基于电子元器件称重的高精度电子称设计与实现

2017-11-08姚树坤倪晓昌杨旭李莉张琦

智能计算机与应用 2017年5期

姚树坤　倪晓昌　杨旭　李莉　张琦

摘要：电子元器件作为工科类学校实训器件，其种类繁多并且体积较小，所以存在准确和快速选取的难题。因此，设计制作高精度电子称，实现对电子元器件的精确称重和智能计数具有重要的应用价值。高精度电子称设计主要包括外观结构设计、硬件电路连接设计和软件编程设计三个部分。外观结构设计，需要使称重压力传感器与秤盘连接结构合理，保证称重压力传感器采集到的物体重量数据准确和稳定；硬件电路连接设计，主要使用STC12C5A60S2单片机作为逻辑关系和相关数据的处理核心，结合电源电路设计、称重压力传感器模块、A/D转换模块、独立按键模块和LCD液晶显示模块完成制作；软件编程设计，则以KEIL软件作为编程平台，C语言知识作为基础，完成该设计的软件编程部分，确保该设计的逻辑关系和数据处理的正确性。设计最终实现对电子元器件的称重误差小于0.2 g，能够对称重结果实时显示，同时加入手动清零等功能。

关键词： STC12C5A60S2；电子称；计数；称重

中图分类号： TP391

文献标志码： A

文章编号： 2095-2163（2017）05-0142-04

Abstract： As engineering training devices in engineering schools， electronic components have a wide range types and small size character， and it is a difficult problem to accurately and rapidly select them. Therefore，it has the important application value to design on one highprecision electronic scale and realize the accurate weighing and intelligent counting of electronic components. The design includes three parts： appearance structure design， hardware circuit connection design and software programming. The appearance structure design needs to make the connection structure reasonable between the weighing pressure sensor and the scale， and ensure it is accurate and stable for the weight data collected by the weighing pressure sensor. During the hardware circuit connection design， STC12C5A60S2 MCU， as the logic relation and data processing core， is mainly used to complete production. Meanwhile combined with the power circuit design， weighing pressure sensor module， A/D conversion module， independent button module and LCD liquid crystal display module. After that， the KEIL software as the programming platform and C language knowledge as the basis are used to complete the software programming part of the design， and to ensure the logic of the design and the correctness of data processing. Finally， the design realizes the accurate weighing of electronic components below 0.2 g error， which has the realtime display of weighing results and manual reset functions.

Keywords： STC12C5A60S2； electronic scale； count； weigh

0引言

[JP+2]目前工科類高等院校都非常注重学生实践能力的培养，实践课程的普设将导致实验材料的大幅度增加，尤其是电子类实训课程中，因为电子元器件种类繁多并且体积较小，所以领取时要保证元器件留有余量，还不会造成浪费就比较困难。因此，实现元器件快速和准确领取就尤为重要。

针对上述问题，使用STC12C5A60S2单片机设计制作高精度电子称。该设计中使用高精度称重压力传感器模块作为物体重量采集器件，将采集信息通过A/D转换模块进行模拟量到数字量的转换。完成转换后，再使用单片机进行相关数据处理，结合LCD液晶显示模块完成物体重量信息的显示[1]。本次制作，主要设计出体积小巧轻便，并且具有器件智能识别、准确称量和智能计数功能的高精度电子称。[JP]

1研究设计方案

1.1设计目标

本设计使用STC12C5A60S2单片机作为逻辑和数据处理器件，结合称重压力传感器模块等设计一款方便使用、测量准确的高精度电子称。具体实现功能如下：endprint

1）能够智能识别电子元器件种类，对不同种类元器件提出相关称重建议。

2）能够精确测量，液晶显示测量值精确到0.01 g。并设计称重状态检测功能，超出称重量程则报警提示，防止超量称重。

3）称重范围设计在0～700 g，在整个测量范围内，保证测量误差小于0.2 g，完成对电子元器件的精确称重。

4）能够在称重范围内实现手动清零功能，保证电子称称重信息的准确。

1.2系统整体设计方案

本次设计，以单片机作为控制核心，结合称重压力传感器模块、A/D转换模块、独立按键模块、电源电路模块和LCD液晶模块完成。该设计的整体框架如图1所示。

1.3高精度電子称设计原理

高精度电子称设计主要为了完成对电子元器件的精确称重。整个过程分为物体重量信息采集、A/D转换、数据处理和液晶显示输出。设计中使用悬臂梁式称重压力传感器作为物体重量信息采集传感器，实现对物体重量的精确采集。该传感器是利用应变片的电阻值受力改变的特点，将应变片和力敏型弹性元件相结合，把力敏型弹性元件受力产生的形变转换为电阻阻值的改变。当物体放到秤盘中时，力敏型弹性元件发生形变，同时改变应变片的阻值，再将该变化转换为电压的该变。电压值变化之后，将这个变化的电压进行放大处理，进行相应的转换，再将这个数据传递给单片机，单片机进行该数据的处理分析。将这个电压的变化进行运算后，换算成为物体的重量信息，使用结晶屏进行显示。实现对物体重量称重的整个过程。

2硬件电路设计

硬件电路设计是整个系统正常工作的基础。该设计主要使用STC12C5A60S2单片机作为逻辑关系和数据处理中心，利用称重压力传感器采集物体重量信息，采集到的数据经过A/D转换模块完成数据转换。转换后的数据经过单片机进行处理运算，得到该称重物体的重量，再使用液晶进行显示。整个称重过程中，若出现超重现象，则使用蜂鸣器进行报警设计，提示使用者，避免对电子称造成破坏。并且在使用过程中，操作者能够选择独立按键进行器件种类的选择和清零功能。下面详细介绍该设计中主要的硬件电路组成。

2.1单片机最小系统

单片机是本设计的核心控制器件，具有极其重要的作用。因此，在选用单片机时，需要对单片机的速率以及内部资源等条件进行综合考虑。该设计中使用STC12C5A60S2单片机，是新一代8051单片机，使用起来比传统8051单片机速度快8～12倍，并且拥有更多的内部资源，完全替代传统8051单片机[1]。所以综合考虑本设计需求，使用体积更小的贴片式STC12C5A60S2单片机，这样能够有效减小电路板尺寸，更符合高精度电子称的结构设计要求。贴片式STC12C5A60S2单片机最小系统电路原理如图2所示。

2.2称重压力传感器的选择分析

称重压力传感器需要完成对物体重量信息的采集，因此对称重压力传感器的结构和精度都有一定的要求。本设计中选择悬臂梁式压力传感器，不仅便于电子称结构的设计，而且其精度较高，抗偏载能力较强，适合电子称设计使用[2]。该传感器是利用应变片的电阻值受力改变特点，将应变片和力敏型弹性元件相结合，把弹性元件受力产生的形变转换为电阻阻值的变化。臂梁式称重压力传感器受力原理如图3所示。

将应变片以电桥的方式进行连接，力敏型弹性元件的形变将转换成为电阻阻值的变化，使用电桥电路结构将电阻值的变化转换为电压的变化，这样只需要对输出电压进行采集，再使用A/D转换模块和单片机进行采集数据的处理即可[3]。使用称重式压力传感器测量物体重量时，电桥的4个臂上应变片都参与机械变形，在同一温度中，应变片之间的温度影响相互抵消，提高称重压力传感器的灵敏度。称重压力传感器电桥连接方式如图4所示。

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2.3A/D转换模块的选择与分析

使用称重压力传感器采集到相应的信息后，则需要进行数据转换，进而计算分析出物体的重量。而A/D转换模块，则是完成模拟量到数字量转换的重要工具，所以A/D转换模块的选择对该设计至关重要。

设计中选择HX711电子称专用A/D转换模块，与其它A/D转换模块相比，该模块中设计有24位A/D转换器芯片，并且该模块将使用到的外围电路进行集成，确保该模块在使用中的稳定性和可靠性。模块的通道A设计增益为128和64，可以自由选择，方便设计者使用[5-8]。该模块与称重压力传感器及单片机的电气连接关系都较为简单，方便硬件电路设计。

2.4独立按键模块和蜂鸣器报警电路设计

独立按键模块作为设计的组成部分，主要完成对称量器件种类的选择，以及清零等功能，因此在设计中必不可少。而蜂鸣器报警电路，则需要完成超重报警功能，为更好使用电子称提供可靠保障。

使用以上器件进行电路设计，完成整个设计实物搭建，实物如图5所示。

3软件编程调试与分析

本设计中使用KEIL软件作为编程平台，结合C语言知识，进行系统的逻辑关系和数据处理，让整个系统正常有序地工作。高精度电子称作为电子元器件称量装置，需要实现对称重元器件种类的选择，并能够精确称量等功能。在这个过程中，包括基本逻辑处理和大量数据运算。程序流程中，描述了系统工作的基本过程，给出信号的流向，由此可得软件程序流程如图6所示。

4系统测试与数据分析

4.1系统测试与数据分析

将整个电子称系统设计完成后，对电子称进行称重测试。在测试中发现，在不同测量范围内存在的误差值也不一样。在硬件设计的基础上，使用软件编程进行数据优化处理。首先将传感器采集到的数据进行均值滤波处理，提取测量中10个数据进行平均运算，得到10个数据的平均值[9]。然后使用分段修正的方法，使用砝码进行多次测量试验，得到相关测量修正数据，加入到软件程序中，对称重结果辅助修正[10]。使用砝码测试结果如表1所示。从表中数据可以看出，测试结果均在误差范围内。endprint

在保证测量精度的前提下，使用电子器件进行称重测试，分别使用三端稳压芯片和电阻器件进行称重测试，并对称重结果进行分析，绘制折线图如图7和图8所示。

由以上2幅图可以看出，在对电阻元件的称重和三端稳压芯片的称重测试中，其折线图都呈现很好的线性度。确保了在元器件称重过程中的结果准确性，从而完成对元器件快速选取。

4.2误差分析与改进

高精度电子称使用过程中，首先需要确保压力传感器采集到的物体重量数据信息准确，之后在A/D转换的过程中，保证数据的处理正确，最后则使用液晶显示相关数据[11]。因此，在整个制作过程中，设计以下改进方案：

1）使用高精度悬臂梁式压力传感器，并使用24位A/D转换模块HX711进行设计，保证称重过程的数据稳定和准确。

2）优化程序设计，在均值滤波的基础上，加入辅助修正系数进行调节，保证测试数据的精确。

[LL]

3）测量过程中，存在累积误差，因此在设计中加入清零按键，使用按键清除累积误差，保证测量精度[4]。

4）电子称使用过程中，如果超重测量，不但测量结果不准确，而且会对电子称造成损坏。因此设计中加入超重报警功能，保证电子称使用安全。

5结束语

在整个高精度电子称的设计过程中，无论是硬件电路设计还是软件编程设计，都进行多次修改。经过测试分析后，实验结果证实该设计在称重范围内误差小于0.2 g，满足精确称重的要求。并使用液晶屏显示称重结果，使用方便。在设计中加入手动清零功能按键，保证每次称重的准确性。由此可以看出该设计具有精度高、线性度好、使用方便等众多特点。

参考文献

王瑞琦，刘向阳，邹星兴，等. 基于STC89C52RC单片机的电子称设计[J]. 国外电子测量技术，2017，36（5）：94-97.

[2] 李志明，李春鹏，钟雪燕. 简易电子称的设计[J]. 信息系统工程，2017（5）：139.

[3] 于飞，李擎，员乾乾. 基于HX711的电子称设计[J]. 传感器世界，2016，22（12）：33-36.

[4] 汪小涵. 基于單片机的数字电子称设计[J]. 数字技术与应用，2016 （10）：175.

[5] 王仲夏，马万国，张涛. 基于单片机高精度电子天平设计[J]. 电子测试，2017（9）：25-26，17.

[6] 杨崇海. 基于电阻应变片的电子称设计[J]. 数字技术与应用，2017（4）：211.

[7] 赵莉莉. 基于单片机的脂肪秤[J]. 科技创新与应用，2017（6）：285.

[8] 刘美娟，张琦，穆远威. 基于HX711的高精度电子秤的设计[J]. 信息通信，2017（1）：142-144.

[9] 杨成慧，王书志.一种高精度电子称的设计与研究[J]. 自动化与仪器仪表，2016（11）：184-185，188.

[10]徐伦，邓涛. 一种基于 STM32 的多功能精密电子秤[J]. 数字技术与应用，2016（8）：148-149.

[11]张汝铅，王玉暖，杜军，等. 基于单片机的温度检测系统的设计[J]. 山东师范大学学报（自然科学版），2016，31（2）：77-80，85.