基于STC8A8K與HX711的高精度電子秤設(shè)計

張良玉 羅龍 伏釗

[摘 ? ?要 ]設(shè)計制作以電阻應(yīng)變片為稱重傳感器的電子稱重裝置，所在金屬懸臂梁上黏貼應(yīng)變片作為稱重傳感器。使用了12 V的鋰電池自制充電器，稱重裝置使用了上電自校準功能，并使用LCD液晶屏進行響應(yīng)數(shù)據(jù)的顯示，在稱重為2.00～500 g之間，稱重誤差要求小于0.50 g，具有去皮功能，去皮范圍不超過50 g，并且可以設(shè)置單價（元/g），可計算物品金額并實現(xiàn)金額累加、報警和語音等相應(yīng)功能。

[關(guān)鍵詞]自制充電器;LCD液晶屏;去皮功能;設(shè)置單價;金額累加

[中圖分類號]TH715.1 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）06–0–03

[Abstract]An electronic weighing device with resistance strain gauges as load cells is designed and manufactured， and the strain gauges are pasted on the metal cantilever beam as the load cells. A 12 V lithium battery self-made charger is used， the weighing device uses the power-on self-calibration function， and the LCD screen is used to display the desired data. The weighing error is required to be less than 0.50 g within the weighing range of 2.00-500 g ， When the weight is above 50 g， the weighing error is less than 1.00 g， with tare function， the tare range does not exceed 50 g， and the unit price （yuan/gram） can be set， the amount of items can be calculated and the amount of money can be accumulated， alarm and voice， etc. Features.

[Keywords]self-made charger; LCD screen; peeling function; set unit price; sum total

1 方案論證與比較

1.1 重力采樣方法比較與選擇

在全橋電路中輸出電壓較小，一般為幾毫伏到幾十毫伏，所以在進行AD轉(zhuǎn)換之前需要先將電路輸出信號進行放大處理，再將放大過后的信號進行AD轉(zhuǎn)換，通過AD把信號轉(zhuǎn)換為電信號輸送給MCU進行運算處理。

（1）用OP07將采集的信號進行放大，最后通過ADC0809將所放大的采集信號進行AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后送MCU處理。

（2）直接由32位MCU的定時中斷進行信號的采集，然后對信號分析。

（3）將采集的信號通過HX711進行AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后將信號送給MCU處理。

HX711是一款24位的AD轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部集成了包括穩(wěn)壓源和信號放大器，片內(nèi)時鐘震蕩等其他同類型轉(zhuǎn)換芯片所需要的的電路。所以使用HX711不僅信號穩(wěn)定、精度高、切電路簡單，而且成本較低。

1.2 處理器的選擇

（1）使用傳統(tǒng)8051內(nèi)核單片機，運行速度慢，程序儲存空間小。

（2）使用增強型8051內(nèi)核單片機，運行速度快程序儲存空間可達64K，成本低、操作方便、電路簡單。

（3）使用STM32系列單片機，電路復(fù)雜、操作難、成本高。

本設(shè)計采用增強型80c51內(nèi)核STC8A8K單片機，運行速度是傳統(tǒng)51內(nèi)核單片機的20倍。它擁有8 K的ARM和64 K的程序儲存空間，且不需要外部晶振，最小系統(tǒng)簡單方便、成本低。

2 系統(tǒng)整體方案及軟件設(shè)計

本系統(tǒng)主要包括信號采集單元、語音報警單元、單片機數(shù)據(jù)處理單元、顯示和鍵盤設(shè)置單元、電源降壓單元和鋰電池充電單元組成，其中信號采集單元包括有稱重重量采集電路（采樣）和A/D轉(zhuǎn)換電路。

2.1 信號采集單元設(shè)計

本部分使用4塊應(yīng)變片組成全橋式電橋分別安裝在金屬懸臂梁上的兩端，為了使電橋檢測更加穩(wěn)定，分別將兩組應(yīng)變片互為交叉式地貼在了金屬懸臂梁上。

在將應(yīng)變片貼于金屬懸臂梁上時，應(yīng)注意保證懸臂梁上應(yīng)變片貼的位置干凈切平滑，然后使用502將應(yīng)變皮貼于金屬懸臂梁的對稱軸上，一面對應(yīng)的貼兩塊，表示一正一負。

2.2 數(shù)據(jù)顯示單元設(shè)計

顯示器選擇的方案有LED數(shù)碼管，點陣式LCD顯示屏兩大類。其中LED數(shù)碼管顯示清晰度高、視角大、電路結(jié)構(gòu)簡單，但是所能顯示的信息較少，不能滿足一些地方需要顯示漢字的要求。點陣式的LCD顯示屏，視角小、電路結(jié)構(gòu)簡單，且能顯示的信息較大，所以在此，本設(shè)計選擇了可顯示4行漢字的帶背光功能的點陣式LCD顯示屏作為系統(tǒng)操作信息的輸出窗口。

2.3 按鍵單元設(shè)計

在此系統(tǒng)中需要用到按鍵來作為人機交互。按鍵在和MCU通信的過程，可分為獨立按鍵和矩陣按鍵。使用獨立按鍵，電路簡單，操作方便，但由于獨立按鍵的特性，一個按鍵就需要一個I/O接口，考慮到本設(shè)計需要用到的按鍵較多，所以使用4×4的矩陣按鍵來作為人機交互控制。4×4矩陣鍵盤共16顆按鍵，只需要使用到8個IO接口進行逐一掃描就能判別出具體是那顆按鍵被按下。

2.4 穩(wěn)壓單元設(shè)置

穩(wěn)壓單元是通過三端穩(wěn)壓芯片來將電池的12 V電壓各降到5 V，其中涉及了2個獨立的+5 V，一個專門給系統(tǒng)供電，另一個提供信號采集部分。

2.5 稱重程序設(shè)計

如圖1所示，在此程序里可以實現(xiàn)稱重顯示，在顯示稱重界面時候如果有相應(yīng)功能按鍵被按下，那將會默認先處理對應(yīng)按鍵事件。

2.6 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計

由于系統(tǒng)測量出來的數(shù)據(jù)之間有存在一些誤差，所以對出具進行了相應(yīng)的分析，并進行了數(shù)據(jù)的算法處理，最后使測量的數(shù)據(jù)誤差小于0.05 g之內(nèi)，具體算法流程，如圖2所示。

3 系統(tǒng)測試與誤差分析

3.1 測試方法

（1）硬件模塊測試：本系統(tǒng)由電源部分、稱重傳感器電路模塊、矩陣鍵盤模塊、聲光報警模塊、MCU最小系統(tǒng)測試、LCD液晶模塊，所以要調(diào)試以上模塊。使用MCU和相對應(yīng)模塊程序單一進行模塊功能測試。

（2）軟件模塊測試：將軟件結(jié)合相應(yīng)的硬件模塊采用自下而上的調(diào)試方法，先進性模塊測試程序的調(diào)試，待全部通過之后，將所有軟件程序整合起來，最后進行整體調(diào)試。

在稱重系統(tǒng)啟動自校準之后，若顯示的值不為0，可通過去皮按鍵將稱重值清零。將待測物品放置于稱重裝置上，LCD液晶顯示器上將顯示被測物體重量，同時可通過按鍵設(shè)單價，如輸入單價將自動算出金額并顯示在LCD液晶屏上。在LCD液晶屏上可顯示操作員名稱。當單價沒有被設(shè)置時，沒有放置物體稱重，過10s時間將顯示時間和日期界面，如有按鍵按下或者有物體稱重時，系統(tǒng)將自動跳入稱重界面，顯示稱重的重量。

3.2 測試數(shù)據(jù)

將1～500 g的砝碼分別放到此設(shè)計稱重傳感器裝置上進行重量測量并記錄，分別測量3次，最后取三次測量結(jié)果的平均值。如測量結(jié)果之間誤差大于0.05 g，將從新測量并記錄數(shù)據(jù)。

測量數(shù)據(jù)對比，如表1所示：

3.3 測試對比數(shù)據(jù)

線性在進行非線性誤差擬合之前和進行線性補償之后的測試對比如圖3所示。

4 結(jié)束語

由于系統(tǒng)使用的是應(yīng)變片來組成的全橋電路，經(jīng)過系統(tǒng)初步測量得出的數(shù)據(jù)和要求相差較大，但當使用了算法對數(shù)據(jù)進行了線性擬合之后，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)與實際只有很小的偏差，但為了使這偏差為零，又再次使用了非線性補償，最后才使得數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。在稱重為2.00～500 g之間，稱重誤差要求小于0.50 g，具有去皮功能，去皮范圍不超過50 g，并且可以設(shè)置單價（元/g），可計算物品金額并實現(xiàn)金額累加、報警和語音等相應(yīng)功能。

參考文獻

[1] 杜路泉.基于單片機的電子秤設(shè)計與制作[J].太原學院學報（自然科學版），2020，38（2）：34-38.

[2] 李宏偉.基于MSP432的高精度質(zhì)檢秤設(shè)計[J].通信電源技術(shù)，2020，37（1）：109-111.

[3] Xing Hong Kuang，Zhe Yi Yao，Zhe Yi Yao，et al. High Precision Electronic Scale Design Based on MCU.2013，2748：616-619.