基于24位A/D轉(zhuǎn)換的高精度電子秤的設(shè)計(jì)引言物料計(jì)量是工業(yè)生產(chǎn)與貿(mào)易流通中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。稱重裝置是其中不可或缺的計(jì)量工具之一。集現(xiàn)代傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的電子秤，具有稱量快速、顯示直觀、不易磨損等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠有效地消除人為誤差，使之更符合法制計(jì)量管理和工業(yè)生產(chǎn)過程控制的應(yīng)用要求，因而正逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)械杠桿測量秤成為主流產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)采用AT89C52單片機(jī)為控制核心，結(jié)合電阻應(yīng)變式壓力傳感器和A/D轉(zhuǎn)換芯片HX711，設(shè)計(jì)出一種低成本、高性能的電子秤。

1、基于單片機(jī)控制的電子秤結(jié)構(gòu)與原理

本設(shè)計(jì)中電子秤的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其原理為橋式壓敏電阻傳感器將被測物體的重量轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，電壓信號(hào)的強(qiáng)弱隨物重的大小而變化。NTC熱敏電阻傳感器進(jìn)行環(huán)境溫度測量。A/D轉(zhuǎn)換芯片HX711作為計(jì)量和NTC溫度補(bǔ)償?shù)?a target="_blank">轉(zhuǎn)換器，將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，得到的數(shù)字量與物重成正比。AT89C52單片機(jī)負(fù)責(zé)處理數(shù)字信號(hào)，并通過LCD顯示物體的質(zhì)量。通過按鍵輸入被測物體的單價(jià)，單片機(jī)將物重及單價(jià)經(jīng)過乘法運(yùn)算產(chǎn)生總價(jià)，并在LCD顯示器上顯示。此外，電子秤還可以將被測物體的質(zhì)量、單價(jià)、總價(jià)等信息打印輸出。

圖1 ?電子秤的結(jié)構(gòu)

2、硬件設(shè)計(jì)

2.1、橋式壓敏電阻傳感器設(shè)計(jì)

圖2所示為橋式壓敏電阻傳感器，橋式壓敏電阻傳感器主要利用電阻應(yīng)變片形變，將相應(yīng)的壓力轉(zhuǎn)換成電參數(shù)的。電參數(shù)經(jīng)由濾波電路濾波之后輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

圖2 橋式壓敏電阻傳感器

2.2、濾波電路

采用的復(fù)式濾波電路如圖3所示，把對(duì)交流阻抗大的元件電感與負(fù)載串聯(lián)，以降落較大的紋波電壓，而把對(duì)交流阻抗小的元件電容與負(fù)載并聯(lián)，以旁路較大的紋波電流。其濾波原理與電容、電感濾波類似，它實(shí)質(zhì)上是電容濾波與一級(jí)LC濾波電路的組合?？蓽p小脈動(dòng)成分，使輸出電壓更平滑，抗外部干擾性更好。

2.3、A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

濾波之后得到的電壓信號(hào)是模擬信號(hào)。而單片機(jī)處理的是數(shù)字信號(hào)。因此，模擬量要輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，首先要經(jīng)過模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的部件稱A/D轉(zhuǎn)換器。設(shè)計(jì)中使用的重量傳感器為傳統(tǒng)的橋式傳感器，這就要求模塊輸出位數(shù)至少為15位（2^15=32768），傳統(tǒng)的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器已不能滿足要求。HX711是一款高精度的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片，內(nèi)置增益控制，精度高，性能穩(wěn)定。該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。因此，采用HX711作為本設(shè)計(jì)的A/D模塊。A/D轉(zhuǎn)換模塊如圖4所示。

圖3 ?復(fù) 式濾波電路

HX711的通道A模擬差分輸入可直接與橋式傳感器的差分輸出相接。由于橋式傳感器輸出的信號(hào)較小，為了充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的輸入動(dòng)態(tài)范圍，該通道的可編程增益較大，為128或64。這些增益所對(duì)應(yīng)的滿量程差分輸入電壓分別±20mV或±40mV。通道B為固定的32增益，所對(duì)應(yīng)的滿量程差分輸入電壓為±80mV。通道B應(yīng)用于溫度參數(shù)檢測。HX711通過采集A通道的重量傳感器模擬量及B通道的溫度傳感器模擬量后轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，以多位數(shù)據(jù)的串口傳輸形式，輸送給單片機(jī)。串口通信線由管腳PD_SCK和DOUT組成，用來輸出數(shù)據(jù)，選擇輸入通道和增益。

圖4 ?A/D轉(zhuǎn)換模塊

2.4、溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)

橋式壓敏電阻傳感器為半導(dǎo)體，在輸入壓力的數(shù)值不變的情況下，當(dāng)工作溫度變化時(shí)將引起傳感器輸出發(fā)生變化，傳感器的輸出信號(hào)產(chǎn)生溫度漂移，影響物體質(zhì)量的測量精度。針對(duì)壓敏電阻傳感器溫度特性差的問題，本設(shè)計(jì)采用NTC環(huán)氧封裝熱敏電阻傳感器進(jìn)行環(huán)境溫度測量，繼而可以對(duì)稱重傳感器在當(dāng)時(shí)溫度下（正常使用溫度范圍內(nèi)-30℃~70℃）的重量漂移進(jìn)行修正補(bǔ)償處理。此修正補(bǔ)償系數(shù)，通過對(duì)應(yīng)的溫度環(huán)境下以2Kg標(biāo)準(zhǔn)砝碼作為標(biāo)定（標(biāo)定，即秤的重量校準(zhǔn)）的值實(shí)際測量數(shù)據(jù)得到。對(duì)應(yīng)有一個(gè)R-T溫度阻值變化表，通過查表法可推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度，即可用于秤體的溫度重量補(bǔ)償和修正。R-T特性曲線示意圖如圖5所示。

圖5 ?R-T特性曲線示意圖

2.5、電源設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的打印機(jī)的12V電源采用了3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片LM2576HVT-12方案，將220V的交流電壓通過整流橋，濾波，再通過LM2576HVT-12集成穩(wěn)壓管得到穩(wěn)定的12V直流穩(wěn)壓電源。另外為保障AD采集的穩(wěn)定性，HX711芯片單獨(dú)使用一路5V電源，該5V電源使用打印機(jī)的12V電源輸入，通過LM1117-5.0DC-DC穩(wěn)壓芯片得到穩(wěn)定的5V電源，另一路5V電源供其他功能模塊使用，采用LM1117-5.0LDO穩(wěn)壓芯片，共兩路5V電源。圖6為電源轉(zhuǎn)換示意圖。

圖6 ?電 源轉(zhuǎn)換示意圖

3、軟件設(shè)計(jì)

為了方便程序調(diào)試和提高可靠性，程序設(shè)計(jì)采用自上而下、模塊化、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，把總的編程過程逐步細(xì)分，分解成一個(gè)個(gè)功能模塊，每個(gè)功能模塊相互獨(dú)立，每個(gè)模塊都能完成一個(gè)明確的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)某個(gè)具體的

圖7 ?軟件設(shè)計(jì)流程圖

4、結(jié)語

將電子技術(shù)的原理運(yùn)用到日常生活中，以解決實(shí)際生活和生產(chǎn)中遇到的問題，設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品就找到了需求，從而會(huì)有更強(qiáng)的生命力。本文設(shè)計(jì)的電子秤融合了微處理技術(shù)、傳感器技術(shù)和數(shù)字顯示技術(shù)，具有精度高，抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。