基于MSP430单片机的电子秤设计

摘 要 质量是测量领域中的一个重要参数，称重技术自古以来就被人们所重视，随着科技的发展，在现代生活及工业中，对质量测量的精度要求越来越高。系统以MSP430单片机为核心，电阻应变片作为称重传感器，物体重量引起应变片发生形变产生阻值变化，进而产生电压变化，经过处理放大，送至单片机进行处理，红外遥控输入单价金额，最后通过128*64液晶显示屏显示出被测物体重量、单价、总价的信息息。该系统低功耗，经测试，系统工作正常，达到设计要求。

【关键词】MSP430单片机 电子秤 传感器 电阻应变片

1 引言

电子秤是日常生活中常用的电子衡器，广泛应用于市场、超市、物流配送中心。随着科学技术和经济的发展，出售商品种类的增加，称量物品的设备也在更新还代。传统的机械式称重装置也渐渐被精度更高、功能更多的电子称重装置所替代。电子秤的称重功能是基于单片机这一微型计算机系统来实现的。通过液晶显示屏将称重物体的质量信息直观的显示给你，避免了机械式的称重装置带来的人为读数的麻烦。

2 设计思路

为了实现称重功能，首先要将物体质量这个非电量转换成电量。通过称重传感器受到被测物体的重力从而产生一个与之对应的电压信号，输出电压信号通常很小，所以用仪表放大器进行信号放大，这时得到了一个单片机所能适应的电压信号。然后通过AD芯片进行模数转换，转换成数字量被送入到主控电路的单片机中处理，进行数据整理、运算、存储，最后通过单片机端口并行输出到液晶显示屏，通过红外遥控板给电子秤输入单价，解决远处来回操作的不便，从而显示出被测物体的重量、单价和经过运算产生总价，都在显示屏上同时显示出来。为了提高系统集成度、稳定性及可靠性，利用了MSP430F149单片机系统的存储器、A/D转换器、比较器等资源。系统的结构如图1所示。

3 硬件设计

3.1 单片机

MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。MSP430单片机称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。MSP430F149单片机是TI第一代产品，具有普遍性、操作性、成熟性等优点，是16位超低功耗微控制器，拥有60kB闪存、2KB RAM、12位ADC、2 USART、硬件乘法器，提供 8MIPS，工作电压为1.8V-3.6V，其超低功耗表现0.1μA RAM（保持模式）0.7μA（实时时钟模式）200μA/MIPS（工作模式）在 6μs 之内快速从待机模式唤醒。MSP430F149单片机超低功耗、强大的处理能力并且自带12位A＼D转换器，所以本设计采用MSP430F149单片机。

3.2 电子秤基本结构

该设计是一个以电阻应变片为称重传感器的简易电子秤，该设计主体有五个部分，支架、悬臂梁、秤盘、单片机最小系统及转换电路。铁质悬臂梁一端水平固定在支架上，悬臂梁上粘贴电阻应变片作为称重传感器，铁质悬臂梁另一端通过线连接秤盘，秤盘上放置 被测物体。电子秤基本结构如图2所示。

3.3 传感器电路

本次设计采用电阻应变片作为称重传感器，在电阻应变片的选型上采用金属箔式全桥4臂应变片。该型应变片电桥相邻两臂受温度影响，同时产生大小相等、符号相同的电阻增量而互相抵消，达到温度补偿的效果，特性曲线的线性特点好，输出灵敏度很高。良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性能，易于粘贴、应变极限大和价格低廉等优点，且时间稳定性好，也是本次设计选用它的原因。称盘上物体质量的变化导致悬臂梁发生弯曲形变，从而电阻应变片发生阻值变化，在全桥4臂相对称的两端分别为直流电压输入端和输出端，电流通过阻值变化发生输出端微弱电压变化。

3.4 放大电路

由于其前端传感器电路传来的电压微弱，只有几个mv，对于单片机的内部A/D转换器来说其转换后的精度是非常差的。所以我们需要用到放大电路，将微弱的电压放大到能使单片机准确识别且使整个系统的精度达到其设计要求。这里我们采用AD620作为放大电路的核心，AD620具有高精度（最大非线性度40ppm）、低失调电压（最大50?V）和低失调漂移（最大0.6?V/℃）特性，是電子秤和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立电路设计，并且功耗更低，因而非常适合电池供电及便携式应用。此外，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10，000。其高增益、低功耗、尺寸小是这次设计选择它的原因。参考Datasheet其增益（放大倍数）公式为

G=（49.4K/Rg） +1，Rg为Pin1和Pin8之间的电阻。其3脚与2脚分别接传感器电路输出端的正负，1脚和8脚中间接一滑动变阻器作为增益调节，方便之后总装调试，6、5脚为放大电路输出端的正负。由于微小的抖动可能引起应变片阻值变化从而导致输出电压的抖动变化，我们就要采用滤波来解决。采用硬件的电容滤波和程序消抖结合的方式使最终显示在显示屏上的是一个比较稳定的值。

3.5 显示设计方案

本次设计采用的是MSP430F149单片机开发板，其硬件上有很多的扩展功能，包括LCD12864、LCD1602的扩展接口。带中文字库的128X64 是一种具有4 位/8 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体 中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64， 内置8192 个16*16 点汉字，和128 个16*8 点ASCII 字符 集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。LCD1602是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。综合考虑选择显示界面更大且能显示汉字的LCD12864。

3.6 遥控按键输入

在日常生活中电子秤都少不了数字按键输入面板，输入单价、去皮、总计、数字0～9、符号等会占用不少的面积。为了减少它的占用面积，决定采用红外遥控输入，优点是可使它小型化，也可在远处控制输入。单片机最小系统板上集成了红外接收模块，系统工作时通过红外遥控板发出脉冲信号，红外接收头收到肉眼不可见的红外光，将信息传给单片机从而对其输入进行控制。

4 软件设计（如图3所示）

系统工作有三个阶段。第一阶段，系统初始阶段。按下电源键系统开始工作，通过传感器采集数据，数据经单片机处理，在液晶显示屏显示重量等信息。在此之前的数据处理时间段，通过开机动画给采集数据争取一点时间，使结果更精准。第二阶段，系统调试阶段，单片机通过程序的控制将空载、100克、200克……1000克等具有梯度性重量的非电量通过A/D转换器转换成单片机识别的信号记录在内部的60KB FLASH里面，然后单片机将其处理形成多段函数式。第三阶段，持续工作阶段，系统将之前的测试信息绘制成多段线记录，不同的重量对应单片机里不同的编码信息。

在软件设计之初，进行大量实验，采集放大电路输出端电压值与被测物体重量并将其绘制成V-W曲线图。通常我们希望图中是一条直线即y=kx+b的一次函数，但是在大量的数据的积累下，绘制出来的并不是一条直线，当物体越来越重時，其线形会慢慢弯曲，产生偏移，如果以线性的公式计算，会产生不必要的误差。这时，可以将整个曲线看成很多个一次函数线绘制而成，通过分段截取的方式，将整个曲线分成若干段，每一段有不同的k值即一次项系数。在系统工作信息采集时，放置具有梯度性重量的砝码，依次记录，减少系统误差，提高系统精确度。在系统接收到红外遥控发出的脉冲信号后，通过单片机解码，作出相应操作。

参考文献

[1]沈建华.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008：2-3.

[2]宋雪臣，单振清.传感器与检测技术（第2版）[M].北京：人民邮电出版社，2012：26-32.

[3]LCD12864液晶显示屏中文资料[Z].电子电路网，2012.

[4]AD620数据手册[Z].亚德诺半导体官网，2004.

作者简介

刘恒瑞（1995-），男，四川省南充市人。四川邮电职业技术学院物联网应用技术专业。

作者单位

四川邮电职业技术学院 四川省成都市 610067