实验题目：基于MSP430 简易电子秤的设计

1. 课程简要信息

课程名称：单片机原理及应用
课程学时：15学时
适用专业：电子信息科学与技术、机械电子工程
学生年级：大二、大三

2. 实验内容与任务（限500字）

本系统采用单片机 MSP430F247 为主控模块，外接信号调理、数据采集、数据显示和键盘控制等电路实现简易电子秤的设计。

系统的硬件部分包括传感器、数据采集、人机交互界面和单片机最小系统板四大部分。传感器由电阻应变片构成电桥电路感应铁质悬臂梁的形变，输出与形变对应的微弱电压信号。数据采集部分包括信号调理电路和 A/D 转换电路。人机交互界面包括键盘和LCD12864点阵式液晶显示。单片机最小系统对人机交互界面进行控制，并对采样信号进行处理，处理中通过大量数据的拟合，根据拟合曲线函数对采样数据进行校正以提高称重精度。

实验内容与任务具体包括：

1）硬件系统各模块的测试与调试

A.电阻应变片构成的电桥电路的设计与测试
B.14位精度的A/D转换模块的设计与测试
C.HX711模块的设计与测试
D.按键功能的设计与测试
E.LCD12864 显示模块的设计与测试

2）系统集成与组装

A.结构组装B.控制程序加载及调试

3）系统整体调试

A.依次由小到大放上不同重量的砝码，最小1g,最大 $5 0 0 \mathrm { g }$ ，测试测量结果，并进行误差分析
B.按键设置单价，实现总价计算以及金额累加；
C.测试去皮功能，去皮范围不超过 $ 1 0 0 \mathsf { g }$

3. 实验过程及要求（限300字）

1）3至5名同学一个小组，了解各个子模块的设计原理与方法，制定运行计划

2）硬件系统各模块的测试与调试：

A.压力传感器的设计方法：搜集资料，思考本次设计需要通过全桥还是半桥的设计方法，通过两种方法的对比，形成测试报告得出结论。
B.A/D转换器的设计与测试：通过方案对比选择HX711芯片作为A/D转换芯片，转换精度24位。
C.按键功能的测试，需要五个功能按键分别进行清零、修改、去皮、左移、右移。
D.LCD 显示模块的测试，LCD 显示内容包括：当前重量，累计重量，单价，总价，
去皮。

3）系统集成调试：进行结合相关系统程序进行整体调试，撰写设计总结报告，并通过分组演讲，学习交流不同问题的解决方案。

4. 相关知识及背景（限150字）

随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具的称重方法和精度已经满足不了人们的要求。为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，本系统采用单片机MSP430F247为主控模块，外接信号调理、数据采集、数据显示和键盘控制等电路实现简易电子秤的设计。此电子秤具备功能多、性价比高、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、精度高等特点。

5. 教学目标与目的（限100字）

本次设计将智能化、自动化、人性化用在了电子称重的控制系统中，主要由MSP430单片机作为主控制器，称重传感器由电阻应变片通过搭接电桥电路实现，采集到的数据通过高精度 24位A/D转换器传递到单片机进行数据处理，通过按键控制实现对应的称重、计价功能，按键功能在实现过程中需要注意按键消抖，获取并处理的数据在LCD12864上进行显示。

6. 教学设计与引导

本次实验的过程是一个比较完整的工程实践，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实验调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，在以下几个方面加强对学生的引导：

1）学习如何通过电子应变片形成全桥或板桥电路，两者之间的区别；
2）测量过程中存在的温漂问题如何消除；
3）不同A/D转换精度对实际值的影响；
4）MSP430单片机内部结构，引脚功能，运行原理；
5）按键的灵敏度，按键消抖的设计与实现；
6）LCD显示器的滚动实时显示；
7）相关电气系统组装及调试的规范和性能要求；

8）学生可按功能需求对传感器进行挑选组合；

9）试验完成后，组织学生以演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

在设计中，注意学生设计的规范性：如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性，温度对实验数据的影响；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

7. 实验原理及方案

1）系统总体设计结构

图7-1 系统总体结构图

简易电子秤总体设计结构图如图7-1所示。传感器由电阻应变片构成电桥电路感应铁质悬臂梁的形变，输出与形变对应的微弱电压信号。数据采集部分包括信号调理电路和A/D转换电路。人机交互界面包括键盘和LCD12864点阵式液晶显示。单片机最小系统对人机交互界面进行控制，并对采样信号进行处理，处理中通过大量数据的拟合，根据拟合曲线函数对采样数据进行校正以提高称重精度。

2）实现方案

（1）电阻应变片形成的惠斯通半桥电路

图 7-2 电阻应变片惠斯通半桥设计形成前端压力传感器

惠斯通半桥电路原理图如图 7-2所示。此电路利用两个1K电阻和两个应变片电阻构成电桥，将形变信号转换为电压信号，灵敏度比全桥灵敏度高。粘贴后实物如图7-3所示。

图7-3 电阻应变片形成的压力传感器实物图

（2）信号放大电路

前级放大器部分压力传感器输出的电压信号为毫伏级，所以对运算放大器要求很高。我们考虑可以采用以下几种方案可以采用：

方案一：采用专用仪表放大器，如：INA126，INA121，INA331等。此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。以 INA331 为例,接口如图 7-4 所示：

图7-4 方案一 仪表运放电路原理图

2R放大器增益 ${ \sf G } \mathrm { = } 5 \ast { \sf \left( 1 \mathrm { + } \mathrm { \ } R \mathrm { 1 \ } \right) }$ ）。

K5 K20当 $\mathsf { R } 1 = 1 \mathsf { K }$ ， $_ { \sf R 2 } = 5 \sf K$ 时， $G = 5 * \ ( 1 + 1 K ) = 3 0$ ；当 $\mathsf { R } \mathsf { 1 } = \mathsf { 2 }$ ， $R 2 { = } 2 0 k$ 时， $\mathtt { G } = 5 * ( 1 + \ 2 K ) = 5 5$ ，所以可以通过改变 R1、R2 的大小来改变放大器的增益。

方案二 ：采用高精度芯片 HX711。HX711 芯片内部包含了低噪声可编程放大器和高精度 24 位 A/D 转换器。片内低噪声可编程放大器采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，并且可以通过程序控制放大倍数，该芯片具有转换速度快、抗干扰能力强等优点。HX711 的接口图如图7-5所示：

图 7-5 方案二 HX711 接口电路

方案一与方案二相比具有程序控制放大与A/D 转换能力，故选用方案二。

（2）按键模块

按键模块软件设计流程图如图 7-6所示

图 7-7 LCD12864 显示模块流程图

3）通过拟合曲线分析出重量和应变片产生形变后产生的电压值的关系，从而校正实际重量产生的误差。

(4)线性电源模块

电源原理图如图 7-8 所示。选用 7805 芯片将输出电压稳定在5V，其稳定性好，可为电路持续供电。

图7-8 电源原理图

8. 教学实施进程

1） 实验过程中3至5名同学一个小组，分析整个系统可以划分的子模块，同时进行整体方案的设计（2个学时）
2） 通过对比，制定各个子模块的设计方法(2学时)

3） 按照设计方法进行仿真调试（3学时）

4） 仿真调试成功以后，在 protel 里绘制PCB 版图并制版（4学时）

5） 软硬件整体调试（4学时）。

在软件设计过程中一定要注意温漂对整个实验数据造成的影响，在程序里做温漂处理或者直接更换带温漂的电阻应变片。

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1）系统各子模块实现方案论证
2）子模块测量方法和测量过程
3）测试电路设计与参数选择
4）子模块测试程序设计及数据记录
5）多组数据拟合曲线的绘制
6）数据处理分析

10.考核要求与方法（限300字）

1）实物报告（ $30 %$ ）：完整，数据记录清晰，拟合曲线的绘制，图表明确，有结论分析及处理过程；

2）操作（ $50 %$ ）：

A.惠斯通半桥测试（ $10 %$ ）：测试出压力对应的电压值B.HX711模块电压值测试（ $20 %$ ）：测试通过放大后的电压值的变化C.按键功能的测试（ $10 %$ ）：测试五个按键的功能是否全部实现D.LCD12864 显示模块的测试（ $10 %$ ）：测试对应的显示内容

3）实物验收（ $. 2 0 %$ ）：电子秤能测试各种重量的砝码值，误差在 $5 \mathsf { g }$ 以下不超过 $0 . 5 \mathsf { g }$ ，$5 \mathsf { g }$ 以上误差不超过 $1 \mathsf { g }$ 。能实现显示当前重量，单价以及当前对应的价格，累计重量以及对应的价格，去皮功能。

11. 项目特色或创新（可空缺，限 150字）

在本次设计过程中，综合运用模拟电子技术、数字电子基础、电路、传感器原理及应用、单片机原理及应用等课程，设计出简易电子秤，可以设置单价（元/克），可以计算物品金额并实现金额累加；具有去皮功能，去皮范围 $0 \mathrm { g } { \sim } 1 0 0 \mathrm { g }$ 可以任意设置。数据处理过程中通过大量数据的拟合，根据拟合曲线函数对采样数据进行校正以提高称重精度。在采集数据过程中，发现早、中、晚温度对数据的精度影响很大，所以一定要进行温漂处理。

实验案例信息表