采用PE-2型壓力傳感器，以單片機(jī)STC89C51RD為核心，液晶LCD1602為顯示模塊，設(shè)計(jì)了 —種便攜式電子秤。PE-2傳感器采集的數(shù)據(jù)送24位AD轉(zhuǎn)換芯片HX711，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送到單片機(jī) STC89C51RD處理，并由LCD1602顯示。軟件采用功能模塊化設(shè)計(jì)，通過主程序調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)各功能。

0.引言

稱重技術(shù)是工業(yè)控制系統(tǒng)的重要組成部分，它 起到了改善經(jīng)營管理、降低能耗和提高產(chǎn)品質(zhì)量等 作用。電子秤是將傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和信息 處理技術(shù)等融為一體的一種新型智能計(jì)量設(shè)備，與 傳統(tǒng)機(jī)械秤比較，電子秤具有重量輕、體積小、價(jià)格 低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、維護(hù)方便和實(shí)用價(jià)值強(qiáng)等 優(yōu)點(diǎn)。目前，電子秤廣泛應(yīng)用于科研、工農(nóng)業(yè)、內(nèi) 外貿(mào)易等各個(gè)領(lǐng)域。在此，在考慮性價(jià)比和精度 的前提下設(shè)計(jì)一款便攜式電子秤。

1.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件以單片機(jī)為核心，外圍主要有傳感器模塊、電源模塊，鍵控電路和顯示電路。其中，數(shù)據(jù) 采集模塊由壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換部分 組成，壓力傳感器采集的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送給控制 器處理，由控制器完成對(duì)該被測(cè)數(shù)據(jù)的處理，按鍵 掃描和驅(qū)動(dòng)顯示模塊。在設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮到實(shí)用 性及成本的可行性的前提下，設(shè)計(jì)完成了的電子秤 方案，系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.1數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包括傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其 中，傳感器選用PE-2型稱重傳感器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器選 用A/D轉(zhuǎn)換器芯片HX711。

1. 1. 1 PE-2型稱重傳感器

系統(tǒng)采用PE-2型稱重傳感器，其量程有1? 100 kg可選。PE-2型傳感器在制作時(shí)已通過四角 調(diào)整，其在規(guī)定的受載平面內(nèi)各點(diǎn)輸出一致，其內(nèi) 部采用惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，工作時(shí)信號(hào)不受導(dǎo)線的分 布電容和各元件的影響，以及溫度變化的影響，具 有抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。 圖2中虛線框內(nèi)為PE-2型稱重傳感器，其為橋路結(jié) 構(gòu)，橋路4只應(yīng)變片貼在懸臂梁上。工作過程：當(dāng)被 測(cè)重量作用于懸臂梁使其變形，貼在懸臂梁上的應(yīng) 變片同步變形，阻值隨之變化，橋路輸出與被測(cè)重 量成正比的電壓。橋臂每個(gè)應(yīng)變片阻值變化ARt《 尺，初始值只1 = R2 = R3 = R4，且電橋輸出電阻無 窮大時(shí)，電橋輸出電壓U0為：

 式（1)只要滿足2個(gè)橋臂阻值增大，另2個(gè)橋臂 阻值減小即可，從式（1)可知，橋路輸出電壓與應(yīng)變 電阻值變化呈線性關(guān)系。

1.1.2 A/D轉(zhuǎn)換芯片選擇

PE-2型傳感器輸出經(jīng)放大器放大后達(dá)到標(biāo)準(zhǔn) 信號(hào)（4?20 mA，1?5 V)后，需要經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換送單 片機(jī)。為了提高測(cè)量精度，系統(tǒng)采用HX711型模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片，HX711是一款電子秤專用24位的 高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片。該芯片內(nèi)部集成片內(nèi)時(shí) 鐘振蕩器、穩(wěn)壓電源等，具有響應(yīng)速度快、抗干擾性 強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。HX711使用簡(jiǎn)單，芯片內(nèi)部的寄存器 不用編程。其內(nèi)部含有可編程低噪聲放大器，直接 與輸入選擇開關(guān)連接，選擇開關(guān)對(duì)應(yīng)A、B 2個(gè)通 道，根據(jù)需要可任選通道。A通道可編程增益有 128或64兩檔；B通道只有64 -檔。芯片HX711 內(nèi)部電源可以直接向外部傳感器提供電源，芯片內(nèi) 含有時(shí)鐘振蕩電路，直接使用無需外接元件。PE- 2、HX711芯片與單片機(jī)間接口電路如圖2所示。

1.2電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)各功能模塊所需供電電壓均為5 V電壓，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性，使用方便，采用獨(dú) 立電源供電方式。9V高能電池儲(chǔ)能量大，使用周 期長，其經(jīng)三端穩(wěn)壓器件LM7805作為系統(tǒng)電源 的穩(wěn)壓器件，以保證系統(tǒng)電壓為穩(wěn)定的直流5 V 電壓。電源輸出接口加上LED電源指示燈，用來 判定電源是否正常工作。該系統(tǒng)電源電路如圖3 所示。電路中LED用作電源指示，其亮滅代表電 源工作與否,R為1 kf!，起限流作用，以保證LED 不被燒壞。

1.3單片機(jī)控制模塊

考慮到功耗及成本因素，選用STC89C51RD單 片機(jī)為處理核心。STC89C51RD構(gòu)成的最小系統(tǒng) 如圖4所示，其以STC89C51RD為核心，包含晶振 模塊和復(fù)位。系統(tǒng)晶振模塊選用12 MHz石英晶 振，晶振并聯(lián)2個(gè)30pF電容，起快速起振和穩(wěn)定頻 率作用，該電路為單片機(jī)提供時(shí)鐘脈沖。復(fù)位電 路是用來讓單片機(jī)處理器返回到初始狀態(tài)的輔助 電路，由10 uF電容、.7 歐姆電阻和按鍵S構(gòu)成，系 統(tǒng)可通過上電復(fù)位也可通過按鍵復(fù)位。當(dāng)系統(tǒng)出 現(xiàn)死機(jī)或程序跑飛時(shí)，通過復(fù)位電路讓系統(tǒng)重新工 作。本系統(tǒng)采用復(fù)合復(fù)位，可按鍵復(fù)位也可上電復(fù) 位。單片機(jī)STC89C51RD的P1. 0、P1. 1端口為 A/D芯片HX711預(yù)留，P0、P2. 5?P2. 6為液晶 LCD1602 預(yù)留。

1.4液晶顯示模塊

在單片機(jī)智能系統(tǒng)中，LCD1602 —種常用液晶 顯示模塊，其功耗低、壽命長、性能穩(wěn)定。

LCD1602主要技術(shù)參數(shù)：顯示容量，16X2個(gè)字 符；芯片工作電壓為4. 5?5. 5 V;工作電流為2. 0mA(5. 0 V)模塊最佳工 作電壓為5. 0 V;字符尺 為 2. 95 mm X 4. 35 mm (WXH )。LCD1602 使 用極為方便，其管腳分為 控制端口、數(shù)據(jù)端口、調(diào) 整端口和電源端，其中調(diào) 整端口需外接10 k歐姆電 位器，通過電位器調(diào)節(jié)顯 示字符亮度。LCD顯示圖5 LCD1602接口電路

模塊接口電路如圖5所示。

1.5超重報(bào)警電路

為了防止稱重測(cè)量超出范圍損壞傳感器，設(shè)置了 超限值報(bào)警提示。報(bào)警指示電路如圖6所示。當(dāng)稱重 超限時(shí)，在STC89C51RD的P2. 0端口產(chǎn)生低電平0，加 在由三極管9012(PNP型)基極上，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，使其產(chǎn) 生報(bào)警聲；當(dāng)稱重在安全范圍內(nèi)，在STC89C51RD的 P2.0端口產(chǎn)生低電平1，加在由三極管9012(PNP型） 基極上，三極管截止，蜂鳴器不發(fā)聲。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用了模塊化結(jié)構(gòu)，軟件主要分為主 程序和子程序。子程序含有毫秒級(jí)延時(shí)子函數(shù)、 模/數(shù)數(shù)據(jù)采集子函數(shù)、軟件濾波子程序和LCD顯 示子函數(shù)。系統(tǒng)主函數(shù)流程如圖7所示。單片機(jī)上 電后，系統(tǒng)首先自檢初始化，并完成系統(tǒng)變量定義 和變量賦地址等，運(yùn)行中先調(diào)用模/數(shù)轉(zhuǎn)換子函數(shù)， 將模/數(shù)采集的24位二進(jìn)制串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn) 制，然后系統(tǒng)標(biāo)定和調(diào)零，調(diào)用LCD顯示子函數(shù)（將 對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送對(duì)應(yīng)的地址顯示）。

壓力傳感器采集輸出的信號(hào)為微弱信號(hào)，易受 到外界因素的干擾。多種誤差綜合影響系統(tǒng)測(cè)量 精度，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了這些造成誤差的因素。在進(jìn)行 軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通過補(bǔ)償系統(tǒng)誤差，進(jìn)一步提高系統(tǒng) 精度。方法是將采集的數(shù)據(jù)先取10個(gè)值進(jìn)行累加， 計(jì)算出平均值，將每次所得的數(shù)據(jù)替換已有的數(shù) 據(jù)，并重新計(jì)算平均值，最后所得到的值，即為需要 顯示的真實(shí)值。

3.系統(tǒng)測(cè)試

在進(jìn)行標(biāo)定的過程中，首先需要1組砝碼作為 基準(zhǔn)。依次增大砝碼的質(zhì)量，使砝碼的重心在傳感 器測(cè)試區(qū)的中心。待顯示值穩(wěn)定后，記下顯示值。 通過多次重復(fù)測(cè)量并記錄砝碼的實(shí)際重量和系統(tǒng) 所測(cè)量的值，砝碼由輕到重一次連續(xù)增加，不要進(jìn) 行中途撤去砝碼。由于PE-2型稱重傳感器靈敏度 較高，為避免裝置振動(dòng)造成的誤差，傳感器在水平 方向必須固定牢靠。另外，傳感器的引線也很靈 敏，稍微觸動(dòng)一下，也會(huì)產(chǎn)生誤差。由表1測(cè)量數(shù)據(jù) 可知，系統(tǒng)最大相對(duì)誤差小于0. 4%。

4.結(jié)束語

采用單片機(jī)技術(shù)與傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了電子 秤，使其整體重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用簡(jiǎn)便。 經(jīng)測(cè)試表明，系統(tǒng)具有可靠性高、準(zhǔn)確度高、抗干擾 能力強(qiáng)和成本低等優(yōu)點(diǎn)，可在家用、商用和實(shí)驗(yàn)室 等各種場(chǎng)合推廣應(yīng)用。