基于STC89C52和HX711的电子秤设计

张波 王晨阳 徐传旭 张晋铭 李可

摘  要：电子秤是在人们日常生活中应用广泛的一种称重仪器。本文所设计的电子秤由应变式电阻压力传感器构成电桥来完成称量物体的重力到电压信号的转换，电压信号放大和模数转换部分由集成芯片HX711完成，由STC89C52单片机完成相应的计算，把得到的数字信号转换为相应的质量数值，并实现相应的计价、去皮等功能。称重信息由单片机控制LCD1602来显示。

关键词：压力传感器;信号放大;A/D转换;STC89C52单片机

中图分类号：TN701      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）08-0042-03

Abstract：Electronic scale is a weighing instrument and widely used in people’s daily life. The designed electronic scale consists of a bridge composed of strain resistance pressure sensor to complete the conversion of weighing object’s gravity to voltage signal. Voltage signal amplification and A/D conversion are completed by integrated chip HX711. The SCM STC89C52 completes the corresponding calculation，converts the obtained digital signal into the corresponding quality value，and realizes the corresponding valuation，peeling and other functions. The weighing information is displayed by LCD1602 controlled by single chip computer.

Keywords：pressure sensor;signal amplification;A/D conversion;STC89C52 SCM

0  引  言

电子秤是一种常用的称重仪器，相比较于机械秤，电子秤更加轻小直观。电子秤是电子衡器中的一种，而电子衡器的测量水平，将影响到社会经济效益和现代化水平[1]，影响人们的生产生活。单片机目前来说功能较强大、体积小、性价比高，在家用电器、消费电子、工业自动化、仪器仪表等很多方面应用越来越广。因此本文基于单片机设计了一款高精度的电子秤。

1  总体设计方案

电子秤是通过传感器技术把物品的重力转化为电压信号输出，电压信号经过放大和模数转换后再利用微处理器技术进行相应的计算处理，最后通过一定的方式显示出来，其整体结构如图1所示。传感器选用电阻应变片压力传感器构成电桥，将物体的重力转化为电压信号。压力传感器输出的电压信号是模拟信号且幅值比较小，必须经过放大后才能进行后续处理。单片机只能接收数字信号，故模拟的电压信号要经过模数转换才能送至单片机。集成芯片HX711可完成信号放大和模数转换，故选用此芯片。数据处理计算由STC89C52单片机完成，其能够把表示压力的电压信号换算成物品质量，处理键盘输入的去皮、单价等信息，计算总价，控制液晶屏LCD1602的输出，并在超重（超出测量范围）时控制蜂鸣和LED报警。

2  压力传感器和HX711芯片

2.1  压力传感器

导体或半导体由于受到外力而产生形变时其电阻值也将随之变化，这一现象称为应变效应[2]，是电阻压力传感器的理论基础。电阻应变片具有精度高、简便、体积小、动态响应好等优点，应用较为广泛。初始阻值为R的电阻压力传感器在应变为ε阻值变化的大小为ΔR，则电阻压力传感器灵敏度系数K为：

应变电阻器在使用中通常构成直流桥式电路。为了减少误差，增加电桥输出灵敏度，电桥的四个桥臂通常都选用应变电阻，且选用的四个应变电阻（如图2中Ra、Rb、Rc、Rd）参数都相同，设四个应变电阻初始阻值相等，且均为R，受到相同的应变时产生的阻值变化ΔR也相等。构成电桥后，同一桥臂上两个电阻应变方向相反，即受到压力时引起的电压变化方向相反。设电桥输入电压为Ui，则电桥输出电压大小为：

2.2  HX711芯片的应用

HX711是专为电精度电子秤而设计的芯片，内部集成有放大部分和24位A/D转换部分。信号放大部分是电阻应变压力传感器必不可少的部分，而模数转换是模拟信号输入普通单片机必不可少的部分。芯片共有16个引脚，工作电压范围为2.6V-5.5V，工作时电流小于1.6mA，功耗很低。芯片内有两路可选差分输入：A路、B路，输入选择开关可很便捷选择A路或B路。A路对应的放大器增益编程可选为64或128，对应的满度差分输入电压信号幅值绝对值分别为20mV和40mV。B路对应的放大器增益为固定的32。芯片内部集成的稳压电源可直接向外部传感器电路供电。芯片内集成振荡电路无须外围器件。芯片所有控制由管脚输入，芯片内寄存器无须编程。芯片上电自动复位简化了初始化过程。芯片串行通讯接口非常简便，可很方便地与后面的微处理器进行通讯。该芯片的集成度很高，使用该芯片可在很大程度上简化电子秤电路设计，增强电路可靠性，提高電路输出精度。

电阻Ra、Rb、Rc、Rd构成的压力传感器电桥和HX711部分的电路如图2所示。16脚电源引脚DVDD和1脚稳压电路部分供电电源都连至输入电源VCC。图2中稳压电路部分包括稳压电路部分供电电源1脚VSUP、稳压电路输出控制脚2脚BASE、稳压电路输入控制脚4脚VFB、PNP型三极管Q1，电阻R1和R2。输出电压也即3脚上电压VAVDD大小为VFB（R1+R2）/R2。电桥的输出通过R3、R4和电容C4接A路输入，芯片的7引脚INNA和8引脚INPA。输出速率控制15引脚接地，数据输出速率为10Hz。14管脚XI接地选择使用内部振荡时钟。B路输入未采用，都接地。串行通讯口和单片机相连接，用来输出转换的数具，选择输入通路和相应通路的增益。12脚DOUT是数据传送引脚，11脚PD_SCK是时钟引脚，图2设计的电路分别和STC89C52单片机的P3口的P34和P35相连接。压力传感器电桥物品重力按一固定关系转换为电压Uo输出，该电压信号Uo经HX711完成信号放大和A/D转换，之后再送至STC89C52单片机处理。

3  STC89C52单片机部分

3.1  STC89C52单片机

整个系统以STC89C52单片机为计算处理和控制的核心。STC89C52单片机是宏晶科技推出的国产低功耗使用MCS-51内核的8位单片机，价格便宜[3]。该单片机具有8K可编程FLASH存储器，4K的EEPROM，用户烧录程序比较方便。该单片机和传统的8051单片机一样共40引脚，引脚分布功能也和传统的8051单片机一致，指令代码兼容8051单片机;该单片机具最高工作频率达35MHz，有4个外部中断，3个16位的定时/计数器，功能上比基础型的51单片强出很多。STC89C52单片机接受来自HX711的数字信号，根据这一数字信号计算得到相应的物品质量，并通过LCD1602显示。单片机接受键盘信息，根据需要可完成去皮和计价功能。

3.2  LCD1602液晶

LCD1602液晶显示器件工作电压为4.5V-5.5V，可以和STC89C52单片机用同一电源供电。常用的LCD1602是点阵型、字符型液晶，共有2行，每行有16个字符位，每个字符位可显示一个字符，显示内容比数码管丰富很多，且功耗低很多。1602内部字符发生存储器已存入了包括英文26个大小写字母、阿拉伯数字和常用符号等160个点阵字符图形[4]，因此可很方便地显示这些符号。常规应用，1602不能显示汉字和其他图形，要让其显示汉字和其他图形需自定义字符图形库。要使显示内容更为丰富，可选用12864液晶显示器件。1602除电源引脚、背光电源引脚和对比度调节引脚外，其余引脚使用时直接和STC89C52单片I/O引脚相连，使用较为方便。亮度调节引脚通常由电位器可调端子上分压获得电压信号，背光电源引脚有时也通过三极管由单片机引脚控制。

3.3  矩阵键盘

按键输入是单片机常用的输入方式之一。但是单片机I/O口资源非常用限，按键较多时若一个按键对应一个I/O引脚，势必会占用过多的单片机I/O资源，限制了单片机的其他扩展应用。因此通常使用矩阵式键盘，行列式分布的键盘通过程序扫描判断应选择哪个按键按下。不同的按键程序内对应不同的数值或字符，按键在程序内对应的数值或字符和人眼看到的键盘标示一致。

3.4  声光报警

单片机电子秤传感器部分有对应的测量范围，超出测范围电子秤则无法准确显示其重量。因此称重时要有相应的报警提示功能。超重时单片机一I/O引脚控制相应的LED报警灯亮起，程序控制另一I/O引腳输出一定频率的和规律的脉冲信号，该I/O引脚加在PNP型三极管的基极，信号经三极管放大后驱动小喇叭报警响起。单片机I/O引脚允许输入的电流比其输出电流大，所以通常配PNP三极管。

4  结  论

本文设计的基于单片机的电子称重范围达40Kg，精度为1g。电子秤体积小，使用方便直观，性价比较高，配置好相应的结构外壳后很适合应用于人们的日常生活。

参考文献：

[1] 靳姗.基于AT89S52单片机的双精度电子称设计 [J].现代制造技术与装备，2018（6）：67-68.

[2] 张洗玉，陈郓城，王晗亚，等.基于嵌入式的高精度简易电子秤的研制 [J].中国仪器仪表，2019（1）：56-61.

[3] 梁小洁，张薇，罗重阳，等.基于单片机的电子秤设计 [J].电子设计工程，2018，26（4）：154-157.

[4] 马雅盼，刘忠富，李美仪，等.多功能电子秤系统设计 [J].智能计算机与应用，2018，8（1）：177-180.

作者简介：张波（1979-），男，汉族，湖北枣阳人，副教授，硕士，研究方向：电力电子技术。