简易电子秤---2016年江苏省大学生电子设计竞G题解析

2016-12-06凌文韶刘清闯袁迎春

电子测试 2016年21期

关键词：电子秤电桥子程序

刘磊,余丰,凌文韶,刘清闯,顾斌,袁迎春

（南京信息职业技术学院,210023）

简易电子秤---2016年江苏省大学生电子设计竞G题解析

刘磊,余丰,凌文韶,刘清闯,顾斌,袁迎春

（南京信息职业技术学院,210023）

简要介绍了电子称的任务要求，提出了以BF120-3AA电阻应变片为称重传感器、HX711为A/D转换器，采用单片机为处理器，配以键盘和屏显等设计简易电子秤的技术方案。并设计电源滤波、零点漂移抑制和线性化数据处理等技术，进一步提高了测量精度，精度可达1%，测量范围1~500克，满足赛题任务要求，系统达到了低成本、高精度和实用性的三者统一。

电子秤;电阻应变片;BF120-3AA;HX711

1　任务要求

设计并制作一个以电阻应变片为称重传感器的简易电子秤，电子秤的结构如右图所示。如右图1所示，铁质悬臂梁固定在支架上，支架高度不大于40cm，支架及秤盘的形状与材质不限。悬臂梁上粘贴电阻应变片作为称重传感器。

图1　简易电子称结构

2　工作原理

本设计的工作原理：采用铁质悬梁臂固定于支架上，上粘贴电阻应变片作为称重传感器。弹性元件（铁质悬臂梁）在外力作用下产生弹性变形，使得粘贴在其表面的传感元件（电阻应变片）也随同变形，则会使其阻值发生变化。由测量电路把阻值变化转换为电信号，该信号与被测物体重量成一定的函数关系。将微弱的电信号经过放大滤波，由模数转换器转换成数字信号，并交给MCU进行处理，处理结果由显示电路输出。

3　主要电路设计

硬件部分采用单片机MCS-51单片机为控制核心，实现电子秤的基本控制功能。信号采集部分包括秤重传感器BF120-3AA、信号放大处理电路和HX711A/D转换电路。转换后的数字信号送给单片机处理，并利用液晶显示模块完成读数显示，功能调整部分设计按键实现人机对话，利用键盘进行人机交互，输入数据，操作简单方便。利用液晶屏显示物品重量，还可显示物品的单价和总金额，系统结构模块如下图2所示。

（1）电子秤可以数字显示被称物体的重量，单位克（g）；（2）电子秤称重范围5.00g~500g；重量小于50g，称重误差小于0.5g；重量在50g及以上，称重误差小于1g；（3）电子秤可以设置单价（元/克），可计算物品金额并实现金额累加；（4）电子秤具有去皮功能，去皮范围不超过100g；

特别说明：

（1）称重传感装置需自制，不得采用商用电子称的称重装置。（2）铁质悬臂梁可用磁铁检验，悬臂梁上所用电阻应变片的种类、型号、数量自定。（3）测试时以砝码为重量标准。

图2　系统整体框图

3.1传感器电路

电阻应变片把机械应变信号转换为电阻变化后，必须采用转换电路，将应变计的电阻变化转换成电压或者电流变化，以便于测量。电桥电路是目前广泛采用的测量电路，由于全桥电桥的灵敏度高于半桥及单臂电桥，故本设计采用全桥交流电桥。

本设计选择的传感器为BF120-3AA，量程为2.0%，精度为±0.1%，完全满足本系统要求。

由于桥臂的起始电阻相等，都为R，四个桥臂应变片的灵敏系数相同，则,K为应变片灵敏系数，为应变量。

图3　电桥系统原理框图

将4个应变片分别贴在弹性梁的4个敏感部位，传感器受力作用后发生变形，被拉伸阻值增大，被压缩，阻值减小。测量前需要使电桥平衡，保证电桥的输出电压只与应变片形变引起的电阻变化有关。该部分采集信号的完整电路参见图8所示电路。

3.2A/D转换电路，

图4　软件系统主程序流程图

A/D转换的位数与整个测量控制的范围和精度有关，电路见图8。这里选用24 位A/D 转换器芯片HX711。该芯片具有两路可选择差分输入；片内低噪声可编程放大器，可选增益为32、64和128；芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点，降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。

4　软件设计

为理解方便，系统的软件编写采用主程序加子程序方式进行，主要包括：主程序、A/D转换子程序、显示子程序、按键子程序、计价子程序等。

主程序：控制单片机初始化、调用按键识别程序，判断按键功能，调用A/D模块数据并调用显示子程序等。

A/D转换子程序：完成A/D转换，并根据多次实验测量结果对数据进行校准、修正补偿等。

显示子程序：执行写显示数据的命令，将显示得内容进行更新。

按键子程序：完成按键识别，执行按键相应功能。

计价子程序：根据按键输入的单价等进行计价处理。

液晶显示程序实现思路如下：初始化之后判断是否忙碌?也就是是否写完了，如果没有写完等待直到写完之后再写入命令，并初始化

图5　显示子程序流程图

5　测试结果及误差分析

5.1测试方案

在通电之前，先根据硬件逻辑设计图，仔细检查线路是否连接正确，核对元器件的安装是否符合要求，检查电源和系统总线，防止短路和极性错误。加电后检查主要引脚的电位，测量电平是否正常。排除一些明显的静态故障。选取不同的砝码，测试电子秤的称重、去皮、金额显示等各种功能。

5.2测试结果

表1　测试结果（单位：g）

5.3误差分析

测试结果曲线如图6和图7所示。图6反映出，本系统达到了高线性度，测量范围可达1~500克。图7反映出，本系统的测试精度在1%以内，虽然传感器的非线性、放大电路非线性、电源稳定度等影响存在，但是我们设计的电路还是满足了系统要求。

图6　测试结果曲线图

6　结论

本系统通过两个基本单元信号采集单元和控制单元，实现重力物理量到电压物理量的转换，完成数据处理、参数设置和读数等功能。通过采用电源滤波抗噪声和抗干扰、零点漂移抑制和线性化数据处理等技术，进一步提高了测量精度，精度可达1%，测量范围1~500克。实现低成本、高精度和实用性的统一，并获省级比赛一等奖。

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Simple Digital Weight Scale-- Analysis To Title G Of 2016 Electronic Design Competition For College Students In Jiangsu Province

Liu Lei,Yu Feng,Ling WenShao,Liu Qingchuang,Gu Bin,Yuan Yingchun
（NanJing Collage Of Information Technology,210023）

After introduced the basic department，A simple electronic scale is designed with resistance strain chip BF120-3AA 、A/D converter HX711 、micro-computer MCU51、 keyboard and screen display and other peripheral equipmen.The system also uses the power filter, zero drift suppression and linearization of data processing technology,to further improve the measurement accuracy, accuracy of up to 1%, the measurement range of 1~500 G.This system achieves the unity of the three low cost, high accuracy and practicability in the field of gravity weighing electronic system design.

digital weight scale;electronic strain gauge;BF120-3AA;HX711