基于24位A/D转换的高精度电子秤的设计

基于24位A/D转换的高精度电子秤的设计引言物料计量是工业生产与贸易流通中的一个重要环节。称重装置是其中不可或缺的计量工具之一。集现代传感器技术、电子技术和计算机技术于一体的电子秤，具有称量快速、显示直观、不易磨损等优点，同时能够有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求，因而正逐渐取代传统的机械杠杆测量秤成为主流产品。本设计采用AT89C52单片机为控制核心，结合电阻应变式压力传感器和A/D转换芯片HX711，设计出一种低成本、高性能的电子秤。

1、基于单片机控制的电子秤结构与原理

本设计中电子秤的结构如图1所示，其原理为桥式压敏电阻传感器将被测物体的重量转换为模拟电压信号，电压信号的强弱随物重的大小而变化。NTC热敏电阻传感器进行环境温度测量。A/D转换芯片HX711作为计量和NTC温度补偿的转换器，将模拟电压信号转换成数字信号，得到的数字量与物重成正比。AT89C52单片机负责处理数字信号，并通过LCD显示物体的质量。通过按键输入被测物体的单价，单片机将物重及单价经过乘法运算产生总价，并在LCD显示器上显示。此外，电子秤还可以将被测物体的质量、单价、总价等信息打印输出。

图1  电子秤的结构

2、硬件设计

2.1、桥式压敏电阻传感器设计

图2所示为桥式压敏电阻传感器，桥式压敏电阻传感器主要利用电阻应变片形变，将相应的压力转换成电参数的。电参数经由滤波电路滤波之后输入模数转换器。

图2 桥式压敏电阻传感器

2.2、滤波电路

采用的复式滤波电路如图3所示，把对交流阻抗大的元件电感与负载串联，以降落较大的纹波电压，而把对交流阻抗小的元件电容与负载并联，以旁路较大的纹波电流。其滤波原理与电容、电感滤波类似，它实质上是电容滤波与一级LC滤波电路的组合。可减小脉动成分，使输出电压更平滑，抗外部干扰性更好。

2.3、A/D转换模块设计

滤波之后得到的电压信号是模拟信号。而单片机处理的是数字信号。因此，模拟量要输入到单片机中进行处理，首先要经过模拟量到数字量的转换。实现模/数转换的部件称A/D转换器。设计中使用的重量传感器为传统的桥式传感器，这就要求模块输出位数至少为15位（2^15=32768），传统的8位模数转换器已不能满足要求。HX711是一款高精度的24位A/D转换器芯片，内置增益控制，精度高，性能稳定。该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。因此，采用HX711作为本设计的A/D模块。A/D转换模块如图4所示。

图3  复 式滤波电路

HX711的通道A模拟差分输入可直接与桥式传感器的差分输出相接。由于桥式传感器输出的信号较小，为了充分利用A/D转换器的输入动态范围，该通道的可编程增益较大，为128或64。这些增益所对应的满量程差分输入电压分别±20mV或±40mV。通道B为固定的32增益，所对应的满量程差分输入电压为±80mV。通道B应用于温度参数检测。HX711通过采集A通道的重量传感器模拟量及B通道的温度传感器模拟量后转换成数据，以多位数据的串口传输形式，输送给单片机。串口通信线由管脚PD_SCK和DOUT组成，用来输出数据，选择输入通道和增益。

图4  A/D转换模块

2.4、温度补偿设计

桥式压敏电阻传感器为半导体，在输入压力的数值不变的情况下，当工作温度变化时将引起传感器输出发生变化，传感器的输出信号产生温度漂移，影响物体质量的测量精度。针对压敏电阻传感器温度特性差的问题，本设计采用NTC环氧封装热敏电阻传感器进行环境温度测量，继而可以对称重传感器在当时温度下（正常使用温度范围内-30℃~70℃）的重量漂移进行修正补偿处理。此修正补偿系数，通过对应的温度环境下以2Kg标准砝码作为标定（标定，即秤的重量校准）的值实际测量数据得到。对应有一个R-T温度阻值变化表，通过查表法可推导出对应的环境温度，即可用于秤体的温度重量补偿和修正。R-T特性曲线示意图如图5所示。

图5  R-T特性曲线示意图

2.5、电源设计

本设计中的打印机的12V电源采用了3A电流输出降压开关型集成稳压芯片LM2576HVT-12方案，将220V的交流电压通过整流桥，滤波，再通过LM2576HVT-12集成稳压管得到稳定的12V直流稳压电源。另外为保障AD采集的稳定性，HX711芯片单独使用一路5V电源，该5V电源使用打印机的12V电源输入，通过LM1117-5.0DC-DC稳压芯片得到稳定的5V电源，另一路5V电源供其他功能模块使用，采用LM1117-5.0LDO稳压芯片，共两路5V电源。图6为电源转换示意图。

图6  电 源转换示意图

3、软件设计

为了方便程序调试和提高可靠性，程序设计采用自上而下、模块化、结构化的程序设计方法，把总的编程过程逐步细分，分解成一个个功能模块，每个功能模块相互独立，每个模块都能完成一个明确的任务，实现某个具体的

图7  软件设计流程图

4、结语

将电子技术的原理运用到日常生活中，以解决实际生活和生产中遇到的问题，设计出的产品就找到了需求，从而会有更强的生命力。本文设计的电子秤融合了微处理技术、传感器技术和数字显示技术，具有精度高，抗干扰性强的优点。