基于STC8A8K与HX711的高精度电子秤设计

张良玉 罗龙 伏钊

[摘    要 ]设计制作以电阻应变片为称重传感器的电子称重装置，所在金属悬臂梁上黏贴应变片作为称重传感器。使用了12 V的锂电池自制充电器，称重装置使用了上电自校准功能，并使用LCD液晶屏进行响应数据的显示，在称重为2.00～500 g之间，称重误差要求小于0.50 g，具有去皮功能，去皮范围不超过50 g，并且可以设置单价（元/g），可计算物品金额并实现金额累加、报警和语音等相应功能。

[关键词]自制充电器;LCD液晶屏;去皮功能;设置单价;金额累加

[中图分类号]TH715.1 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）06–0–03

[Abstract]An electronic weighing device with resistance strain gauges as load cells is designed and manufactured， and the strain gauges are pasted on the metal cantilever beam as the load cells. A 12 V lithium battery self-made charger is used， the weighing device uses the power-on self-calibration function， and the LCD screen is used to display the desired data. The weighing error is required to be less than 0.50 g within the weighing range of 2.00-500 g ， When the weight is above 50 g， the weighing error is less than 1.00 g， with tare function， the tare range does not exceed 50 g， and the unit price （yuan/gram） can be set， the amount of items can be calculated and the amount of money can be accumulated， alarm and voice， etc. Features.

[Keywords]self-made charger; LCD screen; peeling function; set unit price; sum total

1 方案論证与比较

1.1 重力采样方法比较与选择

在全桥电路中输出电压较小，一般为几毫伏到几十毫伏，所以在进行AD转换之前需要先将电路输出信号进行放大处理，再将放大过后的信号进行AD转换，通过AD把信号转换为电信号输送给MCU进行运算处理。

（1）用OP07将采集的信号进行放大，最后通过ADC0809将所放大的采集信号进行AD转换为数字信号，最后送MCU处理。

（2）直接由32位MCU的定时中断进行信号的采集，然后对信号分析。

（3）将采集的信号通过HX711进行AD转换为数字信号，然后将信号送给MCU处理。

HX711是一款24位的AD转换芯片，内部集成了包括稳压源和信号放大器，片内时钟震荡等其他同类型转换芯片所需要的的电路。所以使用HX711不仅信号稳定、精度高、切电路简单，而且成本较低。

1.2 处理器的选择

（1）使用传统8051内核单片机，运行速度慢，程序储存空间小。

（2）使用增强型8051内核单片机，运行速度快程序储存空间可达64K，成本低、操作方便、电路简单。

（3）使用STM32系列单片机，电路复杂、操作难、成本高。

本设计采用增强型80c51内核STC8A8K单片机，运行速度是传统51内核单片机的20倍。它拥有8 K的ARM和64 K的程序储存空间，且不需要外部晶振，最小系统简单方便、成本低。

2 系统整体方案及软件设计

本系统主要包括信号采集单元、语音报警单元、单片机数据处理单元、显示和键盘设置单元、电源降压单元和锂电池充电单元组成，其中信号采集单元包括有称重重量采集电路（采样）和A/D转换电路。

2.1 信号采集单元设计

本部分使用4块应变片组成全桥式电桥分别安装在金属悬臂梁上的两端，为了使电桥检测更加稳定，分别将两组应变片互为交叉式地贴在了金属悬臂梁上。

在将应变片贴于金属悬臂梁上时，应注意保证悬臂梁上应变片贴的位置干净切平滑，然后使用502将应变皮贴于金属悬臂梁的对称轴上，一面对应的贴两块，表示一正一负。

2.2 数据显示单元设计

显示器选择的方案有LED数码管，点阵式LCD显示屏两大类。其中LED数码管显示清晰度高、视角大、电路结构简单，但是所能显示的信息较少，不能满足一些地方需要显示汉字的要求。点阵式的LCD显示屏，视角小、电路结构简单，且能显示的信息较大，所以在此，本设计选择了可显示4行汉字的带背光功能的点阵式LCD显示屏作为系统操作信息的输出窗口。

2.3 按键单元设计

在此系统中需要用到按键来作为人机交互。按键在和MCU通信的过程，可分为独立按键和矩阵按键。使用独立按键，电路简单，操作方便，但由于独立按键的特性，一个按键就需要一个I/O接口，考虑到本设计需要用到的按键较多，所以使用4×4的矩阵按键来作为人机交互控制。4×4矩阵键盘共16颗按键，只需要使用到8个IO接口进行逐一扫描就能判别出具体是那颗按键被按下。

2.4 稳压单元设置

稳压单元是通过三端稳压芯片来将电池的12 V电压各降到5 V，其中涉及了2个独立的+5 V，一个专门给系统供电，另一个提供信号采集部分。

2.5 称重程序设计

如图1所示，在此程序里可以实现称重显示，在显示称重界面时候如果有相应功能按键被按下，那将会默认先处理对应按键事件。

2.6 数据处理程序设计

由于系统测量出来的数据之间有存在一些误差，所以对出具进行了相应的分析，并进行了数据的算法处理，最后使测量的数据误差小于0.05 g之内，具体算法流程，如图2所示。

3 系统测试与误差分析

3.1 测试方法

（1）硬件模块测试：本系统由电源部分、称重传感器电路模块、矩阵键盘模块、声光报警模块、MCU最小系统测试、LCD液晶模块，所以要调试以上模块。使用MCU和相对应模块程序单一进行模块功能测试。

（2）软件模块测试：将软件结合相应的硬件模块采用自下而上的调试方法，先进性模块测试程序的调试，待全部通过之后，将所有软件程序整合起来，最后进行整体调试。

在称重系统启动自校准之后，若显示的值不为0，可通过去皮按键将称重值清零。将待测物品放置于称重装置上，LCD液晶显示器上将显示被测物体重量，同时可通过按键设单价，如输入单价将自动算出金额并显示在LCD液晶屏上。在LCD液晶屏上可显示操作员名称。当单价没有被设置时，没有放置物体称重，过10s时间将显示时间和日期界面，如有按键按下或者有物体称重时，系统将自动跳入称重界面，显示称重的重量。

3.2 测试数据

将1～500 g的砝码分别放到此设计称重传感器装置上进行重量测量并记录，分别测量3次，最后取三次测量结果的平均值。如测量结果之间误差大于0.05 g，将从新测量并记录数据。

测量数据对比，如表1所示：

3.3 測试对比数据

线性在进行非线性误差拟合之前和进行线性补偿之后的测试对比如图3所示。

4 结束语

由于系统使用的是应变片来组成的全桥电路，经过系统初步测量得出的数据和要求相差较大，但当使用了算法对数据进行了线性拟合之后，发现数据与实际只有很小的偏差，但为了使这偏差为零，又再次使用了非线性补偿，最后才使得数据稳定可靠。在称重为2.00～500 g之间，称重误差要求小于0.50 g，具有去皮功能，去皮范围不超过50 g，并且可以设置单价（元/g），可计算物品金额并实现金额累加、报警和语音等相应功能。

参考文献

[1] 杜路泉.基于单片机的电子秤设计与制作[J].太原学院学报（自然科学版），2020，38（2）：34-38.

[2] 李宏伟.基于MSP432的高精度质检秤设计[J].通信电源技术，2020，37（1）：109-111.

[3] Xing Hong Kuang，Zhe Yi Yao，Zhe Yi Yao，et al. High Precision Electronic Scale Design Based on MCU.2013，2748：616-619.