基于电阻应变片式传感器的电子秤设计与实现

2017-05-08王俊芳王海斌倪晓昌

智能计算机与应用 2016年6期

王俊芳++王海斌倪晓昌

摘要：电子秤系统设计主要包括硬件电路设计，软件编程调试，实物称重三部分。硬件电路部分是以单片机STC89C52RC为核心控制单元，实现控制数据的处理。数据采集部分选用压力传感器，采用24位AD转换芯片HX711对传感器采集到的模拟量进行AD转换。转换后的数据经过放大后送到单片机进行处理，由LCD12864液晶显示数据，软件部分采用keil编程实现。称重测量结果显示：称重范围5.00～500 g，重量小于50 g时，称重误差小于0.5 g；重量在50 g及以上，称重误差不大于1 g。此电子秤具有快速方便、数字显示、自动计价去皮，金额自动累加等优点。[JP]

关键词： STC89C52RC；电阻应变片； AD转换；电子秤

中图分类號： TP391

文献标志码： A

文章编号： 2095-2163（2016）06-0121-04

[0引言

衡器是通过将被测物体作用其上来确定该物体质重的计量器具。在衡器的发展演变过程中，曾经先后出现了6种类型的衡器设计，分别是：架盘天平、不等臂平台秤、吊车秤、倾斜象限杆秤、弹簧秤和自动秤[1]。时下，随着现代科技的重要飞跃与高速进步，衡器也开始转入了便利化、数字化、智能化的发展方向[2]。

基于此，本次研究即采用了电阻式应变片传感器作为信号采集单元、STC89C52RC单片机为控制核心，设计实现一款重量轻、计量准确、读数直观、价格低廉的便携式智能电子秤系统，适于样品称重、厨房配料，中药药铺称重等多种场合。

[BT4]1研究设计方案

[BT5]1.1设计目标

设计并制作一个成本较低，以电阻应变片为称重传感器的简易电子秤。

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5.00～500 g；重量小于50 g，称重误差小于0.5 g；重量在50 g及以上，称重误差小于1 g；

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100 g。

[BT5]1.2系统总体设计

本次研发系统主要由控制、测量、放大转换、数据显示、键盘和电源等部分集结构成。在此，给出研究设计的整体架构如图1所示。

[BT5]1.3电子秤的工作设计原理

当被测物体放置到称重平台上时，电阻应变片传感器将随称重悬臂一起发生形变，传感器的力效应则转化成电效应，也就是物体的重量将转换为与被测物体重量成一定线性函数关系的模拟电信号，只是这个时候该信号还属微弱级别，因而需将其进行放大、滤波后，再经由A/D转换电路，转换为数字信号，最后送入CPU将实现定制处理。具体地，CPU将对键盘和各种功能开关提供实时扫描，并根据键盘输入内容和各种功能开关的状态做出判断、分析，同时由软件程序来控制各种运算，最后将运算结果显示在液晶屏上。

[BT4]2硬件设计

硬件设计是电子秤的重点与关键。研究得到的功能原理设计则如图2所示。下面，将针对此次研发中的具体应用实现给出如下阐释与论述。

电阻应变片式传感器的基本构成通常可分为2部分：弹性敏感元件和应变计。弹性敏感元件在被测物理量的作用下，将产生一个与其成正比的应变，然后用应变计作为转换元件将应变转换为电阻变化[3-5]。该传感器的工作原理可如图3所示。

用应变片测量时，将其粘贴在弹性体上。当弹性体受力变形时，应变片的敏感栅也随之变形，其阻值发生相应的变化，再通过一定电路转换为电压或电流的变化[6]。由图3可知，本次研究采用了惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压即可由式（1）[7]运算得到：

Eout=R2×R4（R2+R4）×△R1R1+△R2R2+△R3R3+△R4R4×Ein[JY]（1）

本次研究得到的电阻应变片式传感器具有如下强大优势特点：使用方便，应用和测量范围广，精度较高，结构小巧，频率响应好，对试件影响轻微，对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，因而利于实现远距离、自动化测量。

[BT5]2.2A/D转换器

研究可知，A/D转换部分对系统整体设计的成功运作具有重要意义[8]。HX711芯片即是一种专为高精度电子秤而设计发布的24位A/D转换器芯片[9]，与同类型其它芯片相比，该芯片的选用不仅降低了电子秤的整体成本，更重要的则是提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端MCU 芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号均由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器来拓展配置编程[10]。输入选择开关可任意选取通道A或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A 的可编程增益为128 或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。通道B 则为固定的32 增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需添加另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程[11]。

考虑到本系统中对物体重量的测量和场合使用的精度要求，以及对转换速率也呈现出明确快捷要求，本次设计采用了24位的A/D转换器HX7411。A/D转换电路图如图4所示。

[BT5]2.3键盘处理电路

[HT5”SS][ST5”BZ][WT5”BZ]

由于此电子秤需要设置单价（10个数字键），还具有确认、删除、去皮、计价等功能，总共需设置17个键（包括一个复位键）。键盘的扩展方案采用了矩阵式键盘。矩阵式键盘的特点是把检测线分成2组，一组行线，一组列线，按键将部署在行线和列线的交叉点上。当键盘的数量大于8时，一般都采用矩阵式键盘。[JP3]结合本设计的实际要求，16个按键使用4×4矩阵式键盘，另外一个复位键将使用独立式按键设计实现[7]。[JP]

[BT5]2.4报警电路

当被测物体重量超过系统设计所允许的限值时，研究中利用控制程序使单片机的I/O口转为高电平，此时三级管导通，蜂鸣器即会发出警报声，同时报警灯闪烁[12]。

综上可得，本次研发中设计构建的系统实物呈现如图5所示。

[BT4]3程序设计

系统研究中，软件部分依据功能应用可划定为6 个模块，分别是主程序模块、A/D 转换模块、数制转换模块、键盘扫描控制模块、显示模块和报警模块[13]。主程序流程图给出了系统工作的基本过程，描述了信号的基本流向，从而可全面发挥控制导引作用。主程序流程如图6所示。

[BT4]4实验测试

4.1测量调试

研究得到电子秤的称重精度主要由传感器决定，而不同的传感器所配设的精度特性曲线也各不一样，因此，每一个传感器的参数在程序中均需要进行适当校正。当发现测试出来的重量偏大时，增加该数值；如果测试出来的重量偏小时，减小该数值；此数值一般在2.15附近之间调整[14]。总地来说，该参数因传感器不同而有针对性地生成调整限定。

[JP2]电子秤的精度调节需要用砝码展开反复的统计测量。在测量调试过程中，研究采用分段的方法，即将量程区间分为3段，分别为：5.00～50.00 g， 50.00～200.00 g， 200.00～500.00 g。再根据各个阶段的误差值在程序中进行相应参数的调试校准修正。[JP]

修正测量结果如图7所示，插入图为砝码值较小时的放大图。从测试修正四曲线可以看出，经过多次測量校正后的曲线满足线性且接近真实值，说明系统最优，达到测试要求。

由表1数据可以看出，重量小于50 g时，称重误差小于0.5 g；重量在50 g及以上，称重误差小于1 g，且可设置电子秤每0.5 s自动称重，累积3次取平均值刷新显示，这样测量误差可控制在表1所列范围，称重速度较快，而且精度较高。

4.2.2误差分析及改进

悬臂的材质，贴电阻感应片处的厚度，感应片的质量及粘贴时对气泡的处理，称重温度等都会对测量结果产生一定的作用和影响。为此，可设计提出如下改良方案：

1）考虑电子电路的设计中对各种影响因素的处理，比如对电压过大情况采取有效防范措施；

2）粘贴电阻应变片时，要按规范步骤有序设置操作，防止其与悬臂贴合时沾染灰尘产生气泡；

3）系统程序设计尽量优化。通过程序的算法及参数的选取来改善系统硬件部分对电子秤精度的影响；

4）了解各种实用芯片性能和价格，选用质量优等的电子元器件，尤其是要高度重视电阻应变片的款型选择

[BT4]5结束语

通过对称重传感器信号处理电路的分析和实测，可以总结出，此电子秤整体上具备了线路完善、转换精度高、调试步骤简单、而且功耗低、以及无温漂等众多特点，满足设计要求。

另外，随着对生活质量的高优追求，电子秤还可以扩展外延更多电路，如日历时钟电路、通讯接口电路等。日历时钟电路则可显示购货日期，通讯接口电路则可与上位机（PC机）进行通讯，从而将大量的商品数据存于上位机，然后通过串口或并口通讯与电子称相连，达到远距离操控的满意效果目的。