随着科学技术的快速发展，集成电路技术日益成熟，一系列最小系统版的设计研发，为电子衡器向高性价比、高精 度、高稳定性的发展方向提供了条件。此设计是以STC15W408S单片机为控制核心，用BF350称重传感器组成惠斯登 电桥输出信号，并利用高精度24位HX711作为A/D转换芯片以及用LCD1602来显示数据的一款多功能数字电子秤， 具有操作简单，便捷智能、精确度高、稳定性好等特点。

0.引言

电子秤，是人们日常生活中十分普遍而又必不可少的一 种使用工具，主要用来在商品贸易时计量质量，其使用领域广泛，小至商品杂货店，大至工农业、医疗等领域。渗入到人民 生活的方方面面，与传统机械秤相比，现代电子秤的发展趋向 于小型化、智能化方向，且具有重量轻、成本低、速率快等优点。但仍存在一定的局限性，例如要求具有更高的抗干扰能力和 更高的精度等。

考虑到电子衡器的性价比、稳定度及精度，设计了一款集 传感器技术、电子技术和网络技术于一体的多功能、小功耗、 简单易用、速度快的高精度数字化电子秤。

1.基于HX711的高精度电子秤结构与原理

高精度电子秤以STC15W408S单片机作为主控部件，连接各个子模块，子模块主要包括电源模块、信号采集转换模块、 LCD显示模块、键盘模块以及报警模块等，其系统原理图如图 1所示。

电源模块用来给系统提供+5V直流稳定电压。当被测物 体放置在秤盘上时，物体的压力传到桥式压敏电阻传感器，此 时传感器因受力不均而产生形变，电阻阻值随之改变，并导致 电桥失衡输出与被测物体的重量成正比的模拟电压信号，该模 拟电压信号放大后经A/D转换芯片HX711转换成高精度的数 字信号，并送到单片机进行储存和处理。当键盘模块有按键按 下时，单片机会进行必要的判断和分析，并根据该按键的功 能，进行去皮、称重、计算、显示、查询、报警等相应功能的实现。

2.系统硬件设计

电子秤的硬件电路由功能不同的各个模块组成，各个模 块独立设计并检测，最终组合成一个整体并进行性能测试。

2.1单片机控制模块

考虑价格、性能多方面要求，在信息控制和处理模块上， 采用了 STC15W408S单片机，不仅在设计上STC15W408S可 以实现测量和控制要求，在性能上，其重量轻、体积小、功耗低， 提高了电子秤的便携性。其引脚电路如图2所示。

STC公司生产的一种低功耗、高性能8 位微控制器，具有8K字节系统可编程Hash存储器，512字节 RAM，42个I/O 口线，内置5KB EEPROM，3个16位定时/计 数器，并支持全双工串行通信、掉电唤醒、外部中断等。

单片机STC15W408S的P1.0、P1.1端口用于与高精度A/ D转换芯片HX711管脚的SCK、DOUT连接，接收数字信号; P1.5端口用于报警提示，与蜂鸣器电路相连;P0端口用于与液晶LCD1602传输信号。

2.2称重传感器

称重传感器是一种能感受压力并将感受到的压力信号转 换成与被测物体重量成比例的可用于输出信号的传感器，作 为电子秤的关键组成部件之一，称重传感器的选择十分重要， 其性能的好与坏，极大程度上决定了电子秤测量数据的可靠 性和精确度。产品设计中选用电阻应变片压力传感器，将4个 应变片通过特殊的黏合剂紧密的黏合在产生力学的应变基体 上，组成惠斯登电桥。当基体不受力时，电阻应变片各处张力 相同，不会产生形变，此时电桥平衡，输出模拟电压信号为零; 当基体受力发生应力变化时，电阻应变片各处张力不同，产生 形变，此时电桥失去平衡，输出与被测物体重量成比例的模拟 电压信号。

称重传感器的工作原理如图3所示。

为实现电子秤设计的高精度，高稳定性要求，在众多的称 重传感器中，本产品设计选用了 BF350称重传感器，其灵敏系 数为2.00-2.20，精度等级为0.02级，应变极限为2.0%，且功耗 低、易于散热、粘贴简单，焊接方便，并可消除温度变化和微小 波动带来的影响，实现高稳定性的静态测量。

2.3 A/D转换芯片

称重传感器测量的模拟电压信号经放大器放大后需要经 过A/D转换器送至单片机进行处理。为达到本设计的高精度 和高稳定性要求，系统采用片内集成稳压电源、时钟振荡器等电 路的高集成度24位A/D转换芯HX711，其编程简单、响应速度 快，使用时无需外接元件，并具备上电自动复位功能。称重传感 器输出的模拟电压信号通过选择A或B通道传输到HX711， 其中A通道的可编程增益为128或64，B通道则为固定的32 增益。HX711与后端的单片机接口电路简单，只需DOUT、SCK 接入单片机的I/O 口上，就可以进行信号传输。BF350称重传 感器、HX711芯片与单片机间接口电路如图4所示。

2.4液晶显示模块

在单片机系统中，LCD1602是一种专门用来显示字 母、数字、符号等的点阵型液晶模块，工作在4.5~5.0V电 压环境下，可显示2行共32个字符，其功耗低、性能稳定、 使用简单，其管脚分为控制端口、数据端口、调整端口和电 源端，其中调整端口需外接10K电位器，通过电位器可以 调节字符显示亮度。LCD1602与单片机接口电路如图5 所示。

2.5超重报警电路

电子秤作为一种计量工具，有一定的量程范围，当被测 物体重量超出量程范围时，内置称重传感器将受到损坏。在 充分考虑实用性和性价比的前提下，设置了超重报警电路。 超重报警电路如图6所示。系统设计中，其内分度为0.1g， 最大称重为20kg，分度数为200000。当被测物体重量超出 量程范围时，STC15W408S的P1.5端口产生低电平，加在 PNP型的三极管9013基极上，此时三极管导通，电路驱动 蜂鸣器，产生报警声；当被测物体重量在量程范围内， STC15W408S的P1.5端口产生高电平，加在三极管9013 基极上，此时三极管截止，电路不工作，蜂鸣器不会发出报 警声。

3.系统软件设计

软件系统设计的基本思想是充分利用单片机控制的优 势，实现称重过程的一系列要求，以达到高精度及高稳定性。为便于程序管理、调试与调用，程序设计主要采用了模 块化结构化思想，即分为主程序和子程序。主程序主要用来 进行系统初始化，统一管理和调用各个子程序，使系统运行有条不紊。子程序则包括数据米集程序、A/D转换程序、按 键功能程序、LCD显示程序和报警程序，各个子程序分工明 确，统一协调，完成本设计一系列功能设计，实现去皮、称重、 计算、显示、查询、报警等功能。考虑到设计的高精度性要 求，在进行软件设计时，通过编程语言对数据进行平滑处理 补偿系统误差，进一步提高系统精度。软件设计流程图如图 7所示。

4.系统性能测试

在进行实际的设计过程中，首先使用了软件开发平台on4进行了软件仿真，然后实际制作电路模型，进行 性能测试，最后根据测试结果进行分析并改进设计。表1为 部分实测数据，测试与数据分析表明，此电子秤系统相对误差 小于等于0.4%，其精确度较高，稳定性良好。

5.结语

随着科技的不断创新与发展，电子衡器向小型化、模块化、 整体化、集成化方向发展，技术性能趋向于高速率、高精度、高 稳定性方向发展，在这样的发展趋势下，此设计完成的电子秤 在技术性能上、使用上都满足了各行业对于现代电子衡器的 需求，并且模块化的设计使得本产品具有通用性、灵活性和稳 定性，稍加修改和扩展，能够具有更广泛的推广和应用价值， 使电子秤的整体化水平得到更好的发展。