等份，总分数即为分度数用n表示，电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度数d的乘积来表示，即Max=n×d。

与准确度等级有关的检定分度值、检定分度数和最小秤量见表2。

表2 检定分度值、检定分度数和最小秤量

经过实验数据分析，得出本产品的准确度等级为中级Ⅲ。

五、结束语

该智能电子秤的设计与制作能够高质量地完成，离不开各个成员的分工与合作，此次设计有着较完整的产品开发历程，让我们学到了很多在课堂学不到的知识，在以后的开发过程中也给我们提供宝贵的经验。

此次设计还是有美中不足的地方。市场上已经存在很多具有相同功能的产品，本设计的优势不是很明显，该产品投放到市场中并不具有很强的竞争力。我们希望可以在后续的研发中给其加入核心创新功能，使其能够在市场中占得一席之地。

[1] 闫宝珠，王振文.JJG 539—1997数字指示秤检定规程[M].北京:中国质量出版社，1997.

[2] 于永.51单片机C语言常用模块于综合系统设计实例精讲[M].北京:电子工业出版社，2008.

[3] 李建忠.单片机原理及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社，2002.

[4] 张俊谟.单片机中级教程[M].北京:北京航空航天大学出版社，2000.