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单片机电子秤设计报告.pdf
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单片机电子秤设计报告
秤是一种在实际工作和生活中经常用到的测量器具。随着计量技术和电
子技术的发展,传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰,
电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多
优点而受到人们的青睐。
和传统秤相比较,电子秤利用新型传感器、高精度 AD 转换器件、单片机
设计实现,具有精度高、功能强等特点。本课题设计的电子秤具有基本称重、
键盘输入、计算价格、显示、超重报警功能。该电子秤的测量范围为 0-40Kg,
测量精度达到 5g,有高精度,低成本,易携带的特点。电子秤采用液晶显示
汉字和测量记过,比传统秤具有更高的准确性和直观性。另外,该电子秤电
路简单,使用寿命长,应用范围广,可以应用于商场、超市、家庭等场所,
成为人们日常生活中不可少的必需品。
一、功能描述
1、采用高精度电阻应变式压力传感器,测量量程 0-40kg,测量精度可达
5g。
2、采用电子秤专用模拟 /数字(A/D)转换器芯片 hx711 对传感器信号进
行调理转换, HX711 采用了海芯科技集成电路专利技术,是一款专为高精度
电子秤而设计的 24 位 A/D 转换器芯片。
3、采用 STC89C52 单片机作为主控芯片,实现称重、计算价格等主控功
能。
4、采用 128*64 汉字液晶屏显示称重重量、单价、总价等信息。
5、采用 4*4 矩阵键盘进行人机交互,键盘容量大,操作便捷。
6、具有超量程报警功能,可以通过蜂鸣器和 LED 灯报警。
7、系统通过 USB 电源供电,单片机程序也可通过 USB 线串行下载。
二、硬件设计
1、硬件方案
单片机电子秤硬件方案如图 1 所示:
称重传感器
24位A/D芯片
hx711电路
矩阵键盘 单片机主控芯片 电源系统
液晶显示
图 1 单片机电子秤硬件方案
称重传感器感应被测重力,输出微弱的毫伏级电压信号。该电压信号经
过电子秤专用模拟 /数字(A/D)转换器芯片 hx711 对传感器信号进行调理转
换。HX711 采用了海芯科技集成电路专利技术,是一款专为高精度电子秤而
设计的 24 位 A/D 转换器芯片,内置增益控制,精度高,性能稳定。 HX711 芯
片通过 2 线串行方式与单片机通信。单片机读取被测数据,进行计算转换,
再液晶屏上显示出来。
矩阵键盘主要用于计算金额。当被测物体重量得到后,用户可以通过矩
阵键盘输入单价,电子秤自动计算总金额并在液晶屏显示。电源系统给单片
机、HX711 电路及传感器供电。
2、称重传感器
传感器是测量机构最重要的部件。称重传感器本身具有单调性,其主要
参数指标是灵敏度、总误差和温度漂移。
(1) 灵敏度
称重传感器的电灵敏度为满负荷输出电压与激励电压的比值,典型值是
2mV/V。当使用 2 mV/V 灵敏度和 5 V 激励电压的传感器时,其满度输出电压
为 10 mV。通常,为了使用称重传感器线性度最好的一段称重范围,应当仅使
用满度范围的三分之二。因此满度输出电压应当大约为 6mV。当电子秤应用于
工业环境时,在 6mV 满度范围内测量微小的信号变化并非易事。
(2) 总误差
总误差是指输出误差和额定误差的比值。典型电子秤的总误差指标大约
是 0.02%,这一技术指标相当重要,它限制了使用理想信号调节电路所能达到
的精确度,决定了 ADC 分辨率的选择以及放大电路和滤波器的设计。
(3) 漂移
称重传感器也产生与时间相关的漂移。
目前常用的称重传感器有电阻应变式压力传感器、电容压力传感器、压
电式压力传感器。选用时应按稳定行、精度登记、寿命和安装环境要求考虑,
其主要特点如下:
(1) 电容式压力传感器稳定性较差,精度和灵敏度较高,寿命较短,对
环境要求苛刻,不易长距离传输。
(2) 压电式压力传感器稳定性好,精度和灵敏度高,寿命长,但大量程
的压力传感器尚待进一步研究。
(3) 电阻应变式压力传感器稳定性较好,精度和灵敏度较高,寿命较长,
对测量环境要求不太严格。
综上所述,选用电阻应变式压力传感器作为电子秤称重传感器是最为合
适的。电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成,内
部线路采用惠更斯电桥,当弹性体承受载荷产生变形时,电阻应变片(转换
元件)受到拉伸或压缩应变片变形后,它的阻值将发生变化(增大或减小) ,
从而使电桥失去平衡,产生相应的差动信号,供后续电路测量和处理。电阻
应变式传感器测量原理如图 2 所示。
图 2 电阻应变式传感器测量原理
当垂直正压力 P 作用于梁上时,梁产生形变,电阻应变片 R1、R3 受压弯
拉伸,阻值增加; R2、R4 受压缩,阻值减小。电桥失去平衡,产生不平衡电
压,不平衡电压与作用在传感器上的载菏 P 成正比,从而将非电量转化成电
量输出。
R1、R2、R3 和 R4 组成惠更斯电桥,将 2 对电阻应变片的阻值变化转变成
输出电压,其工作原理如图 3 所示。
图 3 测量电桥原理
3、电子秤专用 24 位 AD 转换芯片 HX711 及其电路
HX711 采用了海芯科技集成电路专利技术,是一款专为高精度电子秤而
设计的 24 位 A/D 转换器芯片。与同类型其它芯片相比,该芯片集成了包括
稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路,具有集成
度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本,提高了
整机的性能和可靠性。
该芯片与后端 MCU 芯片的接口和编程非常简单,所有控制信号由管脚驱
动,无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道 A 或通道
B,与其内部的低噪声可编程放大器相连。 通道 A 的可编程增益为 128 或 64,
对应的满额度差分输入信号幅值分别为± 20mV 或±40mV。通道 B 则为固定的
32 增益,用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器
和芯片内的 A/D 转换器提供电源,系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的
时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过
程。 HX711 内部方框图如图 4 所示。其外部管脚如图 5 所示。
图 4 HX711 内部方框图
图 5 HX711 外部管脚图
图 5 为 HX711 芯片应用于计价秤的一个参考电路图。该方案使用内部时
钟振荡器 (XI=0),10Hz 的输出数据速率 (RATE=0) 。电源(2.7~5.5V)直接取
用与 MCU 芯片相同的供电电源。通道 A 与传感器相连,通道 B 通过片外分压
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