基于單片機(jī)高精度電子天平設(shè)計(jì)

王仲夏，馬萬國，張濤

(河海大學(xué)文天學(xué)院,安徽馬鞍山,243000)

基于單片機(jī)高精度電子天平設(shè)計(jì)

王仲夏，馬萬國，張濤

(河海大學(xué)文天學(xué)院,安徽馬鞍山,243000)

本系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)帶有通訊和U盤存儲(chǔ)功能的高精度電子天平。數(shù)據(jù)采集部分采用高精度電阻式應(yīng)變片壓力傳感器，數(shù)據(jù)處理部分采用了24位A/D轉(zhuǎn)換芯片HX711。該天平電路簡單，壽命長，應(yīng)用范圍廣，可以應(yīng)用于商場(chǎng)、家庭等場(chǎng)所，成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢缮俚谋匦杵贰２⑶掖舜坞娮犹炱降脑O(shè)計(jì)了帶有通訊和U盤存儲(chǔ)功能，更是向部分實(shí)驗(yàn)人員提供了一個(gè)很好選擇。本次設(shè)計(jì)采用新型電阻式應(yīng)變片壓力傳感器、高精度AD、STC12C5A60S2單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，具有測(cè)量精度高、低成本，易攜帶等特點(diǎn)。

單片機(jī)；傳感器；A/D轉(zhuǎn)換芯片；高精度；U盤存儲(chǔ)

0 引言

電子天平是一種在實(shí)際工作和生活中經(jīng)常用到的測(cè)量器具, 電子天平以其準(zhǔn)確、方便、顯示直觀等優(yōu)點(diǎn)受到人們的喜愛。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電子天平帶有通訊和U盤存儲(chǔ)功能，對(duì)于數(shù)據(jù)采集和保存要求較高的場(chǎng)合也同樣適用。因此，對(duì)高精度電子天平的設(shè)計(jì)是具有實(shí)際意義的。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 電子天平系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，系統(tǒng)主要由最小系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換芯片、傳感器、超重報(bào)警電路、U盤存儲(chǔ)、按鍵電路、顯示模塊等七部分組成，如圖1所示。

1.2 電子天平工作原理

HX711芯片與單片機(jī)連接簡單。單片機(jī)把處理后的數(shù)據(jù)通過數(shù)碼管顯示出來。通過三個(gè)獨(dú)立按鍵可以對(duì)電子天平進(jìn)行去皮和微調(diào)處理。三個(gè)按鍵分別是去皮、校準(zhǔn)電子天平。當(dāng)按下第一個(gè)按鍵時(shí)，電子天平就會(huì)清除傳感器獲得的數(shù)據(jù)，此時(shí)數(shù)碼管為“0”,由此達(dá)到去皮的功能。通過標(biāo)準(zhǔn)砝碼校準(zhǔn)電子天平，砝碼放置到傳感器上，觀察數(shù)碼管的顯示，若小于砝碼的重量，可以長時(shí)間按下第二個(gè)按鍵校準(zhǔn)電子天平；若顯示的值大于砝碼的重量，則長時(shí)間按下第三個(gè)按鍵校準(zhǔn)電子天平。電子天平的量程是0-2kg，當(dāng)稱的重物超過其量程時(shí)，蜂鳴器就會(huì)報(bào)警，提醒被稱物體超過最大量程。U盤存儲(chǔ)功能，通過存儲(chǔ)模塊，把采集的數(shù)據(jù)保存到U盤中新建的EXCLE表格中，表格由程序生成。原理圖如圖2所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量器件

傳感器是測(cè)量機(jī)構(gòu)最重要的部件。本次使用電阻應(yīng)變片壓力傳感器采集數(shù)據(jù)，工作原理如下：電阻應(yīng)變片壓力傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)重物放置在梁上，壓力作用于梁上。電阻應(yīng)變片R1、R2、R3、R4發(fā)生形變。R1和R2被拉伸，阻值增加；R3和R4被壓縮，阻值減小。此時(shí)，電橋不平衡，不平衡電壓與作用在傳感器上的載荷P成正比，從而將非電量轉(zhuǎn)化成電量輸出。如圖3所示。

圖1 電子天平系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)原理圖

圖3 電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)量原理

2.2 電子天平專用24位AD轉(zhuǎn)換芯片HX711

HX711是一款24 位A/D 轉(zhuǎn)換芯片，專為高精度電子天平而設(shè)計(jì)。與同類型其它芯片相比，HX711具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、集成度高等特點(diǎn)。

該芯片與單片機(jī)連接簡單，DT和SCK和單片機(jī)引腳連接即可，無需對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器編程。由于芯片內(nèi)部自帶穩(wěn)壓電源，所以系統(tǒng)無需另外的模擬電源。其內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器和稱重傳感器電源均由穩(wěn)壓電源提供。由于芯片內(nèi)有電源上電復(fù)位電路，故簡化了初始化過程。

2.3 主控芯片

STC12C5A60S2是宏晶科技推出的新一代高速1T單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051,但速度快8-12倍。芯片提供有4K/8K/16k/32K/64K多種程序空間，用戶可根據(jù)程序大小選擇；每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過55mA。

2.4 通訊功能

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通訊部分是利用USB轉(zhuǎn)TTL模塊和串口助手之間進(jìn)行通訊，單片機(jī)的P3.0和模塊的RX連接，P3.1和模塊TX連接。通過串口助手能夠?qū)崟r(shí)的觀察數(shù)據(jù)的采集。單片機(jī)內(nèi)有兩個(gè)“串行數(shù)據(jù)緩沖器”，一個(gè)是“發(fā)送寄存器”，另一個(gè)是“接受寄存器”。這兩個(gè)SBUF有相同的地址99H，但他們?cè)趩纹瑱C(jī)內(nèi)部是兩個(gè)單獨(dú)模塊。

2.5 U盤存儲(chǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶有U盤存儲(chǔ)功能，適用于對(duì)數(shù)據(jù)要求較高的場(chǎng)合，系統(tǒng)使用的存儲(chǔ)模塊CH376是U盤和SD卡文件管理控制芯片。CH376 有USB設(shè)備和USB主機(jī)兩種方式，支持8位并口、SPI接口和異步串口三種通訊接口。本系統(tǒng)采用8位并口的通訊接口方式。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件流程圖如圖4所示。

4 結(jié)語

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電子天平的通訊和存儲(chǔ)及測(cè)量功能，從前期設(shè)計(jì)的分析，資料的查找，到實(shí)物的焊接等整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成，讓我們感受到一個(gè)團(tuán)隊(duì)合作的重要性。整個(gè)設(shè)計(jì)的完成離不開每個(gè)參與人員的努力。本次設(shè)計(jì)過程中也不斷出現(xiàn)各種問題，只有靜下心來，慢慢分析原因，才能解決遇到的問題。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖

[1] 李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京航天航空大學(xué)出版社.

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[8] 李軍，賀慶之·檢測(cè)技術(shù)及儀表[M]·中國輕工業(yè)出版社.

Design of high precision electronic balance based on MCU

Wang Zhongxia,Ma Wanguo,Zhang Tao
（Hohai university Wen Tian college,Maanshan Anhui,243000）

The system is based on single-chip microcomputer, designed with communication and U disk storage function of high-precision electronic balance. The data acquisition part uses the high precision resistance strain gauge pressure sensor, and the data processing part uses the 24 bit A/D conversion chip HX711. The utility model has the advantages of simple circuit, long service life and wide application range, and can be used in places such as shopping malls, families, etc.. And the design of the electronic balance with communication and U disk storage function, but also to some of the laboratory staff to provide a good choice. This design uses the new resistance strain gauge pressure sensor, the high precision AD, the STC12C5A60S2 monolithic integrated circuit design realization, has the measuring accuracy high, low cost, easy to carry and so on the characteristic.

MCU;sensors;A/D conversion chip; high-precision;U disk storage

王仲夏（1974-），男,講師，現(xiàn)任河海大學(xué)文天學(xué)院機(jī)械系教師，主要從事基于微處理器技術(shù)的智能設(shè)備研發(fā)的教學(xué)科研工作。

2016年河海大學(xué)文天學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目；2017年度安徽高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目,項(xiàng)目編號(hào)KJ2017A896。

馬萬國（1994-）,男，學(xué)生，河海大學(xué)文天學(xué)院13級(jí)自動(dòng)化。

張 濤（1994-）, 男，學(xué)生，河海大學(xué)文天學(xué)院14級(jí)自動(dòng)化。