摘要
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、磅秤等装置逐步被淘汰。而电子秤是将传感器技术、信息处理、电子技术等技术综合一体的现代新型称重仪器。电子秤计量准确、快速方便，并且能实现自动称重和数字显示。
本作品主要以STC89C52单片机为控制核心，针对电子秤的自动称重、单价设置、金额计算与累加和去皮功能进行设计。电子秤由六个功能模块组成，传感器模块、信号调理模块、单片机控制模块、报警模块、显示模块和按键模块。本设计由电阻应变片桥式传感器进行数据采集，所得差模信号经HX711型芯片的放大和转换，再由单片机的控制和处理，最后在显示屏上显示重量、单价和金额等。该设计很好的完成了设计要求，效率高，误差较小。
关键词：电子秤；STC89C52单片机；电阻应变片桥式传感器；HX711
目录
1 方案论证与比较 ......................................................................................................................................... 1
1.1传感器模块方案 ............................................................................................................................... 1
1.2信号调理模块方案 ........................................................................................................................... 1
1.3单片机控制模块方案 ....................................................................................................................... 1
1.4显示模块方案 ................................................................................................................................... 2
1.5按键模块方案 ................................................................................................................................... 2
1.6报警模块方案 ................................................................................................................................... 2
2理论分析与计算 .......................................................................................................................................... 3
2.1电阻应变片传感器 ........................................................................................................................... 3
2.2 HX711信号处理模块 ....................................................................................................................... 4
2.3 STC89C52单片机控制模块 .............................................................................................................. 4
2.4 LCD1602显示 .................................................................................................................................... 4
2.5 4×4矩阵键盘 ................................................................................................................................... 4
3系统硬件设计 .............................................................................................................................................. 4
3.1 电阻应变片电桥电路 ...................................................................................................................... 5
3.2 HX711信号调理电路 ....................................................................................................................... 6
3.3 单片机控制系统电路 ...................................................................................................................... 6
3.4显示电路与单片机接口电路 ........................................................................................................... 7
3.5 按键电路与单片机接口电路 .......................................................................................................... 7
3.6蜂鸣器超重报警系统电路 ............................................................................................................... 8
4系统软件设计 .............................................................................................................................................. 8
5系统调试 ...................................................................................................................................................... 9
5.1测试方法与仪器 ............................................................................................................................... 9
5.1.1测试方法 .............................................................................................................................. 9
5.1.2测试仪器 .............................................................................................................................. 9
5.2数据测试与分析 ............................................................................................................................... 9
6总结 ............................................................................................................................................................ 10
参考文献 ....................................................................................................................................................... 10
1方案论证与比较
1.1传感器模块方案
采用电阻应变片桥式传感器。它主要由弹性体和电阻应变片等组成，内部线路采用惠更斯电桥。当弹性体承受载荷产生形变时，电阻应变片受到拉伸或压缩而产生变形后，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，供后续电路测量和转换。
在制作传感器时，一般采用细砂纸对构件进行交叉打磨，如有条件可采用喷砂处理。当贴片位置固定后，取适量胶液均匀涂刷在被粘处表面，将应变计表面准确粘贴在试件表面。要判断粘贴层是否有气泡和杂质，敏感栅有无断栅和变形。应变片粘贴前后的阻值变化，绝缘电阻等是否符合要求。
该方案测量精度高，较为稳定，可操作性强。
1.2信号调理模块方案
方案一：采用24位AD转换芯片HX711。HX711内部不仅集成了信号放大模块，而且包含了一款高精度的24位A/D转换器。同时，HX711内部还集成了完成放大和转换功能所需要的一些外围电路，例如电源电路和时钟振荡电路等。它与单片机的接口电路简单，不需要对芯片内部的寄存器进行编程。
方案二：采用AD620仪用放大器和ADS1100型A/D转换器。AD620通过外接电阻来设置放大倍数，增益范围可调，精度较高。ADS1100是一款全差分输入、有自校准功能的16位模数转换器。将这两个模块连接形成电路，可以完成设计指标。
综上：方案二电路连接复杂，元器件使用较多；方案一精确度高，成本低，抗干扰能力强且响应迅速。故选择方案一。
1.3单片机控制模块方案
本设计采用STC89C52单片机作为核心控制中心。STC89C52单片机是一种低功耗、高性能、抗干扰超强的CMOS8位微控制器。该器件与工业标准的MCS-51指令集和输出
管脚完全兼容，同时，与其他51系列单片机相比内部存储空间更大，指令执行速度更快。
1.4显示模块方案
方案一：采用LCD液晶显示。液晶显示器利用液晶的物理特性，通过电压对显示区域进行控制，有电就显示。其画质高且不会闪烁，和单片机的接口更加简单可靠，操作更加方便，耗电量低，可以显示字符。
方案二：采用LED数码管显示。它是一种常用的显示器件，内部由8个发光二极管构成，其中7个组成字形“8”，另一个显示小数点。使用时，只要引出它们的公共电极就可以。
综上：方案二显示的信息有限，容易闪烁，功耗高，数码管级联复杂且成本较高；方案一显示信息量大且质量较高，功耗低，使用周期长，人机交换界面美观。故选择方案一。
1.5按键模块方案
方案一：采用4×4矩阵键盘。它采用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成键盘。在行线和列线的每一个交叉点上设置按键，不能直接连通。利用矩阵键盘可以显示0-9数字、小数点和5个功能键。在需要的按键数量较多时，采用矩阵法连接键盘比较合理。
方案二：采用intel8279专用键盘处理芯片。它含有键盘输入和显示器输出两种功能。芯片本身能完成对按键的编码、扫描、消抖和重键等处理。是一种通用的可编程键盘、显示接口器件。
综上：考虑到成本因素，方案二可能不是最佳选择。方案一相对专用芯片可以节省成本，灵活性更强。故选择方案一。
1.6报警模块方案
报警电路是由单片机的I/O口来控制的，当称重物体的重量超过系统设计所允许的重量时，通过程序使单片机的I/O值为高电平，使蜂鸣器发出报警声。
2理论分析与计算
2.1电阻应变片传感器
电阻应变片把导体形变的物理信号转换成电阻变化的信号，但是由于变化的阻值一般都很小，直接测量得到的结果很不准确。所以，一般采用直流供电的电阻电桥将其转换成电压的变化。如图，R1、R2、R3、R4组成惠斯通电桥，将电阻应变片的阻值变化转化成输出电压。
图2.1电阻桥（单桥）连接图
流过电阻R1和R2的电流I1：I1=R1+R2R2两端的电压V2： V2=I1×R2=VCC×R1+R2流过电阻R3和Rx的电流I2： I2=R3+Rx
R3两端的电压V3：V3=I2 ×R3=VCC×R3+Rx
V2和V3的电压差： ∆V=V2-V3=VCC×(R1+R2−R3+Rx由此可以看出：
当R1=R2=R3=Rx时，∆V=0，即电桥处于平衡状态；而Rx发生变化时会导致∆V发生变化。在本设计中，将R1、R2、R3、Rx全部换成电阻应变片（即采用全桥法），当其受外力作用而阻值改变时，将差分电压∆V通过放大和A/D采样转换成相应的电压值。
R2R3R3VCCR2VCC
2.2 HX711信号处理模块
HX711芯片功能非常强大，内部集成了信号放大与A/D转换模块。当传感器的输出电压为毫伏级时，可通过选择芯片内部的增益倍数（32、64或128倍）使其放大，再通过模数转换送至单片机，作进一步的数据处理。
2.3 STC89C52单片机控制模块
STC89C52单片机作为本设计的核心控制中心，在整个系统中主要负责数据的处理、控制和交换等作用。此中心模块能够接受A/D转换后的传感器信号，同时也能接受扫描后的键盘的输入信号，计算价格后控制显示器的相应输出。并且，这种控制芯片内存大、可靠性高、速度快且价格便宜，是一种优良的选择。
2.4 LCD1602显示
在本设计中，选用LCD1602液晶显示，可显示两行字符（数字），通过单片机对它的程序设定，能够显示出重量、单价、金额等。
2.5 4×4矩阵键盘
该按键电路主要用来手动输入物品的单价，实现人机交换的功能。它包括数字键0-9、小数点、去皮键、清零键和累加键等。
3系统硬件设计
系统硬件的总体设计框图如图3.1所示。
图3.1硬件电路总体框图
3.1电阻应变片电桥电路
本设计在电桥中连入四枚电阻应变片（全桥法），提高了输出电压的灵敏，四个电阻的初始值R=R1=R2=R3=R4=1K，其变化值 ∆R=∆R1= ∆R2= ∆R3= ∆R4，输出电压∆V=R×VCC。电位器RV2用来空载调零。 ΔR
图3.1电阻应变片全桥电路连接图
3.2 HX711信号调理电路
电阻应变片压力传感器输出的差模信号可直接送入HX711,利用HX711内部通道A可编程增益（128倍）对信号进行放大，再经由后半部分的A/D转换把采集到的24位高低电平通过DOUT送至单片机进行处理。
图3.2 HX711电路连接图
3.3单片机控制系统电路
STC89C52单片机最小系统包括电源电路、晶振电路和复位电路。
图3.3 STC89C52单片机最小系统图
3.4显示电路与单片机接口电路
根据设计的要求，如图3.4所示，将LCD1602的数据端口D0-D7口与单片机P0口相连，RS端接P2.6，R/W端接P2.5，E端接P2.7，用来控制显示器的显示。
图3.4LCD1602电路连接图
3.5按键电路与单片机接口电路
在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。
图3.5a4×4矩阵键盘电路连接图 图3.5b 多功能数字键盘图
3.6蜂鸣器超重报警系统电路
如图3.6所示。
图3.6蜂鸣器报警电路
4系统软件设计
如图4.1，程序开始执行后，首先对各个端口和功能键进行初始化；另一边启动HX711转换器，对信号进行放大和模数转换；然后在单片机内部进行数据判断，若超重则启动报警电路，若没有超重则继续扫描键盘；当按下功能键时，则执行相应指令，并用LCD1602显示重量、单价和总价。一轮结束后，再进行第二次测量。
图4.1主程序流程图
5系统调试
5.1测试方法与仪器
5.1.1测试方法
首先按照电路原理连接电路，然后在称盘中由小到大依次添加不同重量（5.00g-500g）的砝码，并通过手动按下不同按键给单片机输入不同的指令，在显示屏上读出实测重量、单价、金额，同时，选择相应按键验证是否具有累加、去皮、清零等功能。
5.1.2测试仪器
+5V电源、砝码、万用表
5.2数据测试与分析
数据的测试如表1所示。
表1 数据测试表
测试效果：
1、 砝码重量小于50g，误差小于0.5g；砝码重量在50g及以上时，误差小于1g。
2、 可手动输入不同的单价（1-2位数），LCD显示屏上能显示单价与金额。
3、 二次测量后，可实现金额累加。
4、 去皮范围未超过100g。
5、 当所添加物体超重时，可实现报警功能。
6总结
本设计基于高精度专用电子秤A/D转换芯片HX711，通过单片机对自制传感器信号的核心控制和处理，设计并制作完成了对称重范围在5.00g-500g的重量的检测。当重量小于50g时，误差小于0.5g ；当重量在50g及以上时，误差小于1g 。并且，该简易电子秤可设置单价，可以计算金额，可以实现累加和去皮功能，且去皮范围小于100g。本作品电路整体结构完善，工作稳定，效率极高。
参考文献
[1] 谭浩强著. C语言程序设计(第三版). 清华大学出版社
,2005
[2]康光华等.电子技术基础模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社,2006
[3]黄争.数据转换器应用手册[M].北京：电子工业出版社，2010
[4]马建明.数据采集与处理技术（第三版）[M].西安：西安交通大学出版社，2012
[5]程林.超省电型电子秤的设计方案[J].福建：福建省计量科学技术研究所，2008
摘要
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、磅秤等装置逐步被淘汰。而电子秤是将传感器技术、信息处理、电子技术等技术综合一体的现代新型称重仪器。电子秤计量准确、快速方便，并且能实现自动称重和数字显示。
本作品主要以STC89C52单片机为控制核心，针对电子秤的自动称重、单价设置、金额计算与累加和去皮功能进行设计。电子秤由六个功能模块组成，传感器模块、信号调理模块、单片机控制模块、报警模块、显示模块和按键模块。本设计由电阻应变片桥式传感器进行数据采集，所得差模信号经HX711型芯片的放大和转换，再由单片机的控制和处理，最后在显示屏上显示重量、单价和金额等。该设计很好的完成了设计要求，效率高，误差较小。
关键词：电子秤；STC89C52单片机；电阻应变片桥式传感器；HX711
目录
1 方案论证与比较 ......................................................................................................................................... 1
1.1传感器模块方案 ............................................................................................................................... 1
1.2信号调理模块方案 ........................................................................................................................... 1
1.3单片机控制模块方案 ....................................................................................................................... 1
1.4显示模块方案 ................................................................................................................................... 2
1.5按键模块方案 ................................................................................................................................... 2
1.6报警模块方案 ................................................................................................................................... 2
2理论分析与计算 .......................................................................................................................................... 3
2.1电阻应变片传感器 ........................................................................................................................... 3
2.2 HX711信号处理模块 ....................................................................................................................... 4
2.3 STC89C52单片机控制模块 .............................................................................................................. 4
2.4 LCD1602显示 .................................................................................................................................... 4
2.5 4×4矩阵键盘 ................................................................................................................................... 4
3系统硬件设计 .............................................................................................................................................. 4
3.1 电阻应变片电桥电路 ...................................................................................................................... 5
3.2 HX711信号调理电路 ....................................................................................................................... 6
3.3 单片机控制系统电路 ...................................................................................................................... 6
3.4显示电路与单片机接口电路 ........................................................................................................... 7
3.5 按键电路与单片机接口电路 .......................................................................................................... 7
3.6蜂鸣器超重报警系统电路 ............................................................................................................... 8
4系统软件设计 .............................................................................................................................................. 8
5系统调试 ...................................................................................................................................................... 9
5.1测试方法与仪器 ............................................................................................................................... 9
5.1.1测试方法 .............................................................................................................................. 9
5.1.2测试仪器 .............................................................................................................................. 9
5.2数据测试与分析 ............................................................................................................................... 9
6总结 ............................................................................................................................................................ 10
参考文献 ....................................................................................................................................................... 10
1方案论证与比较
1.1传感器模块方案
采用电阻应变片桥式传感器。它主要由弹性体和电阻应变片等组成，内部线路采用惠更斯电桥。当弹性体承受载荷产生形变时，电阻应变片受到拉伸或压缩而产生变形后，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，供后续电路测量和转换。
在制作传感器时，一般采用细砂纸对构件进行交叉打磨，如有条件可采用喷砂处理。当贴片位置固定后，取适量胶液均匀涂刷在被粘处表面，将应变计表面准确粘贴在试件表面。要判断粘贴层是否有气泡和杂质，敏感栅有无断栅和变形。应变片粘贴前后的阻值变化，绝缘电阻等是否符合要求。
该方案测量精度高，较为稳定，可操作性强。
1.2信号调理模块方案
方案一：采用24位AD转换芯片HX711。HX711内部不仅集成了信号放大模块，而且包含了一款高精度的24位A/D转换器。同时，HX711内部还集成了完成放大和转换功能所需要的一些外围电路，例如电源电路和时钟振荡电路等。它与单片机的接口电路简单，不需要对芯片内部的寄存器进行编程。
方案二：采用AD620仪用放大器和ADS1100型A/D转换器。AD620通过外接电阻来设置放大倍数，增益范围可调，精度较高。ADS1100是一款全差分输入、有自校准功能的16位模数转换器。将这两个模块连接形成电路，可以完成设计指标。
综上：方案二电路连接复杂，元器件使用较多；方案一精确度高，成本低，抗干扰能力强且响应迅速。故选择方案一。
1.3单片机控制模块方案
本设计采用STC89C52单片机作为核心控制中心。STC89C52单片机是一种低功耗、高性能、抗干扰超强的CMOS8位微控制器。该器件与工业标准的MCS-51指令集和输出
管脚完全兼容，同时，与其他51系列单片机相比内部存储空间更大，指令执行速度更快。
1.4显示模块方案
方案一：采用LCD液晶显示。液晶显示器利用液晶的物理特性，通过电压对显示区域进行控制，有电就显示。其画质高且不会闪烁，和单片机的接口更加简单可靠，操作更加方便，耗电量低，可以显示字符。
方案二：采用LED数码管显示。它是一种常用的显示器件，内部由8个发光二极管构成，其中7个组成字形“8”，另一个显示小数点。使用时，只要引出它们的公共电极就可以。
综上：方案二显示的信息有限，容易闪烁，功耗高，数码管级联复杂且成本较高；方案一显示信息量大且质量较高，功耗低，使用周期长，人机交换界面美观。故选择方案一。
1.5按键模块方案
方案一：采用4×4矩阵键盘。它采用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成键盘。在行线和列线的每一个交叉点上设置按键，不能直接连通。利用矩阵键盘可以显示0-9数字、小数点和5个功能键。在需要的按键数量较多时，采用矩阵法连接键盘比较合理。
方案二：采用intel8279专用键盘处理芯片。它含有键盘输入和显示器输出两种功能。芯片本身能完成对按键的编码、扫描、消抖和重键等处理。是一种通用的可编程键盘、显示接口器件。
综上：考虑到成本因素，方案二可能不是最佳选择。方案一相对专用芯片可以节省成本，灵活性更强。故选择方案一。
1.6报警模块方案
报警电路是由单片机的I/O口来控制的，当称重物体的重量超过系统设计所允许的重量时，通过程序使单片机的I/O值为高电平，使蜂鸣器发出报警声。
2理论分析与计算
2.1电阻应变片传感器
电阻应变片把导体形变的物理信号转换成电阻变化的信号，但是由于变化的阻值一般都很小，直接测量得到的结果很不准确。所以，一般采用直流供电的电阻电桥将其转换成电压的变化。如图，R1、R2、R3、R4组成惠斯通电桥，将电阻应变片的阻值变化转化成输出电压。
图2.1电阻桥（单桥）连接图
流过电阻R1和R2的电流I1：I1=R1+R2R2两端的电压V2： V2=I1×R2=VCC×R1+R2流过电阻R3和Rx的电流I2： I2=R3+Rx
R3两端的电压V3：V3=I2 ×R3=VCC×R3+Rx
V2和V3的电压差： ∆V=V2-V3=VCC×(R1+R2−R3+Rx由此可以看出：
当R1=R2=R3=Rx时，∆V=0，即电桥处于平衡状态；而Rx发生变化时会导致∆V发生变化。在本设计中，将R1、R2、R3、Rx全部换成电阻应变片（即采用全桥法），当其受外力作用而阻值改变时，将差分电压∆V通过放大和A/D采样转换成相应的电压值。
R2R3R3VCCR2VCC
2.2 HX711信号处理模块
HX711芯片功能非常强大，内部集成了信号放大与A/D转换模块。当传感器的输出电压为毫伏级时，可通过选择芯片内部的增益倍数（32、64或128倍）使其放大，再通过模数转换送至单片机，作进一步的数据处理。
2.3 STC89C52单片机控制模块
STC89C52单片机作为本设计的核心控制中心，在整个系统中主要负责数据的处理、控制和交换等作用。此中心模块能够接受A/D转换后的传感器信号，同时也能接受扫描后的键盘的输入信号，计算价格后控制显示器的相应输出。并且，这种控制芯片内存大、可靠性高、速度快且价格便宜，是一种优良的选择。
2.4 LCD1602显示
在本设计中，选用LCD1602液晶显示，可显示两行字符（数字），通过单片机对它的程序设定，能够显示出重量、单价、金额等。
2.5 4×4矩阵键盘
该按键电路主要用来手动输入物品的单价，实现人机交换的功能。它包括数字键0-9、小数点、去皮键、清零键和累加键等。
3系统硬件设计
系统硬件的总体设计框图如图3.1所示。
图3.1硬件电路总体框图
3.1电阻应变片电桥电路
本设计在电桥中连入四枚电阻应变片（全桥法），提高了输出电压的灵敏，四个电阻的初始值R=R1=R2=R3=R4=1K，其变化值 ∆R=∆R1= ∆R2= ∆R3= ∆R4，输出电压∆V=R×VCC。电位器RV2用来空载调零。 ΔR
图3.1电阻应变片全桥电路连接图
3.2 HX711信号调理电路
电阻应变片压力传感器输出的差模信号可直接送入HX711,利用HX711内部通道A可编程增益（128倍）对信号进行放大，再经由后半部分的A/D转换把采集到的24位高低电平通过DOUT送至单片机进行处理。
图3.2 HX711电路连接图
3.3单片机控制系统电路
STC89C52单片机最小系统包括电源电路、晶振电路和复位电路。
图3.3 STC89C52单片机最小系统图
3.4显示电路与单片机接口电路
根据设计的要求，如图3.4所示，将LCD1602的数据端口D0-D7口与单片机P0口相连，RS端接P2.6，R/W端接P2.5，E端接P2.7，用来控制显示器的显示。
图3.4LCD1602电路连接图
3.5按键电路与单片机接口电路
在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。
图3.5a4×4矩阵键盘电路连接图 图3.5b 多功能数字键盘图
3.6蜂鸣器超重报警系统电路
如图3.6所示。
图3.6蜂鸣器报警电路
4系统软件设计
如图4.1，程序开始执行后，首先对各个端口和功能键进行初始化；另一边启动HX711转换器，对信号进行放大和模数转换；然后在单片机内部进行数据判断，若超重则启动报警电路，若没有超重则继续扫描键盘；当按下功能键时，则执行相应指令，并用LCD1602显示重量、单价和总价。一轮结束后，再进行第二次测量。
图4.1主程序流程图
5系统调试
5.1测试方法与仪器
5.1.1测试方法
首先按照电路原理连接电路，然后在称盘中由小到大依次添加不同重量（5.00g-500g）的砝码，并通过手动按下不同按键给单片机输入不同的指令，在显示屏上读出实测重量、单价、金额，同时，选择相应按键验证是否具有累加、去皮、清零等功能。
5.1.2测试仪器
+5V电源、砝码、万用表
5.2数据测试与分析
数据的测试如表1所示。
表1 数据测试表
测试效果：
1、 砝码重量小于50g，误差小于0.5g；砝码重量在50g及以上时，误差小于1g。
2、 可手动输入不同的单价（1-2位数），LCD显示屏上能显示单价与金额。
3、 二次测量后，可实现金额累加。
4、 去皮范围未超过100g。
5、 当所添加物体超重时，可实现报警功能。
6总结
本设计基于高精度专用电子秤A/D转换芯片HX711，通过单片机对自制传感器信号的核心控制和处理，设计并制作完成了对称重范围在5.00g-500g的重量的检测。当重量小于50g时，误差小于0.5g ；当重量在50g及以上时，误差小于1g 。并且，该简易电子秤可设置单价，可以计算金额，可以实现累加和去皮功能，且去皮范围小于100g。本作品电路整体结构完善，工作稳定，效率极高。
参考文献
[1] 谭浩强著. C语言程序设计(第三版). 清华大学出版社
,2005
[2]康光华等.电子技术基础模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社,2006
[3]黄争.数据转换器应用手册[M].北京：电子工业出版社，2010
[4]马建明.数据采集与处理技术（第三版）[M].西安：西安交通大学出版社，2012
[5]程林.超省电型电子秤的设计方案[J].福建：福建省计量科学技术研究所，2008