，，

(榆林學(xué)院能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著電子產(chǎn)品的日益豐富，智能型稱重器已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?。為了維護(hù)消費(fèi)者的權(quán)益，同時(shí)保障商家的利益，智能型稱重器的精度高低是一個(gè)至關(guān)重要的因素[1-2]。因此設(shè)計(jì)一款精準(zhǔn)的智能型電子稱重器尤為重要，使用智能型稱重器不僅可以節(jié)省時(shí)間、提高工作效率，而且能提高物品測(cè)量精度，且便于讀取[3-4]?；诘凸牡腗SP430微控制器，采用雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式稱重傳感器、高精度的HX711系列A/D轉(zhuǎn)換器等模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換功能，結(jié)合模塊化程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一種功耗低、功能多且精度高的智能秤設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

高精度多功能的智能稱重器主要硬件電路有MSP430主控制器和數(shù)據(jù)采集模塊等、并設(shè)計(jì)了前端信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，配有矩陣式鍵盤掃描輸入、LCD實(shí)時(shí)顯示、語(yǔ)音同步播報(bào)等輔助電路，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 MSP430主控制器

MSP430F149微控制器是16位超低功耗混合信號(hào)處理器。它在一個(gè)芯片上集成了具有許多種不同功能的數(shù)字電路、微處理器以及模擬電路，且具有幾種低功耗模式，切換迅速，減小系統(tǒng)空間和功耗問(wèn)題[5-6]。不但具有強(qiáng)大的內(nèi)部處理功能，而且具有較快的運(yùn)算速率，工作電壓主要是3.3 V。

1.2 數(shù)據(jù)采集處理模塊

采用抗偏載力強(qiáng)的雙孔懸臂平行梁式應(yīng)變稱重傳感器，其尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快、使用范圍廣[7]。用橋式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，將重量等非電量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，線性度好，靈敏度高。經(jīng)測(cè)得的重量信號(hào)經(jīng)24位的高精度HX711模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。HX711，專用高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片,其內(nèi)嵌穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等[8]，避免設(shè)計(jì)同類型芯片所需的外圍電路，降低系統(tǒng)功耗，節(jié)省成本，縮小空間。且內(nèi)部寄存器不需編程，數(shù)據(jù)傳輸速率高，同時(shí)可抑制一定頻率的電源干擾，提高測(cè)量精度。此外它的電流極小，斷電電流小于1μA，最低工作電壓為2.6 V，最高工作電壓為5.5 V，工作溫度范圍為-20～+85 ℃。

1.3 鍵盤輸入與顯示播報(bào)模塊

主控制器MSP430將轉(zhuǎn)換后的稱重信息，根據(jù)重量與電壓之間的換算關(guān)系，處理成實(shí)際測(cè)量值，并根據(jù)鍵盤輸入的單價(jià)、累計(jì)等操作指令，分析計(jì)算成對(duì)應(yīng)的數(shù)值，由LCD12864液晶實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)采用廣州唯創(chuàng)電子有限公司和臺(tái)灣華邦聯(lián)合開發(fā)的語(yǔ)音芯片WT588D進(jìn)行同步播報(bào)，其音質(zhì)好、功能強(qiáng)、穩(wěn)定性能好。

2 硬件主要電路設(shè)計(jì)

2.1 稱重傳感器工作原理

本設(shè)計(jì)采用雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式稱重傳感器作為信號(hào)數(shù)據(jù)采集單元，機(jī)械壓變信號(hào)以電阻率的變化形式體現(xiàn)，而微小電阻率的變化可通過(guò)橋式測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成可供控制器處理的電壓或電流信號(hào)，從而測(cè)量重量較輕的物體。其橋式結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，4個(gè)電阻R1，R2，R3，R4分別粘貼在懸臂梁上。其主要工作為：當(dāng)壓力F作用在懸臂梁時(shí)，彈性元件由于壓力而變形，并且上表面的應(yīng)變片R2，R3由于受到拉力產(chǎn)生拉伸變形，變形量分別為ΔR2和ΔR3，而下表面的應(yīng)變片R1，R4由于受到壓力產(chǎn)生壓縮變形，變形量分別為ΔR1，ΔR4，則有：

Ug=E[(R1+ΔR1)(R4+ΔR4)-(R2+

ΔR2)(R3+ΔR3)]/[(R1+ΔR1+R2+

ΔR2)(R3+ΔR3+R4+ΔR4)]

(1)

本設(shè)計(jì)使用4個(gè)相同材料、相同阻值的應(yīng)變片，即當(dāng)R1=R2=R3=R4=R時(shí)，稱為等臂電橋。

Ug=E[R(ΔR1-ΔR2-ΔR3+ΔR4)+

ΔR1ΔR4-ΔR2ΔR3)]/[(2R+ΔR1+

ΔR2)(2R+ΔR3+ΔR4)]

(2)

一般情況下，ΔRi(i=1，2，3，4)很小，即R?ΔRi，略去式(2)中的高階微量，并利用公式ΔR/R=Kεx可得：

(3)

Ug為電橋輸出電壓；E為供電電壓；ΔR為電阻變化量；R為等臂電阻；ε為應(yīng)變。

通過(guò)式(3)即計(jì)算與電阻變化相對(duì)應(yīng)的電壓變化，經(jīng)換算即可知道實(shí)際受到的壓力。且從上述可知，該橋路的電壓輸出Ug與ΔR1，ΔR2，ΔR3，ΔR4的變化成線性關(guān)系。

圖2 應(yīng)變式稱重傳感器

2.2 ADC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

由雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式稱重傳感器獲得的電壓信號(hào)，需經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后送入主控制器MSP430F149。為了提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，采用高精度HX711轉(zhuǎn)換芯片，如圖3所示。1號(hào)(VSUP)引腳和16號(hào)(DVDD)引腳共用一個(gè)3.3 V電源，稱重傳感器的1，2引腳為信號(hào)輸出，從1號(hào)引腳連一個(gè)電阻R38，再連接到HX711芯片的8號(hào)(INPA)引腳，稱重器的2號(hào)引腳連接到芯片的7號(hào)(INNA)管腳，進(jìn)行信號(hào)傳輸，并且這2條信號(hào)線中間按如圖示連接一個(gè)電容C7，起到濾波作用。稱重傳感器的4號(hào)引腳為電源端，通過(guò)HX711芯片的3號(hào)(AVDD)引腳相連，HX711芯片將收到的模擬信號(hào)從2號(hào)、6號(hào)模擬輸出引腳連接到放大三極管Q28550兩端，當(dāng)三極管基極電壓大于導(dǎo)通電壓時(shí)，便導(dǎo)通了電流，處于放大狀態(tài)，電阻R5和R66上便有了電流通過(guò)。其中2個(gè)電容C7和C5起到濾波作用。經(jīng)放大后的模擬信號(hào)通過(guò)HX711的4號(hào)模擬輸入引腳傳至芯片內(nèi)部，經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換。引腳9，10與引腳14，15都接地。將HX711芯片的串口時(shí)鐘輸入口11號(hào)由單片機(jī)的P2.1提供，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)12號(hào)輸出到單片機(jī)P2.2口，供主控制器分析和處理。從而實(shí)現(xiàn)稱重信號(hào)的放大和A/D轉(zhuǎn)換，并輸入至單片機(jī)芯片等功能。

圖3 HX711轉(zhuǎn)換電路

2.3 矩陣鍵盤電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的鍵盤有8條端口線，其中，P1.0，P1.1，P1.2，P1.3共4條端口線分別為行線；P1.4，P1.5，P1.6，P1.7共4條端口線分別為列線，形成4×4矩陣鍵盤，可配置S9～S24共16個(gè)按鍵。其中，鍵S16到S7分別對(duì)應(yīng)稱量鍵盤上的數(shù)字輸入鍵0～9，其功能是輸入被稱量物體的單價(jià)；按鈕S6對(duì)應(yīng)于稱量器鍵盤上的清除按鈕，其功能是清除之前輸入的單價(jià)。按鈕S5對(duì)應(yīng)于稱量器鍵盤上的皮重按鈕；當(dāng)秤上的物體被確認(rèn)為皮重時(shí)，按下去皮鍵S5，重量則顯示為零，這相當(dāng)于零設(shè)定功能；按鈕S4對(duì)應(yīng)于第1次評(píng)估的結(jié)果，即總價(jià)格，并且語(yǔ)音通知將同時(shí)進(jìn)行；按鈕S3對(duì)應(yīng)于稱量器鍵盤上的累計(jì)按鈕，其功能是累計(jì)多次測(cè)量的總量，按S3累計(jì)計(jì)算一次價(jià)格并同步語(yǔ)音通知。該矩陣鍵盤的行線通過(guò)+3.3 V連接到上拉電阻，該上拉電阻可為高阻抗輸入提供一個(gè)穩(wěn)定的高電平，當(dāng)沒(méi)有按鍵按下時(shí)，行線顯示為高電平，并且行線和列線會(huì)斷開。

2.4 顯示與語(yǔ)音播報(bào)電路

2.4.1 顯示電路

在MSP430F149控制器處理完經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束的數(shù)字信號(hào)后，需要將這些相關(guān)信息發(fā)送至LCD12864顯示屏進(jìn)行顯示，本系統(tǒng)使用的是串行接口，引腳RS代表指令/數(shù)據(jù)選擇端，當(dāng)RS置1時(shí)，D0～D7代表顯示數(shù)據(jù);當(dāng)RS置0時(shí)，D0～D7代表顯示指令數(shù)據(jù)。讀寫選擇端是引腳RW，當(dāng)RW置1時(shí)，數(shù)據(jù)被讀到D0～D7，當(dāng)RW置0時(shí)，數(shù)據(jù)從D0～D7寫出。由VL引腳接一個(gè)滑動(dòng)變阻器，另一端與GND引腳共用一個(gè)地，滑動(dòng)變阻器起到限流的作用，將顯示屏的引腳RW讀寫選擇端連接到單片機(jī)的P6.0(A0)，將顯示屏的EN使能信號(hào)端引腳與芯片的P6.1(A1)相連。

2.4.2 語(yǔ)音播報(bào)

本設(shè)計(jì)包含了語(yǔ)音播報(bào)功能，當(dāng)系統(tǒng)計(jì)算出總價(jià)和每次累計(jì)金額的時(shí)候，每計(jì)算累計(jì)1次，語(yǔ)音播報(bào)模塊播報(bào)1次。語(yǔ)音芯片WT588D支持6～22 kHz的音頻加載，可以幾乎完全顯示加載的音頻音質(zhì)[9-10]。其引腳GND接地，NC/VCC連接到電源，將引腳D1連接到430單片機(jī)的P4.0(TB0)口，將引腳D2連接到430單片機(jī)的P4.1(TB1)口，將引腳D3連接到P4.2(TB2)口，且通過(guò)8550三極管進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)的兩級(jí)放大，由控制器的P5.1控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序是本系統(tǒng)控制程序的主體框架，主要目的是實(shí)現(xiàn)各子程序的調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)功能。圖4為系統(tǒng)主流程圖。在本程序中，打開電源，初始化顯示器、時(shí)鐘，然后稱重器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)HX711轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電路將信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制結(jié)果換算成BCD碼并保存；與此同時(shí)，進(jìn)行程序預(yù)處理，用于判斷去皮、清除、累加3個(gè)按鍵是否按下，若有鍵按下，則執(zhí)行相應(yīng)的去皮、清除和累加函數(shù)程序，若不是，則直接返回鍵盤；掃描鍵盤，接收單價(jià)信息，由主控制器分析單價(jià)、重量等信息，進(jìn)行計(jì)算總金額，并儲(chǔ)存；將計(jì)算出的重量、單價(jià)、金額等信息由LCD12864實(shí)時(shí)顯示，為了便于讀取，進(jìn)行語(yǔ)音同步播報(bào)。應(yīng)變式稱重傳感器輸出信號(hào)較弱，容易受到外界干擾，影響測(cè)量精度。為了避免不必要的因素影響整機(jī)測(cè)量的準(zhǔn)確性，在軟件設(shè)計(jì)中，采用了一定的數(shù)字濾波算法，對(duì)10次重量信息連續(xù)測(cè)量，結(jié)合MSP430高速處理能力，去掉最大與最小的數(shù)值，取剩下的8次數(shù)據(jù)的平均值，作為當(dāng)前稱重結(jié)果，這樣提高了系統(tǒng)的測(cè)量穩(wěn)定性，降低了系統(tǒng)干擾引起的測(cè)量誤差。

此外，在系統(tǒng)時(shí)鐘問(wèn)題上，采用內(nèi)部定時(shí)器的比較模式來(lái)提高，降低了由于引入時(shí)鐘芯片帶來(lái)的功耗；最后，MSP430具有的5種低功耗模式，喚起迅速，故本設(shè)計(jì)采取系統(tǒng)不工作時(shí)進(jìn)入休眠模式，工作時(shí)，進(jìn)入正常模式的間歇模式，進(jìn)一步降低整機(jī)功耗。

圖4 主流程

4 系統(tǒng)測(cè)試

結(jié)合上述硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，搭建系統(tǒng)實(shí)物，如圖5所示。采用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)砝碼作為本次測(cè)試機(jī)的基準(zhǔn)，依次增大砝碼重量，并置于稱重傳感器的中心，每次待液晶屏上的數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，多次重復(fù)測(cè)量，記錄砝碼標(biāo)稱值和系統(tǒng)測(cè)量值，數(shù)值如表1所示。由表1可知，系統(tǒng)誤差穩(wěn)定在0.2‰左右。

圖5 系統(tǒng)實(shí)物

標(biāo)準(zhǔn)砝碼/g測(cè)量數(shù)據(jù)/g相對(duì)誤差/‰1001020.22002040.24004080.26006120.28008170.211 0001 0210.21

5 結(jié)束語(yǔ)

以MSP430F149單片機(jī)為控制核心，采用雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式稱重傳感器及高精度HX711模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，制作的智能稱重器，其精度高、功耗低，響應(yīng)快、抗干擾性好及使用便捷等特點(diǎn)，且具有去皮/清除/累加按鍵、LCD12864實(shí)時(shí)顯示并語(yǔ)音同步播報(bào)等多種功能，測(cè)試范圍1 kg，相對(duì)誤差在0.2‰左右。經(jīng)樣機(jī)測(cè)試表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，稱重準(zhǔn)確度高，可在實(shí)驗(yàn)室、商鋪等多種場(chǎng)合推廣應(yīng)用，發(fā)展前景好。今后，可在軟件設(shè)計(jì)中，引入模糊自適應(yīng)等算法，進(jìn)一步提高該樣機(jī)測(cè)量的穩(wěn)定性和精度。