基于单片机的不规则物体比重测试仪的设计

郭红霞，张 菁，张俊霞

（榆林学院 能源工程学院，陕西 榆林719000）

基于单片机的不规则物体比重测试仪的设计

郭红霞，张 菁，张俊霞

（榆林学院 能源工程学院，陕西 榆林719000）

由于传统的比重测试仪大多是通过电子称来进行测量的，其测量次数多，步骤繁琐而且不准确。文中采用了一种基于单片机的比重测试仪的设计方法，其硬件电路由单片机作为核心控制部件，外围电路是由压力传感器HX711，显示电路，键盘电路和报警电路等组成，利用软件算法实现了不规则物体双通道同时称重。通过记录实验数据并对其进行分析，得出称重误差最大不会超过1%的结论，其结果表明该物体比重测试仪可以实现测量数据精确且一步即可完成测量，大大减少操作次数，可以推广使用。

电子秤；比重测量仪；单片机；HX711

称重技术自从古代就被人们所看重，作为一种计量技术，普遍被用于工农业、科研教学、交通等多个领域，与百姓的生活息息相关。不规则物体比重测试仪是衡器仪器中的一种，是称重技术中的一种新型仪表，广泛应用于各种场合。传统的比重测试仪大多是基于电子称来进行测量的，测量次数多，步骤繁琐而且不准确，文中设计了一款基于单片机的不规则物体比重测试仪，该比重测试仪用单片机控制，可以有效实现快速精准的测量且一步即可完成测量，大大减少操作次数，并且成本低廉，可实用性较好。

1　设计方案

系统总体方案以模块化进行设计，选用HTC89C52单片机作为整个测量仪装置的主控芯片。对被测物进行信号采集时应用测量精度较高的电阻应变式称重传感器，使得测量精度得到了有效保障；在数模转换模块选取了HX711芯片作为称重装置的A/D转换器件，该芯片内置稳压电源可以为传感器提供电源并且有高增益、高精度的优点；在显示单元中使用了带有12引脚的LCD12864显示器，实现了用中文显示的功能，并且能够同时显示被测物双通道物体的重量、比重等内容。该测量仪可以实现称重范围分别为0～5 kg和0～10 kg，测量精度为5 g的称重功能。系统总体方案框图如图1所示。

图1　系统总体方案框图

2　硬件电路

2.1数据输入通道设计

信息的采集与转换，是本设计中的重要组成部分，系统将压力传感器采集到的信息经过放大、滤波和稳压等操作后，通过HX711A/D转换芯片将采集到的有效数值转变为电压信号，最后通过DOUT与PD-SCK两个引脚和单片机连接，硬件连接简单，大大减少程序的编写。具体电路如图2所示。

图2　采集转换电路

2.2I/O接口电路设计

设计中I/O接口电路分按键电路和显示电路。按键控制是人机互通中不可缺少的部分，它是系统接受用户操作的直接路径。由于本设计中涉及到的按键数量比较少，只有2个按键，所以采取了独立按键模式，当按键引脚出现低电平时，就会检测按键的功能，执行相应的程序。按键主要实现去皮功能，即测试仪是开机检测水杯重量，并将水杯重量清零。具体电路如图3所示。显示电路采取的是LCD1602，显示中每个字符由5*7个小点组成，每一行可以显示十六个英文字符，一共可以显示两行，显示电路如图4所示。

图3　按键电路

图4　显示电路图

2.3报警电路的设计

该设计采用蜂鸣器作为超量程报警器，从而实现阈值报警功能。其报警电路如图5所示，把蜂鸣器的正极接VCC，负极接三极管8550的集电极，8550的基极串联一个1 kΩ的电阻再接到单片机的P2.0端口，当P2.0为高电平时，8550无法导通，蜂鸣器不叫，当P2.0为低电平时，8550导通，蜂鸣器报警。

图5　报警电路图

3　系统软件设计

程序设计主要采用模块化设计，主要完成的内容有系统初始化，检测通道重物，A/D转换，中断服务子程序，LCD显示比重，按键子程序等。主程序主要采用中断方式进行，当按键出现低电平时，执行去皮按键子程序，当出现数据转换信号时，开始执行中断子程序，并实现转换数据和显示。其主程序设计框图如图6所示，中断服务程序如图7所示。

单片机中断服务子程序的具体执行程序如下：

图6　主程序流程图

图7　中断服务子程序

4　测试与误差分析

文中搭建了该不规则物体测量仪的硬件电路系统，其硬件实物测试图如图8所示。

图8　硬件实物测试图

测量仪可以实现称重范围分别为0～5 kg和0～10 kg，应用该测量仪时，首先给电路板上电复位后，两个称重器上没有任何砝码，其显示电路显示结果完全正常。在合理的量程范围内，A通道选择2 000 g的砝码，B通道选择5 000 g的砝码，通过多次A通道和B通道的值进行显示测量，得出下表1所示数据。通过测试，在其称重范围内通过加上不同的砝码，该测量仪可以有效地实现对对物体准确称重功能。

由以上的实验数据可以看出，本设计存在一定的误差。通过计算结果为:

表1　实验数据表

A通道的平均值为:

则A通道的平均相对误差为:

同理:计算出B通道的平均相对误差为:

也就是说，在比重的显示中，出现的误差最大不会超过1%。而本设计所采用的传感器量程为10 kg，1%的误差也就是称1 kg的物体时，只会出现10 g的误差，从数据分析来看，此方案完全满足设计要求。

5　结　论

不规则物体比重测试仪因可靠的性能、准确的测量、先进的技术和简单的结构等特点，所以受到大众的喜爱，在现代社会中用途越来越广泛，给百姓的生活带来了诸多方便。本设计采用HTC89C52单片机设计的不规则物体比重测试仪，无论是从高精度，还是稳定性都满足设计的要求，它还有操作简单，价格低廉等优点。此不规则物体比重测试仪是将信号采集与转换技术、计算机技术、信息处理和显示的现代集成仪器，具有很好的实用性。

［1］李华.MCS-51系列单片机实用接口技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1992.

［2］刘大茂.智能仪器原理与设计［M］.北京:国防工业出版社，2008.

［3］潘晓宁.单片机程序设计实践教程［M］.北京:清华大学出版社，2009.

［4］彭伟.单片机C语言程序设计100例［M］.北京:电子工业出版社，2009.

［5］占跃华.C语言程序设计教程［M］.北京:北京邮电大学出版社，2008.

［6］王建校，王建国.51系列单片机及C51程序设计［M］.北京:科学出版社，2002.

［7］张亚峰.KeilC51软件使用方法［J］.电子制作，2011（1）:61-65.

［8］秦伟.基于STC89C51RC电子称设计［J］.电脑知识与技术，2009，（31）:8822-8823.

［9］孙传友，孙晓斌.测控系统原理与设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007.

［10］费业泰.误差理论与数据处理［M］.6版.北京:机械工业出版社，2010.

［11］吴祖安，朱兆优.基于单片机的电子秤设计［J］.湖南农机，2010，37（3）:39-40.

［12］程飞.基于AT89C2051单片机的电子称设计［J］.电脑知识与技术，2009，5（30）:159-161.

［13］孙娜.基于单片机的便携式电子秤的设计［J］.中国科技信息，2012（1）:98-100.

［14］许晓彤.基于单片机的电子秤设计［J］.硅谷，2012（6）:64-65.

［15］韩泽欣，杨雪松.基于单片机控制的电子称的设计［J］.甘肃科技，2013，29（2）:17-69.

The design of proportion of irregular objects tester based on m icrocomputer

GUO Hong-xia，ZHANG Jing，ZHANG Jun-xia
（School of Energy Engineering，Yulin University，Yulin 719000，China）

As traditional gravity tester mostly be measured by electronic scale，which measures the number of multi-step tedious and inaccurate.In this paper，the design method of specific gravity tester based on micro-controller，the hardware circuit controlled by themicro-controller as a coremember，the peripheral circuit is composed of a pressure sensor HX711，display circuit，keyboard circuit and alarm circuit and other components，do not use software algorithms to achieve a dual regular objects simultaneously weighed.By recording and analyze experimental data，we can get the weighing conclusion that maximum error doesnotexceed 1%，the results show that the objectproportion tester can achieve accuratemeasurementdata and themeasurementstep can be completed，greatly reducing the numberofoperations，so thatwe can promote itsuse.

electronic scale；weight tester；single-chipmicrocomputer；HX711

TN02

A

1674-6236（2016）19-0095-03

2016-03-04稿件编号：201603046

国家自然科学青年基金项目（51406176）；榆林市科技局市级项目（2015CXY-22-03；Gy13-06）

郭红霞（1983—），女，陕西府谷人，硕士研究生，讲师。研究方向：电子电路设计，自动控制，单片机方向。