论文总字数：17724字

目 录

1 绪论 1

1.1 概述 1

1.2 论文的主要任务 1

1.3 设计前期准备工作 2

1.4 本文的结构 2

2 系统组成及工作原理 2

2.1 系统组成 2

2.2 系统工作原理 3

3 系统的硬件设计 4

3.1 设计各模块分析 4

3.3.1MSP430F149单片机性能介绍 4

3.1.2 MSP430F149单片机引脚图 4

3.1.3 复位电路 5

3.2 HX711模块接口电路的设计 5

3.2.1 HX711特点 6

3.2.2 HX711管脚说明 6

3.3 压电传感器电路 7

3.3.1 应变式电阻传感器 7

3.3.2 应变片式电阻传感器的结构和原理 7

3.3.3 全桥测量电路 8

3.3.4 LCD显示模块 8

3.3.5 DS18B20温度测试模块 8

3.3.6 蜂鸣器超重报警模块 9

4 系统软件设计 9

4.1系统主函数 9

4.2 A/D数据采集子函数 10

4.3 键盘程序 10

4.4 显示函数 11

5 误差解决方案和线性度的确定 12

5.1 系统硬件测试 12

5.2 软件滤波 12

5.3 温度补偿方案 13

5.4 温度补偿的原理 13

5.5 线性度确定 14

5.6 误差分析 16

6 总结与展望 17

参考文献 18

致 谢 19

附录实物图和电路原理图 20

基于MSP430高精度电子秤设计与实现

蒋志成

，China

Abstract:This design of the electronic scale system to MSP430 microcontroller as the control core. The system hardware module includes key module, display module and load cell module, in which the load cell module adopts resistance strain sensor, the design uses 24 A / D to improve the design accuracy. The software design is programmed in C language, and the test data are linearly programmed and temperature compensated to reduce the error. The maximum scale of the electronic scale is 0-5Kg and the precision is 0.001Kg. The experimental results show that the system has high reliability, high precision and easy operation.

Keywords :Single chip; load cell; A / D conversion

1 绪论

1.1 概述

一直以来人们对于物体重量的掌控是朝向更精确更稳定的方向去的，所以电子秤发展到今天已经进入到了一个相对稳定成熟的阶段，简单来讲就是它经历了由刚开始笨重的机械模式到方便的机电模式最后到了现在的全电子模式的重要阶段，也许这之间经历了一个缓慢的过程，但人们对于电子秤探索的脚步始终是坚定而充满信心的，而且在未来人们也愿意相信电子秤会为人类文明的进步作出更多贡献。

电子秤在当今社会有着不可替代的地位，电子称被广泛用于菜市场，各大商场，快递站，银行等场合。电子秤在以杠杆与原理设计的传统机械称上做出了质的改变，基于传统机械称的杠杆原理，运用了当代电子科学技术：集成电路，信号采集，信号放大，数据传输等设计了电子秤，很大范围内代替了传统机械秤。因为电子秤不仅在精度上比传统机械秤高出了无数倍，而且在测量范围上也高出了很多。但是电子秤还存在很多问题，虽然精度高了很多，但是对于一些科学研究领域来说还远远不够，所以还需要进一步研究加强。在系统运行稳定性上也还存在一些缺陷，毕竟是通过程序来控制的系统，需要电信号来传输数据，在运行过程中容易被干扰从而影响了测量结果的准确性。所以本次设计致力于设计出更高精度和运行更加稳定的电子秤。

本次电子秤系统设计经过了对市场需求进行分析，经过思想论证和各种设计方案的对比，从材料选择开始，根据设计的要求，列举了很多传感器作为备选。经过多重深刻的考量最终选择了已经相对成熟的5KG电阻应变传感器作为本文设计的基础传感器原件。内部包含了桥式电路设计，并且自带抗干扰，能很大程度减少外界因素的干扰。经过周密分析为了使A/D转换器的精度达到10位以上特选择了HX711模块，最终选择了HX711模块，因为其自带24位高精度A/D转换芯片，而且集成内部稳压电源和时钟振荡器，不仅解决了精度问题，而且在于MCU通信过程中，采用管脚驱动模式，不必再对MCU片内寄存器进行编程，降低了操作难度，节省了时间。本文设计在最小系统的选择上由于要出于对于功耗还有抗干扰能力的双重考量所以最终选用16位单片机MSP430F149。同时以3.3V自带字库的LCD12864液晶显示器作为显示模块，因为它较之其它显示器能多出重量和单价两个重要显示对象，提高设计的可观性以及易用性。

1.2 论文的主要任务

本文的设计目标是完成一个量程为0～5Kg并且可以把精度控制在0.001Kg的电子称重系统，该系统的核心控制部件是MSP430F149单片机。其中的原理是由于传感器上感受到压强它本身的电阻值就会发生一定的变化，进而传输到HX711模块上面，把不可直观的阻值形变转变为可以直观的输出电压值，最后利用相对应的关系式算出重量值传送到LCD显示屏输出显示。简单、稳定是该系统的标签，操作方便结果理想是该系统能为人类提供的最大便利。

1.3 设计前期准备工作

在确定了毕业设计题目确定以后，我们要进行很多前夕工作的准备，包括查阅相关资料，确定硬件模块型号，并且结合题目要求思考各种设计方案的可行性和准确性。当确定好设计方案后，要采购硬件模块，在采购过程中针对一些容易损坏的器件多买一两个，避免设计进度遭到阻碍。因为软件设计过程主要是通过C语言编程完成，所以前期准备要先搭建好程序框架，然后根据硬件模块开始编写程序。

1.4 本文的结构

本设计是以MSP430F149单片机最小系统为控制核心的高精度电子秤，系统各部分组成采用模块分析法，硬件部分主要包括，称重传感器，矩阵键盘，A/D转换芯片，超重报警模块和液晶显示模块。软件部分主要是通过C语言编程来完成的。电子秤有效称重范围是0-5Kg，最小分度值是0.001Kg。该电子秤系统的主要优点在于成本低，操作简单。本篇论文共分为6个部分：

第一章介绍了选题背景和选题意义，阐述了本次设计的主要任务。

第二章是总体设计部分，简单介绍了电子称重系统的系统组成，画出了系统的组成框图， 并且逐个介绍了每个模块的作用。

第三章是系统的硬件设计部分，主要介绍了MSP430单片机和HX711模块的性能，并未阐述了设计选择HX711的原因。介绍了设计中用到的电阻应变式传感器的原理和设计用到的LCD12864液晶显示屏。

第四章是软件设计部分，主要介绍了在设计中用到的相关技术原理。

第五章是误差补偿方案和线性度确定，主要是对系统测试，根据测试数据，对温度和非线性引起的误差进行解决方案设计。

第六章为总结与展望，对本次设计做出总结并且找出本次设计中存在的不足和进一步的研究方向。

2 系统组成及工作原理

2.1 系统组成

本次设计的控制核心采用的是MSP430F149单片机，外接模块包括模数转换模块，按键模块，温度测量模块，超重报警模块和LCD12864显示模块。其硬件框图如图1所示：

图1 系统硬件框图

称重传感器模块：在受到外物的重量影响下，称重传感器内部电压发生变化，然后将这个电压信号发送给A/D转换模块。

A/D数据采集模块：把上述电压信号进行采集分析并且放大这个信号，然后把得到的模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号。

超重报警模块：超重报警模块主要由蜂鸣器电路组成，当测试数据发送给单片机后，单片机对数据进行判断，如果所测得的重量超过了电子秤的最大量程，则会调用报警模块，控制蜂鸣器电路发声。

按键模块：经过方案对比后，4*4矩阵键盘能满足设计要求，按键主要作用是实现单价设置，去皮，复位等功能。

温度测量模块：采用DS18B20测温芯片，主要用来测试当前所处环境的温度，并根据温度进行温度补偿减小温度误差。

LCD12864显示模块：显示模块显示当前的称重数据和单价设置，通过按键还能切换到温度显示模式，

MSP430D单片机最小系统：电子秤系统的核心控制部件，用来接收，发送和处理各个模块的数据。

2.2 系统工作原理

系统的总体构成由上图1所示，其中A/D数据采集部分由HX711和A/D转换芯片组成，其中，A/D转换芯片的精度可达24位，称重传感器的原理是通过外物的重量对传感器内部的电阻产生影响，改变其阻值，从而使其输出电压发生变化，电压信号由A/D采集后传送给单片机最小系统进行处理，系统通过程序判断此时电压值是否超过所设极限值，如果超过则进行报警，具体表现是蜂鸣器鸣叫。如果没有超过极限值则将数据换算后传给LCD显示模块进项数据输出显示。矩阵键盘模块主要是对电子秤系统进行复位，单价设置，模式选择等操作。

本次设计系统的关键技术在于将物理量转换成可以传递处理的电信号。经过查阅资料对比分析过以后，我选用了HX711这款芯片来完成这个功能，HX711是一款24位高精度的A/D转换芯片，并且内部设计有相应的放大电路，具有64和128倍增益，能将传感器传出的微弱电信号放大为可以识别和处理的数据比较适合用于电子称重方面。

3 系统的硬件设计

设计各模块分析

3.3.1MSP430F149单片机性能介绍

• 1. 低功耗：2.2V工作电压，时钟振荡频率1MHz，有源模式为200μA; 并有五种节能工作。
  2. 高效16位RISC-CPU，时钟频率为8MHz，大部分指令都只需要在一个指令周期内就能够完成。
  3. MSP430F149单片机采用低电压供电模式，只需要3.3V就可以使其正常工作，并且工作电压范围比较宽。
  4. MSP430F149单片机既可以采用内部时钟也可以外接晶振用外部时钟使其工作。
  5. 单片机能实现低频高速通信。
  6. 能够实现在线串行编程。
  7. 比较完善的中断控制系统，只需打开外部中断功能就可以灵活使用中断功能。
  8. 单片机能实现极短时间内唤醒并投入使用。
  9. 运行稳定可靠，抗干扰能力很强。
  10. 工作环境温度范围为-40～ 85℃。

3.1.2 MSP430F149单片机引脚图

图2 430单片机引脚图

3.1.3 复位电路

在大多数使用了控制器电路设计的系统中，都必须有相应的复位电路，复位电路主要是能够使系统稳定的运行。本次设计中复位电路主要作用是防止程序从头开始运行或者运行过程中程序出错。一个稳定的复位电路可以使系统能够正常稳定的工作，它的作用是不可忽视的。本次设计采用了上电自动复位和手动复位对系统进行复位操作，系统一开始上电之后会自动复位一次，当复位按键按下时系统也会执行复位功能。

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