姚樹坤　倪曉昌　楊旭　李莉　張琦

摘要：電子元器件作為工科類學校實訓器件，其種類繁多并且體積較小，所以存在準確和快速選取的難題。因此，設計制作高精度電子稱，實現(xiàn)對電子元器件的精確稱重和智能計數(shù)具有重要的應用價值。高精度電子稱設計主要包括外觀結構設計、硬件電路連接設計和軟件編程設計三個部分。外觀結構設計，需要使稱重壓力傳感器與秤盤連接結構合理，保證稱重壓力傳感器采集到的物體重量數(shù)據(jù)準確和穩(wěn)定；硬件電路連接設計，主要使用STC12C5A60S2單片機作為邏輯關系和相關數(shù)據(jù)的處理核心，結合電源電路設計、稱重壓力傳感器模塊、A/D轉換模塊、獨立按鍵模塊和LCD液晶顯示模塊完成制作；軟件編程設計，則以KEIL軟件作為編程平臺，C語言知識作為基礎，完成該設計的軟件編程部分，確保該設計的邏輯關系和數(shù)據(jù)處理的正確性。設計最終實現(xiàn)對電子元器件的稱重誤差小于0.2 g，能夠對稱重結果實時顯示，同時加入手動清零等功能。

關鍵詞： STC12C5A60S2； 電子稱； 計數(shù)； 稱重

中圖分類號： TP391

文獻標志碼： A

文章編號： 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學生實踐能力的培養(yǎng)，實踐課程的普設將導致實驗材料的大幅度增加，尤其是電子類實訓課程中，因為電子元器件種類繁多并且體積較小，所以領取時要保證元器件留有余量，還不會造成浪費就比較困難。因此，實現(xiàn)元器件快速和準確領取就尤為重要。

針對上述問題，使用STC12C5A60S2單片機設計制作高精度電子稱。該設計中使用高精度稱重壓力傳感器模塊作為物體重量采集器件，將采集信息通過A/D轉換模塊進行模擬量到數(shù)字量的轉換。完成轉換后，再使用單片機進行相關數(shù)據(jù)處理，結合LCD液晶顯示模塊完成物體重量信息的顯示[1]。本次制作，主要設計出體積小巧輕便，并且具有器件智能識別、準確稱量和智能計數(shù)功能的高精度電子稱。[JP]

1研究設計方案

1.1設計目標

本設計使用STC12C5A60S2單片機作為邏輯和數(shù)據(jù)處理器件，結合稱重壓力傳感器模塊等設計一款方便使用、測量準確的高精度電子稱。具體實現(xiàn)功能如下：endprint

1）能夠智能識別電子元器件種類，對不同種類元器件提出相關稱重建議。

2）能夠精確測量，液晶顯示測量值精確到0.01 g。并設計稱重狀態(tài)檢測功能，超出稱重量程則報警提示，防止超量稱重。

3）稱重范圍設計在0～700 g，在整個測量范圍內，保證測量誤差小于0.2 g，完成對電子元器件的精確稱重。

4）能夠在稱重范圍內實現(xiàn)手動清零功能，保證電子稱稱重信息的準確。

1.2系統(tǒng)整體設計方案

本次設計，以單片機作為控制核心，結合稱重壓力傳感器模塊、A/D轉換模塊、獨立按鍵模塊、電源電路模塊和LCD液晶模塊完成。該設計的整體框架如圖1所示。

1.3高精度電子稱設計原理

高精度電子稱設計主要為了完成對電子元器件的精確稱重。整個過程分為物體重量信息采集、A/D轉換、數(shù)據(jù)處理和液晶顯示輸出。設計中使用懸臂梁式稱重壓力傳感器作為物體重量信息采集傳感器，實現(xiàn)對物體重量的精確采集。該傳感器是利用應變片的電阻值受力改變的特點，將應變片和力敏型彈性元件相結合，把力敏型彈性元件受力產(chǎn)生的形變轉換為電阻阻值的改變。當物體放到秤盤中時，力敏型彈性元件發(fā)生形變，同時改變應變片的阻值，再將該變化轉換為電壓的該變。電壓值變化之后，將這個變化的電壓進行放大處理，進行相應的轉換，再將這個數(shù)據(jù)傳遞給單片機，單片機進行該數(shù)據(jù)的處理分析。將這個電壓的變化進行運算后，換算成為物體的重量信息，使用結晶屏進行顯示。實現(xiàn)對物體重量稱重的整個過程。

2硬件電路設計

硬件電路設計是整個系統(tǒng)正常工作的基礎。該設計主要使用STC12C5A60S2單片機作為邏輯關系和數(shù)據(jù)處理中心，利用稱重壓力傳感器采集物體重量信息，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉換模塊完成數(shù)據(jù)轉換。轉換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機進行處理運算，得到該稱重物體的重量，再使用液晶進行顯示。整個稱重過程中，若出現(xiàn)超重現(xiàn)象，則使用蜂鳴器進行報警設計，提示使用者，避免對電子稱造成破壞。并且在使用過程中，操作者能夠選擇獨立按鍵進行器件種類的選擇和清零功能。下面詳細介紹該設計中主要的硬件電路組成。

2.1單片機最小系統(tǒng)

單片機是本設計的核心控制器件，具有極其重要的作用。因此，在選用單片機時，需要對單片機的速率以及內部資源等條件進行綜合考慮。該設計中使用STC12C5A60S2單片機，是新一代8051單片機，使用起來比傳統(tǒng)8051單片機速度快8～12倍，并且擁有更多的內部資源，完全替代傳統(tǒng)8051單片機[1]。所以綜合考慮本設計需求，使用體積更小的貼片式STC12C5A60S2單片機，這樣能夠有效減小電路板尺寸，更符合高精度電子稱的結構設計要求。貼片式STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)電路原理如圖2所示。

2.2稱重壓力傳感器的選擇分析

稱重壓力傳感器需要完成對物體重量信息的采集，因此對稱重壓力傳感器的結構和精度都有一定的要求。本設計中選擇懸臂梁式壓力傳感器，不僅便于電子稱結構的設計，而且其精度較高，抗偏載能力較強，適合電子稱設計使用[2]。該傳感器是利用應變片的電阻值受力改變特點，將應變片和力敏型彈性元件相結合，把彈性元件受力產(chǎn)生的形變轉換為電阻阻值的變化。臂梁式稱重壓力傳感器受力原理如圖3所示。

將應變片以電橋的方式進行連接，力敏型彈性元件的形變將轉換成為電阻阻值的變化，使用電橋電路結構將電阻值的變化轉換為電壓的變化，這樣只需要對輸出電壓進行采集，再使用A/D轉換模塊和單片機進行采集數(shù)據(jù)的處理即可[3]。使用稱重式壓力傳感器測量物體重量時，電橋的4個臂上應變片都參與機械變形，在同一溫度中，應變片之間的溫度影響相互抵消，提高稱重壓力傳感器的靈敏度。稱重壓力傳感器電橋連接方式如圖4所示。

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2.3A/D轉換模塊的選擇與分析

使用稱重壓力傳感器采集到相應的信息后，則需要進行數(shù)據(jù)轉換，進而計算分析出物體的重量。而A/D轉換模塊，則是完成模擬量到數(shù)字量轉換的重要工具，所以A/D轉換模塊的選擇對該設計至關重要。

設計中選擇HX711電子稱專用A/D轉換模塊，與其它A/D轉換模塊相比，該模塊中設計有24位A/D轉換器芯片，并且該模塊將使用到的外圍電路進行集成，確保該模塊在使用中的穩(wěn)定性和可靠性。模塊的通道A設計增益為128和64，可以自由選擇，方便設計者使用[5-8]。該模塊與稱重壓力傳感器及單片機的電氣連接關系都較為簡單，方便硬件電路設計。

2.4獨立按鍵模塊和蜂鳴器報警電路設計

獨立按鍵模塊作為設計的組成部分，主要完成對稱量器件種類的選擇，以及清零等功能，因此在設計中必不可少。而蜂鳴器報警電路，則需要完成超重報警功能，為更好使用電子稱提供可靠保障。

使用以上器件進行電路設計，完成整個設計實物搭建，實物如圖5所示。

3軟件編程調試與分析

本設計中使用KEIL軟件作為編程平臺，結合C語言知識，進行系統(tǒng)的邏輯關系和數(shù)據(jù)處理，讓整個系統(tǒng)正常有序地工作。高精度電子稱作為電子元器件稱量裝置，需要實現(xiàn)對稱重元器件種類的選擇，并能夠精確稱量等功能。在這個過程中，包括基本邏輯處理和大量數(shù)據(jù)運算。程序流程中，描述了系統(tǒng)工作的基本過程，給出信號的流向，由此可得軟件程序流程如圖6所示。

4系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析

4.1系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析

將整個電子稱系統(tǒng)設計完成后，對電子稱進行稱重測試。在測試中發(fā)現(xiàn)，在不同測量范圍內存在的誤差值也不一樣。在硬件設計的基礎上，使用軟件編程進行數(shù)據(jù)優(yōu)化處理。首先將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行均值濾波處理，提取測量中10個數(shù)據(jù)進行平均運算，得到10個數(shù)據(jù)的平均值[9]。然后使用分段修正的方法，使用砝碼進行多次測量試驗，得到相關測量修正數(shù)據(jù)，加入到軟件程序中，對稱重結果輔助修正[10]。使用砝碼測試結果如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，測試結果均在誤差范圍內。endprint

在保證測量精度的前提下，使用電子器件進行稱重測試，分別使用三端穩(wěn)壓芯片和電阻器件進行稱重測試，并對稱重結果進行分析，繪制折線圖如圖7和圖8所示。

由以上2幅圖可以看出，在對電阻元件的稱重和三端穩(wěn)壓芯片的稱重測試中，其折線圖都呈現(xiàn)很好的線性度。確保了在元器件稱重過程中的結果準確性，從而完成對元器件快速選取。

4.2誤差分析與改進

高精度電子稱使用過程中，首先需要確保壓力傳感器采集到的物體重量數(shù)據(jù)信息準確，之后在A/D轉換的過程中，保證數(shù)據(jù)的處理正確，最后則使用液晶顯示相關數(shù)據(jù)[11]。因此，在整個制作過程中，設計以下改進方案：

1）使用高精度懸臂梁式壓力傳感器，并使用24位A/D轉換模塊HX711進行設計，保證稱重過程的數(shù)據(jù)穩(wěn)定和準確。

2）優(yōu)化程序設計，在均值濾波的基礎上，加入輔助修正系數(shù)進行調節(jié)，保證測試數(shù)據(jù)的精確。

[LL]

3）測量過程中，存在累積誤差，因此在設計中加入清零按鍵，使用按鍵清除累積誤差，保證測量精度[4]。

4）電子稱使用過程中，如果超重測量，不但測量結果不準確，而且會對電子稱造成損壞。因此設計中加入超重報警功能，保證電子稱使用安全。

5結束語

在整個高精度電子稱的設計過程中，無論是硬件電路設計還是軟件編程設計，都進行多次修改。經(jīng)過測試分析后，實驗結果證實該設計在稱重范圍內誤差小于0.2 g，滿足精確稱重的要求。并使用液晶屏顯示稱重結果，使用方便。在設計中加入手動清零功能按鍵，保證每次稱重的準確性。由此可以看出該設計具有精度高、線性度好、使用方便等眾多特點。

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