基于MSP430F449的高精度电子秤设计

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科技视界2012年9月第27期

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0引言

电子秤是配有称重装置的衡器，它经历了从模拟指针式向数字式发展的过程，称量精度由0.1%发展到0.01%甚至更高，一般具有各种参数的设定、去皮、累加、称重结果的自动处理与显示等功能[1]。电子秤操作简单、称量准确、体积小、称量速度快、读数方便，广泛应用于商业贸易、医院、学校、企业等部门[2]。本文以TI 公司的高性能单片机MSP430F449为信息处理核心，结合24位A/D 转换器，设计了一种高精度便携

式电子秤，其最大量程为50kg，分度值为10g，内分度值为1g，达到了国家标准《非自动秤通用检定规程JJG555-1996》规定的三级秤指标[3]

。

1高精度电子秤的工作原理

图1高精度电子秤的工作原理框图

高精度电子秤以MSP430F449为MCU，主要由称重信号采集电路、数字温度传感器、键盘、LCD、通信接口电路、语言提示电路、电源管理电路等组成，其原理如图1所示。图中称重传感器、调理电路、A/D 转换电路等组成称重信号采集电路，当被测载荷加载在秤体上时，安装在秤体下方的称重传感器产生与被测载荷成正比的电压信号，经调理电路放大、滤波、A/D 转换后，传送至MCU，完成称重信号采集；同时MCU 利用数字温度传感器采集的环境温度信号，根据温度补偿算法，完成被测载荷称重结果的温度补偿，获得最终的称重结果，并利用LCD 显示。系统利用键盘电路完成电子秤不

同功能的选择和相关数据的输入；系统具有语音提示功能，可完成电子秤相关功能提示、报警等；电子秤具有RS232通信接口，可实现与上位机的通信功能等；系统具有正常工作和睡眠(即节电工作)等工作模式，利用电源管理电路，实现电子秤的低功耗设计。

2高精度电子秤的称重信号采集电路设计

基于MSP430F449的高精度电子秤称重信号采集电路由称重传感器、称重信号调理电路、A/D 转换电路等组成。2.1

称重传感器的工作原理

称重传感器作为电子秤的关键部件之一，其性能直接决定了电子秤称重的准确性与稳定性。电子秤采用的电阻应变式称重传感器将4个电阻应变片粘贴在弹性敏感元件上，然后以适当方式组成惠斯登电桥。当称重传感器不承受载荷时，弹性敏感元件不产生应变，粘贴在其上的应变片不发生变形，应变片的电阻不变，电桥平衡，输出电压为零；反之，当被测载荷加载在电子秤秤体上时，称重传感器承受载荷，应变片电阻改变，电桥失去平衡，传感器输出与被测载荷重量成比例的电压信号[4]。称重传感器的工作原理如图2所示。

图2称重传感器电桥电路

图2中，设4个应变片的电阻分别为R 1、R 2、R 3、R 4，电桥

电源电压为U s ，则惠斯登电桥输出电压U xi 为

基于MSP430F449的高精度电子秤设计

周杰红

(广东省南方高级技工学校

广东韶关512023)

【摘

要】电子秤应用广泛，本文设计了一种以MSP430F449为信息处理核心的高精度电子秤，介绍了其系统框图，重点阐

述了称重传感器的工作原理与电子秤称重数据采集电路的设计方法，并完成了电子秤的软件设计。达到了国家标准《非自动秤通用检定规程JJG555-1996》规定的三级秤指标，称重误差小。

【关键词】电子秤；称重；称重数据采集;

MSP430F449

机械与电子

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U xi =R 4

R 3+R

-R 1R 1+R 2

()

U s

(1)

当称重传感器承受载荷，并且4个应变片的阻值相等时，有

R 1=R 2=R 3=R 4

△R 1=△R 3=△R

△R 2=△R 2=μ△R

⎧⎩

⏐⏐⏐⏐⏐⎨⏐⏐⏐⏐⏐(2)

式中,μ为弹性元件的泊松比;△R 为应变片的电阻变化值。

当传感器承受载荷时，横向粘贴的应变片R 2、R 4被拉伸,

阻值增大；纵向粘贴的应变片R 1、R 3被压缩，阻值减少。将式(2)代入式(1)有

U xi =R 4+△R 4R 4+△R 4+R 3-△R 3-R 1-△R 1

R 1-△R 1+R 2+△R 2()

U s

1+μ△R R 2-1-μ()△R R -1-△R

R 2-1-μ()△R

⎛⎝⎜

⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎞⎠

⎟

⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟U s

1+μ()

△R

2-1-μ()△R

⎛⎝

⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎞⎠

⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟U s

(3)

由于△R R

<<1，因此忽略式(3)中分母含μ的项，并考虑

到式(2)，则有

U xi ≈

1+μ()△R

R 2

观众中来

=1+μ

(

)

△R 1

+△R 2R 2+△R 3R 3△R 4R 4

()

U s

(4)

式(4)表明，称重传感器的输出与应变片电阻变化量的代数和成正比。

称重传感器的灵敏度与最大量程是称重传感器两个最重要的参数，必须根据电子秤的设计要求综合考虑，以选择合适的参数。在本设计中，选用灵敏度为2mV/V、最大量程为100kg 的称重传感器。2.2

电子秤A/D 转换电路设计

图3电子秤A/D 转换原理图

本文设计的电子秤内分度[3]为1g，最大秤量[3]为50kg，分度数[3]为5000，因此A/D 转换电路的分辨率至少为1/50000。考虑到噪声的影响，实际应用中应设定裕量，一般为最小分辨率的10倍(即能够分辨出0.1g)，因此A/D 转换电路的分辨率设计为1/500000。此时A/D 转换器至少为19位(19位A/D 转换器的分辨率为1/524288)，本文设计的电子秤采用Ana⁃log Devices 公司的24位高精度、低噪声的△-∑型A/D 转换器AD7799完成称重信号的A/D 转换。图3为A/D 转换电路原理图。图中,AD7799采用差分

输入方式(AIN+、AIN-)，将经调理后的称重信号转换为数字信号，其与称重传感器、信号调理电路、MCU 芯片MSP430F449等构成了分辨率为0.1g 的称重信号采集电路。集成运放U0与电阻R6、R7等组成A/D 转换器的基准电压发生器，其输出V REF =2.5V;AD7799具有SPI 接口,MCU 利用P1.0、P1.1、P1.2模拟SPI 总线，实现与AD7799的数据通信。2.3

电子秤的信号调理电路设计

调理电路由称重信号放大电路、低通滤波电路及相关

十年体

外围电路组成，其原理如图4所示。图中,U2(包括U2A 和U2B)、R 3、R 4、R 5、C 1、C 2等组成双端输入双端输出的仪用放大器与低通滤波器，这种仪用放大器具有低噪声、高输入阻

抗、低输出阻抗等优点，用以实现称重传感器输出微弱信号(IN1+、IN1-)的放大和低通滤波，并将调理后的信号(AIN1+、AIN1-)直接传送至A/D 转换器；集成运放U1采用TI 公司的OPA2227，该集成运放具有低噪声、低漂移、低失调电压、高共模抑制比(CMRR)、工作频带宽等优点，很适合微弱信号处理。

2.3.1信号调理电路电压放大倍数的确定图4中,U2、R 3、R 4、R 5、C 1、C 2等组成的第一级调理电路的电压放大倍数为

A u =1+R 3+R 5

R 4

(5)

设S 为称重传感器的灵敏度,F max 为其最大量程,u s 为称重传感器的电源电压,M min 为称重传感器能够分辨的最小载荷量，则称重传感器在最小载荷量M min 作用下的输出u min 为

u min =Su s F max

M min

(6)

当S =2mV/V,F max =100kg,u s =5V,M min =0.1g 时,u min =0.02μV。采用24位的高精度A/D 转换器，其能够分辨的最小输

入电压u ~in min

为u ~in min =V REF 224

-1

(7)

式中,V REF 为参考电压，当V REF =2.5V 时,u ~in min ≈0.149μV。机械与电子

251

阿比多尔SCIENCE &TECHNOLOGY VISION

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由以上分析可以看出，如果信号不放大,A/D 转换器将不能识别u min 。因此必须对称重传感器的输出电压放大，其最小放大倍数A u min 为

A u min =u

~in min u min

≈7.45

(8)

当称重传感器承载满负荷时(即M=F max ，此时A/D 满幅

值输出FFFFFFH)，传感器输出电压u max 为

u max =Su s F max

M =10(mV)

(9)

因A/D 转换器的最大输入电压可达u ~in min

=V REF =2.5V，则调理电路的最大放大倍数A u max 为

A u max =u

~山东省劳动厅

in min u min

=250

(10)

因此，调理电路总的电压放大倍数A u 应满足7.45≤A u ≤

250。综合各方面的因素，取调理电路总的电压放大倍数A u =200。将A u 1代入式(5)，考虑到电阻的标称值，令R 4=100Ω,R 3=R 5，则有R 3=R 5≈10kΩ。2.3.2

低通滤波器参数的确定

图4电子秤调理电路原理图

参见图4,U2、R 3、R 4、R 5、C 1、C 2等组成有源低通滤波器,财政收入

用于滤除工频信号干扰。由于称重信号为直流信号，考虑到滤波效果，取低通滤波器的截止频率均为f c =10Hz，令C 1=C 2，则有

C 1=C 2=

应用生态学报

12πR 3f c

≈1.592(μF)(11)

取标称值C 1=C 2=2μF。

3高精度电子秤的软件设计

电子秤的软件设计主要包括系统初始化子程序、称重信号采集与处理子程序、功能键处理子程序、睡眠状态唤醒子程序、通信子程序等。图5为电子秤的称重信号采集与处理子程序流程框图，图中，系统首先完成称重信号与环境温度信号的实时采集，并进行数据预处理，然后根据温度补偿算法，完成称重数据的温度补偿，获得最终的称重结果，通过LCD 显示，并调用语音提示子程序完成称重结束提示。若需要与上位机通信，则调用通信子程序，完成与上位机通信功能。

图5称重信号采集与处理子程序流程框图

4结论

本文以TI 公司的高性能单片机MSP430F449为信息处理核心，结合24位A/D 转换器，设计了一种高精度电子秤，完成了电子秤的软、硬件电路设计。这种电子秤的最大量程为50kg，分度数为5000，内分度值为1g,

达到了国家标准《非自动秤通用检定规程JJG555-1996》规定的三级秤指标。

【参考文献】

[1]佟莹辛.基于C8051F350的高精度低成本电子秤[J].辽宁科技学院学报,2008,10(3):9-10.

[2]

王德清，胡晓毅，贾宏，等.基于SPCE061A 的高精密电子秤设计

[J].电子技术应用,2008,27(5):83-86.

[3]中华人民共和国国家计量检定规程.JJG555-1996非自动秤通用检定规程[S].北京：国家技术监督局,1996.

[4]潘学军.应变式非平衡电桥与电子秤[J].四川师范大学学报：自然科学版,2000,23(1):75-78.

[责任编辑：周娜]

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