基于單片機(jī)的簡易電子秤

張桂紅

摘要：系統(tǒng)主要由單片機(jī)、應(yīng)變片傳感器模塊、差動(dòng)放大模塊（由IN333構(gòu)成的）、A/D轉(zhuǎn)換模塊（HX711AD采集芯片）、顯示模塊、電源模塊組成。通過系統(tǒng)軟硬件調(diào)試，可以測量從1g～500g的重量，且誤差較小，可滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；應(yīng)變片；差動(dòng)放大；AD采集

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）24-0244-02

1 方案論證

處理器模塊：采用STC公司的STC12C5A60S2，此單片機(jī)超強(qiáng)加密、高速，高可靠、低功耗，超低價(jià)、強(qiáng)抗靜電，強(qiáng)抗干擾，且具有內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換接口不需要外接A/D轉(zhuǎn)換芯片，具有內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換PWM，操作也較為簡單，性價(jià)比較高。

傳感器模塊：采用臂全橋傳感器電路，該電路具有零點(diǎn)補(bǔ)償，消除了溫度帶來的誤差，測試結(jié)果誤差大大減小，靈敏度很高，可以用于微小物體的測量。

差動(dòng)放大模塊：采用TI公司的IN333芯片構(gòu)成差動(dòng)放大器模塊電路。IN333為集成運(yùn)放芯片，只需要給其供電，并接入一個(gè)相應(yīng)大小的電阻就可以很好的控制器放大倍數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，引入干擾較小且更為精確。

本系統(tǒng)先通過四臂全橋電路將應(yīng)變片的電阻變化量轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出，但輸出的電壓信號(hào)過小單片機(jī)無法檢測，因此該信號(hào)需經(jīng)IN333放大電路放大后再接入A/D采集模塊，最后送單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，并顯示當(dāng)前的重量。

2 理論分析與計(jì)算

2.1 應(yīng)變片的貼法和粘貼位置

應(yīng)變片的粘貼：應(yīng)變片只有與試件一同伸縮，才能較好的反映試件的應(yīng)變，所以應(yīng)變片必須粘貼在試件上粘貼要牢固。粘貼的位置對最終的測量起到至關(guān)重要的作用，位置不對測試的結(jié)果也很難準(zhǔn)確。

2.1.1 應(yīng)變片的粘貼

1）粘合劑的選用：選用粘合劑時(shí)，要根據(jù)應(yīng)變片的基片材料、工作溫度、潮濕程度、穩(wěn)定性要求、有無化學(xué)腐蝕、粘貼時(shí)間等多個(gè)因素合力選擇粘合劑。常用有502、環(huán)氧樹脂，703硅膠等。

2）試件處理：為了保證一定的粘合強(qiáng)度，必須將試件表面處理干凈，清除雜質(zhì)、油污及表面氧化層等。粘貼表面保持平整，表面光滑。

2.1.2應(yīng)變片的位置

粘貼應(yīng)變片的位置很重要，對試件進(jìn)行分析計(jì)算找出試件的應(yīng)變區(qū)將應(yīng)變片良好的粘貼在應(yīng)變區(qū)才會(huì)得到較準(zhǔn)確的測量數(shù)值。

軸向拉伸試驗(yàn)，粘貼在應(yīng)變區(qū)后粘貼角度也會(huì)影響最終的測量。假設(shè)軸向應(yīng)變?yōu)锳，橫向變形系數(shù)為U，橫向應(yīng)變?yōu)?UA，粘貼角度偏差為X。則實(shí)際應(yīng)變?yōu)椤?/p>

2.2 四臂全橋

四臂全橋在實(shí)驗(yàn)過程中四個(gè)橋臂的電阻阻值都會(huì)發(fā)生變化，且四臂電橋相比于單臂和雙臂電橋測量準(zhǔn)確性大大提高，也更加靈敏，具有零點(diǎn)補(bǔ)償，和溫度補(bǔ)償在惡劣環(huán)境中也可以較好工作。并且在橋式電路中相鄰應(yīng)變片應(yīng)該接相反電阻變化的（即拉伸的應(yīng)變片與壓縮的應(yīng)變片必須都相鄰）。電橋電路如圖1所示：

2.3 輸入輸出數(shù)據(jù)擬合方程

通過A/D采集模塊后，單片機(jī)會(huì)接收到電壓值所對應(yīng)的數(shù)字量，必須找到該數(shù)字量與砝碼重量的對應(yīng)關(guān)系。因此將1g～500g砝碼依次放入托盤，測量10次加砝碼和減砝碼的數(shù)據(jù)，通過excel表格，找出多次測試數(shù)據(jù)之間的擬合方程，依據(jù)該擬合進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

2.4 懸臂梁選擇

懸臂梁在試驗(yàn)中起著至關(guān)重要的作用，應(yīng)變片粘貼在上面，主要的受力體與形變體。懸臂梁的形狀是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性決定性因素，懸臂梁材料最好選用鋁合金或其他合金其形變性更好，對應(yīng)變力的測量更為準(zhǔn)確，其他材料也可以作為懸臂梁的材料但測量結(jié)果與合金相比還是有一定差距。市面上的懸臂梁都是合金材料，不含鐵，無法滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)最終確定用兩片鋼條（含鐵，可被磁鐵吸附）來作為懸臂梁。

3 電路與程序設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由應(yīng)變片傳感器模塊、差動(dòng)放大模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、電源模塊組成。應(yīng)變片傳感器模塊主要由傳感器橋式電路構(gòu)成；差動(dòng)放大模塊主要由IN333構(gòu)成差動(dòng)放大電路；A/D采集模塊主要由HX711AD采集芯片來實(shí)現(xiàn)；顯示模塊采用顯示較為全面直觀的12864作為顯示器件；電源模塊用的是整流橋加三端穩(wěn)壓管構(gòu)成直流穩(wěn)壓電源。

3.2硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)部分主要是差動(dòng)放大電路，差動(dòng)放大電路是由TI公司的芯片IN333、基準(zhǔn)源構(gòu)成。IN333是TI公司生產(chǎn)的一款自歸零的儀表放大器，具有軌到軌輸入輸出特性，同時(shí)其內(nèi)建的射頻干擾濾波器可以有效減少空中電磁波對儀表放大器輸入級(jí)的影響，并且芯片的REF引腳可以使輸出含有一個(gè)固定的直流偏置，方便后端運(yùn)放或ADC電路的設(shè)計(jì)，同樣的需要一個(gè)低阻抗的電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。