基于STC15W408S和HX711的高精度數字顯示電子秤的設計

　　引言

　　電子秤，是人們日常生活中十分普遍而又必不可少的一種使用工具，主要用來(lái)在商品貿易時(shí)計量質(zhì)量，其使用領(lǐng)域廣泛，小至商品雜貨店，大至工農業(yè)、醫療等領(lǐng)域。滲入到人民生活的方方面面，與傳統機械秤相比，現代電子秤的發(fā)展趨向于小型化、智能化方向，且具有重量輕、成本低、速率快等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在一定的局限性，例如要求具有更高的抗干擾能力和更高的精度等?？紤]到電子衡器的性?xún)r(jià)比、穩定度及精度，設計了一款集傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)于一體的多功能、小功耗、簡(jiǎn)單易用、速度快的高精度數字化電子秤。

　　1、基于HX711的高精度電子秤結構與原理

　　高精度電子秤以STC15W408S單片機作為主控部件，連接各個(gè)子模塊，子模塊主要包括電源模塊、信號采集轉換模塊、LCD顯示模塊、鍵盤(pán)模塊以及報警模塊等，其系統原理圖如圖1所示。

　　圖1 電子秤系統原理框圖

　　電源模塊用來(lái)給系統提供+5V直流穩定電壓。當被測物體放置在秤盤(pán)上時(shí)，物體的壓力傳到橋式壓敏電阻傳感器，此時(shí)傳感器因受力不均而產(chǎn)生形變，電阻阻值隨之改變，并導致電橋失衡輸出與被測物體的重量成正比的模擬電壓信號，該模擬電壓信號放大后經(jīng)A/D轉換芯片HX711轉換成高精度的數字信號，并送到單片機進(jìn)行儲存和處理。當鍵盤(pán)模塊有按鍵按下時(shí)，單片機會(huì )進(jìn)行必要的判斷和分析，并根據該按鍵的功能，進(jìn)行去皮、稱(chēng)重、計算、顯示、查詢(xún)、報警等相應功能的實(shí)現。

　　2、系統硬件設計

　　電子秤的硬件電路由功能不同的各個(gè)模塊組成，各個(gè)模塊獨立設計并檢測，最終組合成一個(gè)整體并進(jìn)行性能測試。

　　2.1、單片機控制模塊

　　考慮價(jià)格、性能多方面要求，在信息控制和處理模塊上，采用了STC15W408S單片機，不僅在設計上STC15W408S可以實(shí)現測量和控制要求，在性能上，其重量輕、體積小、功耗低，提高了電子秤的便攜性。其引腳電路如圖2所示。

　　圖2 STC15W408S引腳電路圖

　　STC15W408S是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能8位微控制器，具有8K字節系統可編程Flash存儲器，512字節RAM，42個(gè)I/O口線(xiàn)，內置5KBEEPROM，3個(gè)16位定時(shí)/計數器，并支持全雙工串行通信、掉電喚醒、外部中斷等。

　　單片機STC15W408S的P1.0、P1.1端口用于與高精度A/D轉換芯片HX711管腳的SCK、DOUT連接，接收數字信號;P1.5端口用于報警提示，與蜂鳴器電路相連;P0端口用于與液晶LCD1602傳輸信號。

　　2.2、稱(chēng)重傳感器

　　稱(chēng)重傳感器是一種能感受壓力并將感受到的壓力信號轉換成與被測物體重量成比例的可用于輸出信號的傳感器，作為電子秤的關(guān)鍵組成部件之一，稱(chēng)重傳感器的選擇十分重要，其性能的好與壞，極大程度上決定了電子秤測量數據的可靠性和精確度。

　　稱(chēng)重傳感器的工作原理如圖3所示。

　　圖3 稱(chēng)重傳感器電路

　　圖3中，惠斯登電橋輸出電壓為：

　　為實(shí)現電子秤設計的高精度，高穩定性要求，在眾多的稱(chēng)重傳感器中，本產(chǎn)品設計選用了BF350稱(chēng)重傳感器，其靈敏系數為2.00-2.20，精度等級為0.02級，應變極限為2.0%，且功耗低、易于散熱、粘貼簡(jiǎn)單，焊接方便，并可消除溫度變化和微小波動(dòng)帶來(lái)的影響，實(shí)現高穩定性的靜態(tài)測量。

　　2.3、A/D轉換芯片

　　為達到本設計的高精度和高穩定性要求，系統采用片內集成穩壓電源、時(shí)鐘振蕩器等電路的高集成度24位A/D轉換芯HX711，其編程簡(jiǎn)單、響應速度快，使用時(shí)無(wú)需外接元件，并具備上電自動(dòng)復位功能。稱(chēng)重傳感器輸出的模擬電壓信號通過(guò)選擇A或B通道傳輸到HX711，其中A通道的可編程增益為128或64，B通道則為固定的32增益。HX711與后端的單片機接口電路簡(jiǎn)單，只需DOUT、SCK接入單片機的I/O口上，就可以進(jìn)行信號傳輸。BF350稱(chēng)重傳感器、HX711芯片與單片機間接口電路如圖4所示。

　　圖4 BF350稱(chēng)重傳感器、HX711芯片與單片機間接口電路

　　2.4、液晶顯示模塊

　　在單片機系統中，LCD1602是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示字母、數字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊，工作在4.5~5.0V電壓環(huán)境下，可顯示2行共32個(gè)字符，其功耗低、性能穩定、使用簡(jiǎn)單，其管腳分為控制端口、數據端口、調整端口和電源端，其中調整端口需外接10K電位器，通過(guò)電位器可以調節字符顯示亮度。LCD1602與單片機接口電路如圖5所示。

　　圖5 LCD1602與單片機接口電路

　　2.5、超重報警電路

　　電子秤作為一種計量工具，有一定的量程范圍，當被測物體重量超出量程范圍時(shí)，內置稱(chēng)重傳感器將受到損壞。在充分考慮實(shí)用性和性?xún)r(jià)比的前提下，設置了超重報警電路。超重報警電路如圖6所示。系統設計中，其內分度為0.1g，最大稱(chēng)重為20kg，分度數為200000。當被測物體重量超出量程范圍時(shí)，STC15W408S的P1.5端口產(chǎn)生低電平，加在PNP型的三極管9013基極上，此時(shí)三極管導通，電路驅動(dòng)蜂鳴器，產(chǎn)生報警聲;當被測物體重量在量程范圍內，STC15W408S的P1.5端口產(chǎn)生高電平，加在三極管9013基極上，此時(shí)三極管截止，電路不工作，蜂鳴器不會(huì )發(fā)出報警聲。

　　圖6 超重報警電路

　　3、系統軟件設計

　　主程序主要用來(lái)進(jìn)行系統初始化，統一管理和調用各個(gè)子程序，使系統運行有條不紊。子程序則包括數據采集程序、A/D轉換程序、按鍵功能程序、LCD顯示程序和報警程序，各個(gè)子程序分工明確，統一協(xié)調，完成本設計一系列功能設計，實(shí)現去皮、稱(chēng)重、計算、顯示、查詢(xún)、報警等功能。

　　圖7 軟件設計流程圖

　　4、系統性能測試

　　表1為部分實(shí)測數據，測試與數據分析表明，此電子秤系統相對誤差小于等于0.4%，其精確度較高，穩定性良好。

　　表1系統測量值

　　5、結語(yǔ)

　　隨著(zhù)科技的不斷創(chuàng )新與發(fā)展，電子衡器向小型化、模塊化、整體化、集成化方向發(fā)展，技術(shù)性能趨向于高速率、高精度、高穩定性方向發(fā)展，在這樣的發(fā)展趨勢下，此設計完成的電子秤在技術(shù)性能上、使用上都滿(mǎn)足了各行業(yè)對于現代電子衡器的需求，并且模塊化的設計使得本產(chǎn)品具有通用性、靈活性和穩定性，稍加修改和擴展，能夠具有更廣泛的推廣和應用價(jià)值，使電子秤的整體化水平得到更好的發(fā)展。