文/张景虎

1 前言

物体重量从古代开始就一直是非常重要的物理属性，它与人们的生产生活息息相关，早期人类发明了“称”用于称量物体的重量，使用的是杠杆原理。随着现代电子通信技术的发展，出现了可以将其它物理量转换为电信号的传感器，在此基础上发展成了电子秤，它综合了传感器技术、电子线路技术、数据分析处理技术和计算机控制技术。传感器技术的发展使得电子秤的测量精度越来越高，能适应比较恶劣的工作环境。现在的电子秤不仅可以称量物体的重量，还可以进行重量去皮、校准、计算总价等功能。但现在市面上流行的电子秤存在体积较大、携带不方便、能耗较高、维修比较困难等问题，而且价格较高，鉴于以上问题，本文设计了一款精度较高、便于携带、超低功耗、维修方便、可以满足家庭使用的小型电子秤。

2 系统硬件设计

2.1 系统设计要求

技术指标要求：

1.称量范围：0-10kg；

2.误差范围：±0.001kg；

3.去皮功能：通过按键中断实现；

4.超重报警：当物体重量超过10kg时，蜂鸣器发报警声音，防止损坏应力传感器；

5.校准功能：当电子秤经过长时间使用或经过剧烈搬动后，通过按键重新进行校准。

2.2 整体硬件结构

本系统以MSP430F5529单片机为主控芯片，包括称重传感器模块、HX711信号放大及模数转换模块、单片机数据分析与处理模块、报警电路、键盘输入及显示电路等，如图1所示。其基本工作原理为：称重传感器感受物体重力的变化后产生微小电信号，该信号经放大电路放大后送给HX711进行模数转换，转换后的数字信号送至单片机进行分析及处理，将得到的重量数据、通过4*4矩阵键盘输入商品的单价和计算出的总价一块送LCD1602液晶显示，通过键盘输入添加校准、去皮、报警等附加功能。整个系统设计测量精度高，对环境要求低，且结构简单实用方便。

2.3 称重传感器

传感器是一种能感受被测量的信息并将信息按照一定规律转换为电信号的器件或装置，通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。能采集物体重量的传感器有电容式传感器、压阻传感器和电阻应变式传感器等，其中电容式传感器测量精度较低，压阻传感器对环境温度较敏感，故本设计采用电阻应变式传感器。

电阻应变式传感器是电阻传感器的一种，理论基础是电阻片的金属应变效应。电阻应变式传感器可以将被测量转换成电阻值这种物理量的形式，被测量可以是质量、力、位移、湿度等常用的物理量。电阻应变式传感器中的电阻值会随着传感器的形变而变化，当给它加上电压就可以使得非电被测量转换成电阻的变化，进而产生电信号，完成信息由非电量向电量的转换。虽然电阻应变式传感器输出信号较弱，但是可以经过放大电路进行放大补偿，使产生的数据信号便于采集与处理。

采用电阻应变片作为传感器来感受被测物体的重量，主要原因在于电阻应变片成本很低，其次，以电阻应变片片为基础将四个应变电阻组建成电桥，这种电路结构可以检测到应变电阻非常微弱的变化，可以获得较高的测量精度，满足本设计的要求。其测量原理如下：

设输出端为U1,当U1开路时，此时电桥输出的是电压，理想状态下不考虑电源的内阻，根据电阻分压原理可知：

当R1R3=R2R4时，即时，电桥平衡。

应变电桥的使用方法是在使用之前先把电桥调整好使它保持在平衡状态，这样就使得电压和应变电阻的变化建立了关联。为进一步提高分辨率，本设计采用差动方式，如图2所示，将四个应变电阻的阻值设为相等，则原来的R1R2R3R4分别为R1=R-△R、R2=R+△R、R3=R-△R、R4=R+△R，结合式（1）可得：

通过此式可知，在输入电压保持不变的情况下，输出电压与应变电阻的变化量呈线性关系，以差动方式工作的电桥的灵敏性较高，但是受传感器尺寸和规格的限制，一般输出电流很小，需要后续电路进行信号的放大。

图1：系统结构框图

图2：差动应变电桥电路

表1：键位对应功能

图3：HX711模块

图4：总体软件流程图

2.4 HX711放大及A/D电路

由于本设计采用的是电阻应变式传感器，初始输出的模拟信号很小，为了便于后面进行数据分析，需要将模拟信号进行放大，然后进行A/D转换。HX711芯片是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换芯片，如图3所示，该芯片集成了低噪声可编程放大器、时钟振荡器、可直接向外部传感器输出的稳压电源等，具有精度高、速度快、抗干扰性强等优点。

图5：中断功能流程图

2.5 MSP430控制系统

本设计根据低功耗的要求采用MSP430F5529，MSP430系列单片机是TI公司生产的一种超低功耗的16位单片机，具有精简指令集，是将多个模拟电路、数字电路和微处理器集成在一起的混合信号处理器，具有处理能力强、运行速度快、超低功耗等优点，特别适合于需要电池供电的便携式仪器仪表中，使用内置的EEPROM来永久存储校准和商品单价等数据信息。

2.6 按键输入

本设计使用4*4矩阵键盘中的四个按键用来实现复位、校准和去皮功能，其它按键用来输入商品单价信息，如表1所示，在程序设计中通过外部中断的方式实现各自功能。校准按键用于调节在使用和运输过程中造成的电子秤误差。

3 系统软件设计

3.1 总体设计流程

本设计的基本功能是实现物体质量的高精度显示，在这个基本要求下增加复位、校准、去皮、超重报警和总价显示等功能。具体流程如图4所示。

如流程图所示，当开关打开后，系统开始工作，单片机、HX711芯片开始初始化，数据和端口进行初始化，接着是定时器和EEPROM的初始化。这一系列操作完成后，系统开始进入While的循环检测阶段，检测是否出现称重信号，如果没有，系统会继续检测，如果有，则进入物体是否超重的判断，如果超重了，那么系统就会通过蜂鸣器进行报警，如果没有超重，则会显示物体的质量，最后判断是否开启校准功能。

3.2 按键功能检测

本设计中校准、去皮功能是以按键中断的方式存在的，校准是在检测到对应按键按下后进行的，而去皮操作是一直存在于整个称量过程中，其流程图如图5所示。

4 总结与展望

便携电子秤具有高可靠性、高精度、便捷性等特点得到了市场的认可，给人们的生活带来了很大便利。本文基于MSP430F5529单片机设计的电子秤，集传感器技术、数字显示技术于一体，精度高、性能稳定、有校准、去皮和报警功能，且价格低廉，便于使用，满足了市场的需求，有较大的推广价值。

随着人工智能和大数据技术的发展，电子秤也必将与之相结合，故今后的发展方向主要体现在以下几个方面：

（1）智能化：和计算机相连接，通过计算机使电子秤具有推理、判断、自适应、自组织等功能。

（2）综合性：不断加强扩展，向相邻行业渗透，综合各种技术去解决称重计量、自动控制、信息处理，与计算机组合显示更多信息，构成一个完整的综合控制系统。

（3）组合性：硬件可以根据不同要求进行调整，软件可以根据不同要求进行修改和扩展，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。