解旭东 龙光利

摘要：针对目前电子称精度不高、功能少等问题，设计并制作一个以电阻应变片为称重传感器的简易电子秤。它包括硬件和软件两部分，硬件部分由结构支架和电路设计组成，其中结构支架由不高于40cm的铁质支架、铁质悬梁臂和秤盘制成，电路设计由单片机最小系统、电阻应变片采集电路、A/D转换电路、按键电路、液晶显示和报警电路组成。软件部分由主程序和子程序组成，采用C语言编写。经实验验证，电阻应变片采集的模拟信号经放大后转换为数字信号，然后送入单片机进行数据处理，通过按键设置单价，液晶显示重量、单价、总价和累计金额，同时也实现称重、累计、去皮和报警功能。

关键词：电子秤;电阻应变片;单片机;数模转换

中图分类号 TM914.4     文献标识码 A

文章编号：1009-3044（2022）18-0089-02

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1 引言

电子秤是目前最常见的电子称重产品，这种产品的作用主要是把秤称重得来的质量以电子计算的技术进行处理，增加或除去相关的信息显示到电子显示屏上。电子秤的前身是比较普通常见的杆秤，发展到电子秤经历了很多个阶段，从开始粗糙的称重數据，经过传感器的精密加工处理之后也越来越变的精确稳定，直到最后可以自动通过质量计算得出最终的数据，而且可以去除不需要的因素，精度和速度上都有很大程度的提高，也越来越受人们的喜欢[1-3]。

2 电阻应变片的工作原理

电阻应变片是电阻变压式传感器的核心元件，它是一种将物体形变转换为电信号处理的转换元件。其工作原理是先将电阻应变片按照直流电桥电路焊接成电路，然后将焊好的电路粘贴在经过处理的测力物体表面，随着给测力物体表面施加适当的力，粘贴在物体表面的应变片立即感应到受力发生的形变，从而将形变转换为电信号（电压或电流）形式作为输出信号去处理。应变片不仅能测量应变，而且对其他物理量，如重量、扭矩、压强、位移、温度和加速度等，只要能设法变为应变的相应变化，都可以利用电阻应变片进行来测量，所以在测试中得到非常广泛的应用[4-5]。采用直流电桥电路如图1所示，由电路理论计算可知。

[U0=R1R3-R2R4（R1+R2）（R3+R4）US]                    （1）

若使此电桥平衡，即U0=0，只要R1R3﹣R2R4 = 0即可实现。当电桥的四R1，R2，R3，R4皆产生电阻变化ΔR1，ΔR2，ΔR3，ΔR4时，（1）式变：

[U0=（R1+ΔR1）（R3+ΔR3）-（R2+ΔR2）（R4+ΔR4）（R1+ΔR1+R2+ΔR2）?（R3+ΔR3+R4+ΔR4）US] （2）

对于等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R，则上式可以改写成：

[U0=14（ΔR1R+ΔR3R-ΔR2R-ΔR4R）?US]     （3）

由于?R/R=k·ε，则（3）式可改写成：

[U0=14?k?（ε1+ε3-ε2-ε4）?US]                   （4）

3 硬件设计

3.1 结构支架设计

支架整体均采用铁质材料，设计高度为30.8cm，底板尺寸为27cm×26cm×2mm，悬梁臂尺寸为28cm×2cm×2mm，秤盘的直径为15cm。

3.2 单片机最小系统

单片机最小系统主要由单片机芯片MSP430F5529、复位电路、晶体振荡电路组成。

MSP430F5529单片机是由美国德州仪器（TI）公司开发的一款16位超低功耗的混合信号处理器，采用精简指令集（RISC）结构，集成了多个20位的寄存器和常数发生器，主要结构包括16位CPU、存储器、片上外设、时钟系统、仿真系统以及连接它们的数据总线和地址总线。

电源：就是VCC和GND引脚，选择供电电压为+3.3V，GND接地，可用USB接口线降压供电。

复位电路：当单片机的引脚RST出现2个机器周期以上高电平时复位，程序从头开始运行。

时钟电路：单片机MSP430F5529的时钟模块包括数控振荡器、高速晶体振荡器和晶体振荡器低速时钟源。在单片机MSP430F5529中，内部的LFXTl振荡器工作默认在低频模式，它的外部连接一个32.768 kHz晶振和两个12pF电容，通过XIN和XOUT端口连接到单片机;而外部的XT2晶体振荡器工作在高频模式，它外部连接一个8MHz晶振和两个22pF电容，通过XIN2和XOUT2端口连接到单片机。

3.3 电阻应变片电路设计

采用的电阻应变片型号为BF120-3AA，它属于金属箔式应变片，精度高、随温度的变化小，适合用于0.05级精度以上传感器和精密应力分析。有4根引线用于连接外电路，红线为电源正极输入，白线为电源负极输入，蓝线为信号输出1，绿线为信号输出2。为保证精度，一般不随意调整线长。

3.4 A/D转换电路设计

设计的A/D转换电路如图2所示。

HX711是一个24位A/D 转换器芯片[6-7]，设计中采用1个ADSK 脉冲，选择通道A，增益为128对输入的信号进行放大和转换处理。芯片内部的时钟振荡电路不需要接外部的连接部件，初始化过程在开机时由于加入上电复位的方法而被简化。

3.5 液晶显示电路、按键电路和报警电路的设计

液晶显示电路采用LCD12864，为了减少接线的数目，LCD12864液晶显示采用串行的传输方式，即当15脚PSB为低电平时，是从4（RS/CS）串行的指令/数据选择信号，串行的片选信5（R/W/SID），串行的数据口6（E/CLK）并行的使能信号，三个口进行同步时钟传输数据[8]。

设计的按键电路，采用4×4行列式非编码矩阵键盘，由行线、列线和键盘开关矩阵3部分组成。每根行线和列线的交叉处都有一个按键，当某个键被按下时，与这个按键相连的行线和列线就会接通，否则行线和列线不接通。通过按键来设置单价、去皮、累加和清0等功能[9]。

若要求电子秤称重范围为5～500g，当重量低于5g或超过500g时过载，此时通过程序使单片机的控制I/O口P7.4置高电平，三极管导通，蜂鸣器发出报警声，同时发光二极管闪烁。

4 软件设计

软件分为主程序和子程序，主程序主要用来进行系统初始化，统一管理和调用各个子程序，使系统运行有条不紊;子程序主要包括A/D转换程序、按键功能程序、LCD 显示程序和报警程序，各个子程序分工明确，统一协调，实现显示、去皮、称重、单价设置、金额累计、报警等功能。

设计的主程序流程图如图3所示，首先系统开始初始化，将电阻应变片采集的小信号进行信号放大，放大后的模拟电压信号经过A/D转换电路转换成数字信号，将其送入到主控电路中的单片机进行处理，此时获取重量，通过按键设置单价，计算出总价和累计金额进行显示，同时不断检测有没有超出称重，若有超过，则蜂鸣器进行报警提示。

5 实验结果

根据流程图，用C语言编写程序，使用CCSv6.0软件编译工具进行编译，将编译完成后的程序通过USB线下载至单片机。制作一个高度不大于40cm的铁质支架，将铁质悬臂梁固定在支架上，再把秤盘悬挂在臂梁上，最后用银粉对支架进行防氧化处理。在支架臂梁上进行应变片定位和粘贴[10]。制作电子秤电路模块，包括单片机最小系统、A/D转换电路、液晶显示电路、按键电路和报警电路等[11]。经调试正常后接通电源，按下单片机复位键将系统复位，液晶显示屏进行初始化显示，初始化显示重量为000.00，对电子秤进行校正之后开始进行测试，通过标准砝码与样机测试结果进行对比， 当砝码的重量小于50g时，称重误差小于0.14 g;当砝码的重量在50g及以上时，称重误差小于0.5g，即该电子秤的测量精度在1%以内。通过测试不同重量的砝码，按键设置不同的单价，计算可得到总价并实现金额累计。

6 结束语

设计制作的简易电子秤，用单片机实现电子秤的相关功能，通过按键设置单价，液晶显示重量、单价、总价和累计金额，同时也实现了称重、累计、去皮和报警功能。进一步设置电阻应变片电路、软件程序，可扩大称重范围、精度及功能;增加无线传感模块，也可实现远程在线监测。

参考文献：

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[10] 王彪，刘腾，徐敬龙，等.金属粘贴式电阻应变计应变传递分析[J].中国测试，2016，42（8）：1-6.

[11] 杨成慧，王书志.一种高精度电子秤的设计与研究[J].自动化与仪器仪表，2016（11）：184-185，188.

【通联编辑：梁书】