基于STC15W408S和HX711的高精度數(shù)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，主要用來在商品貿易時計量質量，其使用領域廣泛，小至商品雜貨店，大至工農業(yè)、醫(yī)療等領域。滲入到人民生活的方方面面，與傳統(tǒng)機械秤相比，現(xiàn)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，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]到電子衡器的性價比、穩(wěn)定度及精度，設計了一款集傳感器技術、電子技術和網絡技術于一體的多功能、小功耗、簡單易用、速度快的高精度數(shù)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、鍵盤模塊以及報警模塊等，其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

　　圖1 電子秤系統(tǒng)原理框圖

　　電源模塊用來給系統(tǒng)提供+5V直流穩(wěn)定電壓。當被測物體放置在秤盤上時，物體的壓力傳到橋式壓敏電阻傳感器，此時傳感器因受力不均而產生形變，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A/D轉換芯片HX711轉換成高精度的數(shù)字信號，并送到單片機進行儲存和處理。當鍵盤模塊有按鍵按下時，單片機會進行必要的判斷和分析，并根據(jù)該按鍵的功能，進行去皮、稱重、計算、顯示、查詢、報警等相應功能的實現(xiàn)。

　　2、系統(tǒng)硬件設計

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

　　2.1、單片機控制模塊

　　考慮價格、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可以實現(xiàn)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公司生產的一種低功耗、高性能8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器，512字節(jié)RAM，42個I/O口線，內置5KBEEPROM，3個16位定時/計數(shù)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(shù)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、稱重傳感器

　　稱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，作為電子秤的關鍵組成部件之一，稱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(shù)據(jù)的可靠性和精確度。

　　稱重傳感器的工作原理如圖3所示。

　　圖3 稱重傳感器電路

　　圖3中，惠斯登電橋輸出電壓為：

　　為實現(xiàn)電子秤設計的高精度，高穩(wěn)定性要求，在眾多的稱重傳感器中，本產品設計選用了BF350稱重傳感器，其靈敏系數(shù)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、粘貼簡單，焊接方便，并可消除溫度變化和微小波動帶來的影響，實現(xiàn)高穩(wěn)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(wěn)定性要求，系統(tǒng)采用片內集成穩(wěn)壓電源、時鐘振蕩器等電路的高集成度24位A/D轉換芯HX711，其編程簡單、響應速度快，使用時無需外接元件，并具備上電自動復位功能。稱重傳感器輸出的模擬電壓信號通過選擇A或B通道傳輸?shù)紿X711，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單，只需DOUT、SCK接入單片機的I/O口上，就可以進行信號傳輸。BF350稱重傳感器、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(tǒng)中，LCD1602是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊，工作在4.5~5.0V電壓環(huán)境下，可顯示2行共32個字符，其功耗低、性能穩(wěn)定、使用簡單，其管腳分為控制端口、數(shù)據(jù)端口、調整端口和電源端，其中調整端口需外接10K電位器，通過電位器可以調節(jié)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，內置稱重傳感器將受到損壞。在充分考慮實用性和性價比的前提下，設置了超重報警電路。超重報警電路如圖6所示。系統(tǒng)設計中，其內分度為0.1g，最大稱重為20kg，分度數(shù)為200000。當被測物體重量超出量程范圍時，STC15W408S的P1.5端口產生低電平，加在PNP型的三極管9013基極上，此時三極管導通，電路驅動蜂鳴器，產生報警聲;當被測物體重量在量程范圍內，STC15W408S的P1.5端口產生高電平，加在三極管9013基極上，此時三極管截止，電路不工作，蜂鳴器不會發(fā)出報警聲。

　　圖6 超重報警電路

　　3、系統(tǒng)軟件設計

　　主程序主要用來進行系統(tǒng)初始化，統(tǒng)一管理和調用各個子程序，使系統(tǒng)運行有條不紊。子程序則包括數(shù)據(jù)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，各個子程序分工明確，統(tǒng)一協(xié)調，完成本設計一系列功能設計，實現(xiàn)去皮、稱重、計算、顯示、查詢、報警等功能。

　　圖7 軟件設計流程圖

　　4、系統(tǒng)性能測試

　　表1為部分實測數(shù)據(jù)，測試與數(shù)據(jù)分析表明，此電子秤系統(tǒng)相對誤差小于等于0.4%，其精確度較高，穩(wěn)定性良好。

　　表1系統(tǒng)測量值

　　5、結語

　　隨著科技的不斷創(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，技術性能趨向于高速率、高精度、高穩(wěn)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性能上、使用上都滿足了各行業(yè)對于現(xiàn)代電子衡器的需求，并且模塊化的設計使得本產品具有通用性、靈活性和穩(wěn)定性，稍加修改和擴展，能夠具有更廣泛的推廣和應用價值，使電子秤的整體化水平得到更好的發(fā)展。