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[摘 要]本文基于单片机设计了一款简易的数字电子秤，实现电子秤基本的称量、计价和去皮功能。文章介绍了一种简单、智能化的设计，选择MSP430系列单片机作为主控制系统，按照测量要求设计了传感器电路、稳压电源电路、差分放大电路，以及按键和显示电路。通过硬件测试和软件校验，可以测量1～500g质量的物体，而且误差较小。
[关键词]单片机；电子秤；应变片；桥式电路
中图分类号：TH715.193；TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）01-0327-02
[Abstract]This paper designs a simple digital electronic scale based on single-chip microcomputer to realize the basic weighing， pricing and tare function of the electronic scale. This paper introduces a simple and intelligent design. The MSP430 MCU is chosen as the main control system. According to the measurement requirements， the sensor circuit， the stabilized power supply circuit， the differential amplifier circuit and the key and display circuit are designed. Through hardware testing and software verification， it can measure 1 ～ 500g mass of objects， and the error is small.
[Key words]SCM， electronic scale， strain gauge， bridge circuit
电子秤是一种利用胡克定律或力的杠杆平衡原理测定物体质量的工具，用于日常生活的各个领域，对其精度的要求也日益增高。本文根据现实情况，采用MSP430单片机为核心处理器；以电阻应变片桥式电路为传感器电路，并用AD620为仪用放大器采集、放大信号，将物理信号转变为单片机可处理的电信号；将采集到的信号传送至单片机进行AD转换，并把数值显示在LCD显示屏上。这种电子秤精确度高，操作简单，性能稳定，价格低廉，成本低，制作简单，适合日常使用。
1 系统硬件的原理和设计
1.1 总体设计框图
电子秤采用平整木板作为基底，在其中的一边垂直钉上木条，再在顶端用螺钉固定一个弹性形变量相对大的钢板，作为悬臂梁。为了使应变片的应变量尽可能大，在悬梁臂弯曲后的切线处互相垂直地贴上两片电阻应变片一片贴在上表面，一片贴在下表面。在悬臂梁的远端挂上一只托盘。
本系统能够较为精确地测量出物块的质量。通过悬杆的形变，导致电阻应变片阻值变化，将物理信号转化为电信号。用单片机AD转换测量出电信号，并通过一个函数映射计算出物块的质量。（如图一）
1.2 基于桥式电路的传感器模块
传感器模块使用桥式电路转换信号。因为电桥在近似平衡的时候对微小的电阻变化十分明显，而且电阻变化与输出电压具有良好的线性关系。在这里使用了两片电阻应变片，一片贴在金属悬臂上表面，另一片贴在下表面，使应变片一片拉伸、一片收缩，构成半桥差动电桥。此处没有使用4片应变片作为温度补偿，因为首先效果不是特别好，而且电桥上4个电阻一起变化不易分析，其次用4片也太过耗材。
两片电阻应变片组成了半桥电路。R3=R4=360（选择与应变片电阻大小相近的电阻），所以同相端输入的值为+2.5v，R1是贴在悬梁上方的应变片，随着悬梁形变而变大；R2是贴在悬梁下方的应变片，随着悬梁形变而变小，所以反相端的输入值相较于2.5v更小一些。通过此电路可以将微小的形变转化为电阻变化，进而把物理量转化为电量，并经过仪用放大器放大差模信号。（如图二）
最终输出的电压
1.3 基于AD620的差分放大模块
由于电桥输出量是毫伏级别的差模信号，单片机无法直接进行AD转换，需要将差模信号放大。如果搭接分立式差分电路会带来较大误差，而且增加了功耗。AD620 是一种低功耗、高精度仪用放大器，它只需要一个外接电阻，即可设置各种增益（1～1000） 。AD620 与分离元件组成的仪用放大器（三运放结构） 相比较具有体积小、功耗低、精度高等优点。
AD620是一款高集成的仪用放大器，改变R2可以方便地改变系数，在此电路中，我们实际调节放大倍数为171.2倍。由于放大后需要接到单片机AD转换，为了稳定输出电压，所以连接一级电压跟随器作为此电路的输出级，后接单片机的6.0端口。（如图三）
1.4 基于LM317的稳压源模块
因为电桥的输出差分电压十分微小，所以输入端的电压一定要稳定，且尽量减少纹波的幅值。查阅资料可知LM317的1号、2号管脚的电压差是1.25V，所以要使C2两端的直流电压为5V，R1必须为R2的三倍，所以在此选择R1=360欧姆、R2=120欧姆；C1、C2、C4为10uf的电解电容；D1、D2是续流二极管，为了保护电路，让稳压管工作在安全的环境下。（如图四）
1.5 基于单片机的人机交互模块
单片机MSP430F5438A是一款实用性高的单片机，有100根针脚以供使用，内置AD转换器。使用MSP430F5438A采集电压值，通过按键达成各种去皮、计价功能。使用LCD128*64显示。LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。采用LCD128*64字符型点阵液晶显示模块同时显示物体质量和价格。
2 系统软件的程序设计
2.1 软件设计流程图
2.2 主要模块程序设计
本设计主程序以ADC采集和按键控制为核心，分别进行电压采值和单价设置、计算等。通过五按键的设置实施清零、去皮、累计、加计数、减计数、左移、右移的功能，使统完备，可以称量物品的质量，计算物品的价格。
主程序：首先进行系统初始化，其中包括对ADC12的触发。其后，PWM初始化，设置PWM波，作为ADC中断的触发信号。在主循环中，设置五按键，按下任意按键进入手动模式，按下set键，可通过其他四按键设置单价，按下之前，其他按键分别具有清零、去皮、累计功能。
ADC中断：实施采集电压值，每采集一组电压值，通过冒泡排序的终止滤波计算其平均值，利用函数关系将电压值大小转换为质量大，每采集一组数据，显示物品质量、单价、总金额。
3 系统测试与结论
3.1 系统调试以及测量数据
将硬件电路调试好后，与人机交互模块相连，并在秤盘上放置重量不等的砝码，采集数据。将质量-电压值的数据导入到Matlab，将它线性拟合成一条直线，求出这两种信号的函数关系y=1046x-88.27，将此公式写入程序。（如图六）
3.2 总结与结论
本文所叙述的基于MSP430单片机的简易电子秤硬件、软件设计简单，能够较为准确地测量出物体的质量，并且能够附带有去皮、计价等基本功能。实现了低成本、高精度的设计目标，有着较强的实用性以及可推广性。
参考文献
[1] 任保宏、徐科军编著.MSP430單片机原理与应用[M].电子工业出版社.
[2] 孙娜.基于单片机的便携式电子秤的设计[J].中国科技信息.2012（1）：98-100.
[3] 康华光主编.电子信息类.电子技术基础（模拟部分）[M].第六版.高等教育出版社2015.
[4] 姚剑青译.运算放大器权威指南[M].人民邮电出版社.2010.
[5] 李道华、李玲、朱艳.传感器电路分析与设计[M].武汉大学出版社.2000.
[关键词]单片机；电子秤；应变片；桥式电路
中图分类号：TH715.193；TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）01-0327-02
[Abstract]This paper designs a simple digital electronic scale based on single-chip microcomputer to realize the basic weighing， pricing and tare function of the electronic scale. This paper introduces a simple and intelligent design. The MSP430 MCU is chosen as the main control system. According to the measurement requirements， the sensor circuit， the stabilized power supply circuit， the differential amplifier circuit and the key and display circuit are designed. Through hardware testing and software verification， it can measure 1 ～ 500g mass of objects， and the error is small.
[Key words]SCM， electronic scale， strain gauge， bridge circuit
电子秤是一种利用胡克定律或力的杠杆平衡原理测定物体质量的工具，用于日常生活的各个领域，对其精度的要求也日益增高。本文根据现实情况，采用MSP430单片机为核心处理器；以电阻应变片桥式电路为传感器电路，并用AD620为仪用放大器采集、放大信号，将物理信号转变为单片机可处理的电信号；将采集到的信号传送至单片机进行AD转换，并把数值显示在LCD显示屏上。这种电子秤精确度高，操作简单，性能稳定，价格低廉，成本低，制作简单，适合日常使用。
1 系统硬件的原理和设计
1.1 总体设计框图
电子秤采用平整木板作为基底，在其中的一边垂直钉上木条，再在顶端用螺钉固定一个弹性形变量相对大的钢板，作为悬臂梁。为了使应变片的应变量尽可能大，在悬梁臂弯曲后的切线处互相垂直地贴上两片电阻应变片一片贴在上表面，一片贴在下表面。在悬臂梁的远端挂上一只托盘。
本系统能够较为精确地测量出物块的质量。通过悬杆的形变，导致电阻应变片阻值变化，将物理信号转化为电信号。用单片机AD转换测量出电信号，并通过一个函数映射计算出物块的质量。（如图一）
1.2 基于桥式电路的传感器模块
传感器模块使用桥式电路转换信号。因为电桥在近似平衡的时候对微小的电阻变化十分明显，而且电阻变化与输出电压具有良好的线性关系。在这里使用了两片电阻应变片，一片贴在金属悬臂上表面，另一片贴在下表面，使应变片一片拉伸、一片收缩，构成半桥差动电桥。此处没有使用4片应变片作为温度补偿，因为首先效果不是特别好，而且电桥上4个电阻一起变化不易分析，其次用4片也太过耗材。
两片电阻应变片组成了半桥电路。R3=R4=360（选择与应变片电阻大小相近的电阻），所以同相端输入的值为+2.5v，R1是贴在悬梁上方的应变片，随着悬梁形变而变大；R2是贴在悬梁下方的应变片，随着悬梁形变而变小，所以反相端的输入值相较于2.5v更小一些。通过此电路可以将微小的形变转化为电阻变化，进而把物理量转化为电量，并经过仪用放大器放大差模信号。（如图二）
最终输出的电压
1.3 基于AD620的差分放大模块
由于电桥输出量是毫伏级别的差模信号，单片机无法直接进行AD转换，需要将差模信号放大。如果搭接分立式差分电路会带来较大误差，而且增加了功耗。AD620 是一种低功耗、高精度仪用放大器，它只需要一个外接电阻，即可设置各种增益（1～1000） 。AD620 与分离元件组成的仪用放大器（三运放结构） 相比较具有体积小、功耗低、精度高等优点。
AD620是一款高集成的仪用放大器，改变R2可以方便地改变系数，在此电路中，我们实际调节放大倍数为171.2倍。由于放大后需要接到单片机AD转换，为了稳定输出电压，所以连接一级电压跟随器作为此电路的输出级，后接单片机的6.0端口。（如图三）
1.4 基于LM317的稳压源模块
因为电桥的输出差分电压十分微小，所以输入端的电压一定要稳定，且尽量减少纹波的幅值。查阅资料可知LM317的1号、2号管脚的电压差是1.25V，所以要使C2两端的直流电压为5V，R1必须为R2的三倍，所以在此选择R1=360欧姆、R2=120欧姆；C1、C2、C4为10uf的电解电容；D1、D2是续流二极管，为了保护电路，让稳压管工作在安全的环境下。（如图四）
1.5 基于单片机的人机交互模块
单片机MSP430F5438A是一款实用性高的单片机，有100根针脚以供使用，内置AD转换器。使用MSP430F5438A采集电压值，通过按键达成各种去皮、计价功能。使用LCD128*64显示。LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。采用LCD128*64字符型点阵液晶显示模块同时显示物体质量和价格。
2 系统软件的程序设计
2.1 软件设计流程图
2.2 主要模块程序设计
本设计主程序以ADC采集和按键控制为核心，分别进行电压采值和单价设置、计算等。通过五按键的设置实施清零、去皮、累计、加计数、减计数、左移、右移的功能，使统完备，可以称量物品的质量，计算物品的价格。
主程序：首先进行系统初始化，其中包括对ADC12的触发。其后，PWM初始化，设置PWM波，作为ADC中断的触发信号。在主循环中，设置五按键，按下任意按键进入手动模式，按下set键，可通过其他四按键设置单价，按下之前，其他按键分别具有清零、去皮、累计功能。
ADC中断：实施采集电压值，每采集一组电压值，通过冒泡排序的终止滤波计算其平均值，利用函数关系将电压值大小转换为质量大，每采集一组数据，显示物品质量、单价、总金额。
3 系统测试与结论
3.1 系统调试以及测量数据
将硬件电路调试好后，与人机交互模块相连，并在秤盘上放置重量不等的砝码，采集数据。将质量-电压值的数据导入到Matlab，将它线性拟合成一条直线，求出这两种信号的函数关系y=1046x-88.27，将此公式写入程序。（如图六）
3.2 总结与结论
本文所叙述的基于MSP430单片机的简易电子秤硬件、软件设计简单，能够较为准确地测量出物体的质量，并且能够附带有去皮、计价等基本功能。实现了低成本、高精度的设计目标，有着较强的实用性以及可推广性。
参考文献
[1] 任保宏、徐科军编著.MSP430單片机原理与应用[M].电子工业出版社.
[2] 孙娜.基于单片机的便携式电子秤的设计[J].中国科技信息.2012（1）：98-100.
[3] 康华光主编.电子信息类.电子技术基础（模拟部分）[M].第六版.高等教育出版社2015.
[4] 姚剑青译.运算放大器权威指南[M].人民邮电出版社.2010.
[5] 李道华、李玲、朱艳.传感器电路分析与设计[M].武汉大学出版社.2000.