簡(jiǎn)易電子秤---2016年江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)G題解析

劉 磊,余 豐,凌文韶,劉清闖,顧 斌,袁迎春

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,210023）

簡(jiǎn)易電子秤---2016年江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)G題解析

劉 磊,余 豐,凌文韶,劉清闖,顧 斌,袁迎春

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,210023）

簡(jiǎn)要介紹了電子稱的任務(wù)要求，提出了以BF120-3AA電阻應(yīng)變片為稱重傳感器、HX711為A/D轉(zhuǎn)換器，采用單片機(jī)為處理器，配以鍵盤和屏顯等設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易電子秤的技術(shù)方案。并設(shè)計(jì)電源濾波、零點(diǎn)漂移抑制和線性化數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，進(jìn)一步提高了測(cè)量精度，精度可達(dá)1%，測(cè)量范圍1~500克，滿足賽題任務(wù)要求，系統(tǒng)達(dá)到了低成本、高精度和實(shí)用性的三者統(tǒng)一。

電子秤;電阻應(yīng)變片;BF120-3AA;HX711

1　任務(wù)要求

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)以電阻應(yīng)變片為稱重傳感器的簡(jiǎn)易電子秤，電子秤的結(jié)構(gòu)如右圖所示。如右圖1所示，鐵質(zhì)懸臂梁固定在支架上，支架高度不大于40cm，支架及秤盤的形狀與材質(zhì)不限。懸臂梁上粘貼電阻應(yīng)變片作為稱重傳感器。

圖1　簡(jiǎn)易電子稱結(jié)構(gòu)

2　工作原理

本設(shè)計(jì)的工作原理：采用鐵質(zhì)懸梁臂固定于支架上，上粘貼電阻應(yīng)變片作為稱重傳感器。彈性元件（鐵質(zhì)懸臂梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使得粘貼在其表面的傳感元件（電阻應(yīng)變片）也隨同變形，則會(huì)使其阻值發(fā)生變化。由測(cè)量電路把阻值變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該信號(hào)與被測(cè)物體重量成一定的函數(shù)關(guān)系。將微弱的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并交給MCU進(jìn)行處理，處理結(jié)果由顯示電路輸出。

3　主要電路設(shè)計(jì)

硬件部分采用單片機(jī)MCS-51單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)電子秤的基本控制功能。信號(hào)采集部分包括秤重傳感器BF120-3AA、信號(hào)放大處理電路和HX711A/D轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)處理，并利用液晶顯示模塊完成讀數(shù)顯示，功能調(diào)整部分設(shè)計(jì)按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，利用鍵盤進(jìn)行人機(jī)交互，輸入數(shù)據(jù)，操作簡(jiǎn)單方便。利用液晶屏顯示物品重量，還可顯示物品的單價(jià)和總金額，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊如下圖2所示。

（1）電子秤可以數(shù)字顯示被稱物體的重量，單位克（g）；（2）電子秤稱重范圍5.00g~500g；重量小于50g，稱重誤差小于0.5g；重量在50g及以上，稱重誤差小于1g；（3）電子秤可以設(shè)置單價(jià)（元/克），可計(jì)算物品金額并實(shí)現(xiàn)金額累加；（4）電子秤具有去皮功能，去皮范圍不超過(guò)100g；

特別說(shuō)明：

（1）稱重傳感裝置需自制，不得采用商用電子稱的稱重裝置。（2）鐵質(zhì)懸臂梁可用磁鐵檢驗(yàn)，懸臂梁上所用電阻應(yīng)變片的種類、型號(hào)、數(shù)量自定。（3）測(cè)試時(shí)以砝碼為重量標(biāo)準(zhǔn)。

圖2　系統(tǒng)整體框圖

3.1傳感器電路

電阻應(yīng)變片把機(jī)械應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻變化后，必須采用轉(zhuǎn)換電路，將應(yīng)變計(jì)的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或者電流變化，以便于測(cè)量。電橋電路是目前廣泛采用的測(cè)量電路，由于全橋電橋的靈敏度高于半橋及單臂電橋，故本設(shè)計(jì)采用全橋交流電橋。

本設(shè)計(jì)選擇的傳感器為BF120-3AA，量程為2.0%，精度為±0.1%，完全滿足本系統(tǒng)要求。

由于橋臂的起始電阻相等，都為R，四個(gè)橋臂應(yīng)變片的靈敏系數(shù)相同，則,K為應(yīng)變片靈敏系數(shù)，為應(yīng)變量。

圖3　電橋系統(tǒng)原理框圖

將4個(gè)應(yīng)變片分別貼在彈性梁的4個(gè)敏感部位，傳感器受力作用后發(fā)生變形，被拉伸阻值增大，被壓縮，阻值減小。測(cè)量前需要使電橋平衡，保證電橋的輸出電壓只與應(yīng)變片形變引起的電阻變化有關(guān)。該部分采集信號(hào)的完整電路參見圖8所示電路。

3.2A/D轉(zhuǎn)換電路，

圖4　軟件系統(tǒng)主程序流程圖

A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)與整個(gè)測(cè)量控制的范圍和精度有關(guān)，電路見圖8。這里選用24 位A/D 轉(zhuǎn)換器芯片HX711。該芯片具有兩路可選擇差分輸入； 片內(nèi)低噪聲可編程放大器，可選增益為32、64和128；芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。

4　軟件設(shè)計(jì)

為理解方便，系統(tǒng)的軟件編寫采用主程序加子程序方式進(jìn)行，主要包括：主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序、按鍵子程序、計(jì)價(jià)子程序等。

主程序：控制單片機(jī)初始化、調(diào)用按鍵識(shí)別程序，判斷按鍵功能，調(diào)用A/D模塊數(shù)據(jù)并調(diào)用顯示子程序等。

A/D轉(zhuǎn)換子程序：完成A/D轉(zhuǎn)換，并根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)、修正補(bǔ)償?shù)取?/p>

顯示子程序：執(zhí)行寫顯示數(shù)據(jù)的命令，將顯示得內(nèi)容進(jìn)行更新。

按鍵子程序：完成按鍵識(shí)別，執(zhí)行按鍵相應(yīng)功能。

計(jì)價(jià)子程序：根據(jù)按鍵輸入的單價(jià)等進(jìn)行計(jì)價(jià)處理。

液晶顯示程序?qū)崿F(xiàn)思路如下：初始化之后判斷是否忙碌?也就是是否寫完了，如果沒有寫完等待直到寫完之后再寫入命令，并初始化

圖5　顯示子程序流程圖

5　測(cè)試結(jié)果及誤差分析

5.1測(cè)試方案

在通電之前，先根據(jù)硬件邏輯設(shè)計(jì)圖，仔細(xì)檢查線路是否連接正確，核對(duì)元器件的安裝是否符合要求，檢查電源和系統(tǒng)總線，防止短路和極性錯(cuò)誤。加電后檢查主要引腳的電位，測(cè)量電平是否正常。排除一些明顯的靜態(tài)故障。選取不同的砝碼，測(cè)試電子秤的稱重、去皮、金額顯示等各種功能。

5.2測(cè)試結(jié)果

表1　測(cè)試結(jié)果（單位：g）

5.3誤差分析

測(cè)試結(jié)果曲線如圖6和圖7所示。圖6反映出，本系統(tǒng)達(dá)到了高線性度，測(cè)量范圍可達(dá)1~500克。圖7反映出，本系統(tǒng)的測(cè)試精度在1%以內(nèi)，雖然傳感器的非線性、放大電路非線性、電源穩(wěn)定度等影響存在，但是我們?cè)O(shè)計(jì)的電路還是滿足了系統(tǒng)要求。

圖6　測(cè)試結(jié)果曲線圖

6　結(jié)論

本系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)基本單元信號(hào)采集單元和控制單元，實(shí)現(xiàn)重力物理量到電壓物理量的轉(zhuǎn)換，完成數(shù)據(jù)處理、參數(shù)設(shè)置和讀數(shù)等功能。通過(guò)采用電源濾波抗噪聲和抗干擾、零點(diǎn)漂移抑制和線性化數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，進(jìn)一步提高了測(cè)量精度，精度可達(dá)1%，測(cè)量范圍1~500克。實(shí)現(xiàn)低成本、高精度和實(shí)用性的統(tǒng)一，并獲省級(jí)比賽一等獎(jiǎng)。

[1]姚遠(yuǎn),周偉,鮑承毅,彭磊,王秋菊.便攜式防水藍(lán)牙電子秤設(shè)計(jì)[J]. 軟件導(dǎo)刊,2016,08:59-61.

[2]霍志林,吳洪潭.溯源電子秤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].食品工業(yè),2016,07:230-233.

[3]趙海燕,于清寶.淺談電子技術(shù)在稱量中的應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2016,22:299.

[4]唐慧瑩.基于ATmega16智能人體電子稱設(shè)計(jì)[J].硅谷,2012,06:59.

[5]李光漢.電子秤的設(shè)計(jì)研究[J].科技傳播,2012,20:51+53.

[6]徐澤清,高旭東,韓喜春. 基于PSOC的電子稱設(shè)計(jì)[J]. 黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,04:48-51.

Simple Digital Weight Scale-- Analysis To Title G Of 2016 Electronic Design Competition For College Students In Jiangsu Province

Liu Lei,Yu Feng,Ling WenShao,Liu Qingchuang,Gu Bin,Yuan Yingchun
（NanJing Collage Of Information Technology,210023）

After introduced the basic department，A simple electronic scale is designed with resistance strain chip BF120-3AA 、A/D converter HX711 、micro-computer MCU51、 keyboard and screen display and other peripheral equipmen.The system also uses the power filter, zero drift suppression and linearization of data processing technology,to further improve the measurement accuracy, accuracy of up to 1%, the measurement range of 1~500 G.This system achieves the unity of the three low cost, high accuracy and practicability in the field of gravity weighing electronic system design.

digital weight scale;electronic strain gauge;BF120-3AA;HX711

圖7　測(cè)試結(jié)果相對(duì)誤差曲線圖

圖8　整機(jī)電路圖

課題資助：江蘇省高等職業(yè)院校高級(jí)訪問工程師計(jì)劃資助項(xiàng)目，編號(hào)：2014FG063