文/張景虎

1 前言

物體重量從古代開始就一直是非常重要的物理屬性，它與人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，早期人類發(fā)明了“稱”用于稱量物體的重量，使用的是杠桿原理。隨著現(xiàn)代電子通信技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可以將其它物理量轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，在此基礎(chǔ)上發(fā)展成了電子秤，它綜合了傳感器技術(shù)、電子線路技術(shù)、數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)和計算機控制技術(shù)。傳感器技術(shù)的發(fā)展使得電子秤的測量精度越來越高，能適應(yīng)比較惡劣的工作環(huán)境?，F(xiàn)在的電子秤不僅可以稱量物體的重量，還可以進行重量去皮、校準、計算總價等功能。但現(xiàn)在市面上流行的電子秤存在體積較大、攜帶不方便、能耗較高、維修比較困難等問題，而且價格較高，鑒于以上問題，本文設(shè)計了一款精度較高、便于攜帶、超低功耗、維修方便、可以滿足家庭使用的小型電子秤。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計要求

技術(shù)指標要求：

1.稱量范圍：0-10kg；

2.誤差范圍：±0.001kg；

3.去皮功能：通過按鍵中斷實現(xiàn)；

4.超重報警：當物體重量超過10kg時，蜂鳴器發(fā)報警聲音，防止損壞應(yīng)力傳感器；

5.校準功能：當電子秤經(jīng)過長時間使用或經(jīng)過劇烈搬動后，通過按鍵重新進行校準。

2.2 整體硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以MSP430F5529單片機為主控芯片，包括稱重傳感器模塊、HX711信號放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、單片機數(shù)據(jù)分析與處理模塊、報警電路、鍵盤輸入及顯示電路等，如圖1所示。其基本工作原理為：稱重傳感器感受物體重力的變化后產(chǎn)生微小電信號，該信號經(jīng)放大電路放大后送給HX711進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送至單片機進行分析及處理，將得到的重量數(shù)據(jù)、通過4*4矩陣鍵盤輸入商品的單價和計算出的總價一塊送LCD1602液晶顯示，通過鍵盤輸入添加校準、去皮、報警等附加功能。整個系統(tǒng)設(shè)計測量精度高，對環(huán)境要求低，且結(jié)構(gòu)簡單實用方便。

2.3 稱重傳感器

傳感器是一種能感受被測量的信息并將信息按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為電信號的器件或裝置，通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中敏感元件指傳感器中能直接感受被測量的部分，轉(zhuǎn)換部分指傳感器中能將敏感元件輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號部分。能采集物體重量的傳感器有電容式傳感器、壓阻傳感器和電阻應(yīng)變式傳感器等，其中電容式傳感器測量精度較低，壓阻傳感器對環(huán)境溫度較敏感，故本設(shè)計采用電阻應(yīng)變式傳感器。

電阻應(yīng)變式傳感器是電阻傳感器的一種，理論基礎(chǔ)是電阻片的金屬應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變式傳感器可以將被測量轉(zhuǎn)換成電阻值這種物理量的形式，被測量可以是質(zhì)量、力、位移、濕度等常用的物理量。電阻應(yīng)變式傳感器中的電阻值會隨著傳感器的形變而變化，當給它加上電壓就可以使得非電被測量轉(zhuǎn)換成電阻的變化，進而產(chǎn)生電信號，完成信息由非電量向電量的轉(zhuǎn)換。雖然電阻應(yīng)變式傳感器輸出信號較弱，但是可以經(jīng)過放大電路進行放大補償，使產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號便于采集與處理。

采用電阻應(yīng)變片作為傳感器來感受被測物體的重量，主要原因在于電阻應(yīng)變片成本很低，其次，以電阻應(yīng)變片片為基礎(chǔ)將四個應(yīng)變電阻組建成電橋，這種電路結(jié)構(gòu)可以檢測到應(yīng)變電阻非常微弱的變化，可以獲得較高的測量精度，滿足本設(shè)計的要求。其測量原理如下：

設(shè)輸出端為U1,當U1開路時，此時電橋輸出的是電壓，理想狀態(tài)下不考慮電源的內(nèi)阻，根據(jù)電阻分壓原理可知：

當R1R3=R2R4時，即時，電橋平衡。

應(yīng)變電橋的使用方法是在使用之前先把電橋調(diào)整好使它保持在平衡狀態(tài)，這樣就使得電壓和應(yīng)變電阻的變化建立了關(guān)聯(lián)。為進一步提高分辨率，本設(shè)計采用差動方式，如圖2所示，將四個應(yīng)變電阻的阻值設(shè)為相等，則原來的R1R2R3R4分別為R1=R-△R、R2=R+△R、R3=R-△R、R4=R+△R，結(jié)合式（1）可得：

通過此式可知，在輸入電壓保持不變的情況下，輸出電壓與應(yīng)變電阻的變化量呈線性關(guān)系，以差動方式工作的電橋的靈敏性較高，但是受傳感器尺寸和規(guī)格的限制，一般輸出電流很小，需要后續(xù)電路進行信號的放大。

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2：差動應(yīng)變電橋電路

表1：鍵位對應(yīng)功能

圖3：HX711模塊

圖4：總體軟件流程圖

2.4 HX711放大及A/D電路

由于本設(shè)計采用的是電阻應(yīng)變式傳感器，初始輸出的模擬信號很小，為了便于后面進行數(shù)據(jù)分析，需要將模擬信號進行放大，然后進行A/D轉(zhuǎn)換。HX711芯片是一款專為高精度電子秤而設(shè)計的24位A/D轉(zhuǎn)換芯片，如圖3所示，該芯片集成了低噪聲可編程放大器、時鐘振蕩器、可直接向外部傳感器輸出的穩(wěn)壓電源等，具有精度高、速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。

圖5：中斷功能流程圖

2.5 MSP430控制系統(tǒng)

本設(shè)計根據(jù)低功耗的要求采用MSP430F5529，MSP430系列單片機是TI公司生產(chǎn)的一種超低功耗的16位單片機，具有精簡指令集，是將多個模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一起的混合信號處理器，具有處理能力強、運行速度快、超低功耗等優(yōu)點，特別適合于需要電池供電的便攜式儀器儀表中，使用內(nèi)置的EEPROM來永久存儲校準和商品單價等數(shù)據(jù)信息。

2.6 按鍵輸入

本設(shè)計使用4*4矩陣鍵盤中的四個按鍵用來實現(xiàn)復(fù)位、校準和去皮功能，其它按鍵用來輸入商品單價信息，如表1所示，在程序設(shè)計中通過外部中斷的方式實現(xiàn)各自功能。校準按鍵用于調(diào)節(jié)在使用和運輸過程中造成的電子秤誤差。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 總體設(shè)計流程

本設(shè)計的基本功能是實現(xiàn)物體質(zhì)量的高精度顯示，在這個基本要求下增加復(fù)位、校準、去皮、超重報警和總價顯示等功能。具體流程如圖4所示。

如流程圖所示，當開關(guān)打開后，系統(tǒng)開始工作，單片機、HX711芯片開始初始化，數(shù)據(jù)和端口進行初始化，接著是定時器和EEPROM的初始化。這一系列操作完成后，系統(tǒng)開始進入While的循環(huán)檢測階段，檢測是否出現(xiàn)稱重信號，如果沒有，系統(tǒng)會繼續(xù)檢測，如果有，則進入物體是否超重的判斷，如果超重了，那么系統(tǒng)就會通過蜂鳴器進行報警，如果沒有超重，則會顯示物體的質(zhì)量，最后判斷是否開啟校準功能。

3.2 按鍵功能檢測

本設(shè)計中校準、去皮功能是以按鍵中斷的方式存在的，校準是在檢測到對應(yīng)按鍵按下后進行的，而去皮操作是一直存在于整個稱量過程中，其流程圖如圖5所示。

4 總結(jié)與展望

便攜電子秤具有高可靠性、高精度、便捷性等特點得到了市場的認可，給人們的生活帶來了很大便利。本文基于MSP430F5529單片機設(shè)計的電子秤，集傳感器技術(shù)、數(shù)字顯示技術(shù)于一體，精度高、性能穩(wěn)定、有校準、去皮和報警功能，且價格低廉，便于使用，滿足了市場的需求，有較大的推廣價值。

隨著人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，電子秤也必將與之相結(jié)合，故今后的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）智能化：和計算機相連接，通過計算機使電子秤具有推理、判斷、自適應(yīng)、自組織等功能。

（2）綜合性：不斷加強擴展，向相鄰行業(yè)滲透，綜合各種技術(shù)去解決稱重計量、自動控制、信息處理，與計算機組合顯示更多信息，構(gòu)成一個完整的綜合控制系統(tǒng)。

（3）組合性：硬件可以根據(jù)不同要求進行調(diào)整，軟件可以根據(jù)不同要求進行修改和擴展，并能與外部的控制和數(shù)據(jù)處理設(shè)備進行通信。