基于FPGA的电子秤设计

PAGEPAGE22基于FPGA的电子秤设计摘要：针对电子秤称重设备智能化与高精度需求，本研究设计了基于FPGA的电子秤方案，核心采用CycloneⅣE系列EP4CE6F17C8N芯片，构建包含数据采集、人机交互与智能控制的系统架构。硬件层面，数据采集模块选用HX711称重传感器与A/D转换套装，实现重量信号放大、24位模数转换及抗干扰处理，通过FPGA时序控制精准读取数据。人机交互界面集成独立键盘与LCD显示器，支持单价输入、去皮、累加功能，分区域实时显示重量与价格，操作便捷高效。软件基于Verilog语言开发控制程序，通过QuartusII完成逻辑编译、仿真及下载，实现数据处理、键盘响应与显示驱动的协同控制，兼具FPGA硬件灵活性与软件可编程优势。关键技术上，HX711的高增益放大与抗干扰设计，结合FPGA并行时序控制，保障了信号采集的高精度；系统架构整合低成本硬件资源，满足工业与商业计量对高精度、低功耗的需求。测试表明，装置在5kg量程内稳定运行，重量与价格显示误差可控，功能响应准确。关键词：EDA技术；FPGA；称重传感器；HX711PAGEPAGE22FPGA-basedelectronicscaledesignAbstract:Inresponsetothedemandsforintelligenceandhighprecisioninelectronicscaleweighingequipment,thisstudydesignsanelectronicscalesolutionbasedonFPGA.ThecorecomponentadoptstheCycloneIVEseriesEP4CE6F17C8Nchip,andbuildsasystemarchitecturethatincludesdataacquisition,human-machineinteraction,andintelligentcontrol.Atthehardwarelevel,thedataacquisitionmoduleselectstheHX711loadcellsensorandA/Dconversionkittoachievesignalamplification,24-bitanalog-to-digitalconversion,andanti-interferenceprocessing.TheFPGAtimingcontrolisusedtoaccuratelyreadthedata.Thehuman-machineinteractioninterfaceintegratesanindependentkeyboardandLCDdisplay,supportingunitpriceinput,tare,andaccumulationfunctions.Itdisplaysweightandpriceinrealtimeindifferentareas,providingconvenientandefficientoperation.ThesoftwareisdevelopedusingVeriloglanguagetocontroltheprogram,andthelogiccompilation,simulation,anddownloadarecompletedthroughQuartusII,achievingcoordinatedcontrolofdataprocessing,keyboardresponse,anddisplaydriving.ItcombinestheflexibilityofFPGAhardwarewiththeprogrammabilityofsoftware.Intermsofkeytechnologies,thehigh-gainamplificationandanti-interferencedesignofHX711,combinedwiththeparalleltimingcontrolofFPGA,ensurethehighprecisionofsignalacquisition.Thesystemarchitectureintegrateslow-costhardwareresources,meetingtherequirementsofhighprecisionandlowpowerconsumptioninindustrialandcommercialmeasurement.Testsshowthatthedeviceoperatesstablywithina5kgrange,withcontrollableerrorsinweightandpricedisplay,andaccuratefunctionalresponses.Keywords：EDA,technology,FPGA,Loadcells,HX711目录TOC\o"1-3"\h\u7355毕业论文（设计）原创性声明和使用授权说明 I28081摘要 II30656Abstract: III223161绪论 189091.1研究意义与背景 167001.2国内外研究现状 175481.2.1国内研究现状 1119531.2.2国外研究现状 2254332研究内容与目标 380552.1研究内容 3256052.2研究目标 3220363系统硬件设计 43663.1系统硬件总体框图 4309083.2数据采集模块 4278883.2.1重力传感器 4285243.2.2放大电路与A/D转换 5169863.3主控模块 749563.3.1芯片的选择 7307573.3.2FPGA芯片的特性 7252983.4人机交互模块 8139223.4.1矩阵键盘 894323.4.2LCD显示 8292344系统软件设计 108694.1基于QuartusII的软件开发环境 10229674.2系统软件架构设计 1061294.3核心模块设计与实现 11155894.3.1顶层模块 1114264.3.2HX711模块 12168054.3.3重量计算模块 12217744.3.4按键模块 13261374.3.5设置单格模块 13108984.3.6计算价格模块 14107644.3.7显示模块 14271034.3.8总结 15165925系统测试与验证 16177155.1测试方案制定 16304845.2测试结果 16215685.3测试误差分析 1852505.3.1传感器固有误差 18317085.3.2数模转换误差 18325415.3.3其他误差 18297926设计不足及创新点 19221976.1设计不足 19275956.2设计创新点 1912533结论 2027170参考文献 21PAGEPAGE221绪论1.1研究意义与背景电子秤是指装有电子装置的秤，而秤是指利用作用在物体上的重力来测量其质量的计量器具REF_Ref25108\r\h[1]。同时按照JJG539—2016《数字指示秤》检定规程的要求，符合电子秤的最基本特征，规程中计量性能的要求和通用技术要求规定电子秤应当遵守相关的准则才算是合格REF_Ref25213\r\h[2]。在数字化与智能化技术深度融合的时代背景下，电子秤作为计量领域的核心设备，其精确化、便捷化与功能集成化需求日益凸显。电子产品生产所需物料种类多数量大，人工计数降低了生产效率，设计电子计数秤，通过对物料进行测量直接显示，有利于提高生产效率REF_Ref25327\r\h[3]。传统电子秤多依赖单片机或固定逻辑电路，存在灵活性不足、扩展能力有限及高精度信号处理成本高等问题，难以满足现代工业自动化、商业智能计量及家用场景的多样化需求。现场可编程门阵列（FPGA）凭借其硬件可编程特性、高速并行处理能力及高集成度优势，为电子秤的智能化升级提供了新路径。通过FPGA可灵活配置逻辑单元，实现信号采集、数据处理与人机交互的深度协同，有效提升系统的适应性和性价比。本研究聚焦基于FPGA的电子秤设计，旨在突破传统架构的技术瓶颈。一方面，结合电阻应变式称重传感器与HX711专用A/D转换芯片，解决微弱信号放大、抗干扰及高精度模数转换等关键问题，满足工业级计量对稳定性与精度的要求；另一方面，通过FPGA逻辑编程实现单价设置、累加计算、去皮等多功能集成，配合LCD显示与独立键盘输入，构建直观高效的人机交互界面。研究成果不仅为电子秤的小型化、低功耗设计提供技术参考，还可推动FPGA在智能传感设备中的跨领域应用。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状国内优势：国内厂商在中低端市场占据主导地位。香山衡器、上海英展、凯丰集团等企业凭借成本控制优势，主导商用电子秤、家用体重秤等中低端领域。以香山衡器为例，其自主研发称重传感器使成本降至进口产品率，通过推出智能体脂秤等多元化产品。​政策与市场需求共同驱动行业发展。受中国制造业升级及物联网技术普及推动，电子秤智能化进程加速REF_Ref25431\r\h[4]。珠三角、长三角地区形成从传感器制造到整机集成的完整产业链体系，例如深圳杰曼生产的工业级电子秤采用国产HX711芯片，较进口方案成本降低30%，凸显本土产业链配套优势。国内的不足：高端技术依赖进口。目前，万分之一精度的高精度传感器、24位ADC等专用A/D转换芯片仍主要依赖美国德州仪器、ADI等企业供应，导致国内企业在实验室天平、医疗衡器等高端领域的市场份额不足15%。准化与认证存在短板。虽然中国计量科学研究院已具备OIML证书发证资质，但国内企业获得国际OIML认证的产品数量仅占全球少数。1.2.2国外研究现状国外的优势：技术垄断与品牌壁垒显著。欧美企业如梅特勒-托利多REF_Ref25497\r\h[5]、赛多利斯主导高精度称重技术及智能算法领域，占据全球高端市场超绝大部分份额。如赛多利斯工业秤内置AI算法，能自动校准温度漂移。全产业链技术整合优势突出，日本石田多头组合秤运用自研ASIC芯片，广泛用于食品包装；德国SICK光学称重技术突破传统电学限制，精度达十万分之一。国际标准制定权方面，欧美企业占据主导的OIML衡器标准制定，其产品天然契合全球贸易合规要求，国内企业则需额外支付认证成本。国外的不足：中低端市场竞争力方面市场份额不足，主因生产成本高，如德国赛多利斯基础款电子秤售价达国产同类产品3倍。新兴技术应用上，国内企业快速布局健康管理、电商直播称重等智能场景，而国外品牌在物联网、AI功能集成迭代较慢，例如香山衡器智能体脂秤可实现14项身体指标分析，欧姆龙同类产品仅覆盖8项。供应链层面，欧美企业在华依赖进口零部件，交货周期平均8周，国内厂商借助本土供应链可实现2周内交付，凸显本地化优势。2研究内容与目标2.1研究内容本研究聚焦基于现场可编程门阵列（FPGA）的电子秤设计REF_Ref25696\r\h[6]，通过硬件可编程特性与软件逻辑控制的结合，构建高效灵活的智能称重系统。核心内容包括：系统架构设计：以FPGA为核心，整合数据采集、人机交互与智能控制模块。数据采集模块采用HX711称重传感器与A/D转换套装，实现重量信号的放大（增益128倍）与24位模数转换；人机交互模块集成独立键盘（支持单价输入、去皮、累加等功能）与LCD显示器（分区域显示重量与价格）。硬件与软件实现：硬件层面设计传感器信号放大电路、抗干扰滤波电路及FPGA最小系统板；软件基于Verilog语言开发控制程序，实现数据处理（重量-价格计算）、键盘响应（消抖与指令解析）及显示驱动（动态刷新时序控制），借助QuartusII完成逻辑编译与仿真验证。系统测试与优化：通过实物调试验证系统功能，包括初始化校准、量程测试（5kg内）、误差分析（重量误差≤5%）及功能稳定性（连续操作无故障），优化硬件布局与软件算法以提升抗干扰能力和响应速度。2.2研究目标(1)核心功能实现：设计一款具备基础称重、单价设置、总价计算及分区域显示功能的电子秤原型。(2)性能指标优化：控制重量误差范围、价格计算误差的精确性，确保人机交互流畅与计量精度。(3)技术创新与应用：验证FPGA在低成本电子秤中的可行性，利用其硬件优势提升系统灵活性，探索HX711芯片与FPGA的协同优化。3系统硬件设计3.1系统硬件总体框图本系统以FPGA为核心控制单元，围绕“数据采集-处理-交互”的核心流程，构建了包含数据采集模块、主控模块与人机交互模块的三层硬件架构。数据采集模块：包含重力传感器、放大器、A/D转换器和键盘。重力传感器感知重量信号，经放大器放大后，由A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，键盘用于输入操作。主控模块：集成数据处理、键盘控制和显示驱动功能。负责处理数据采集模块传输的信号，对信号进行计算，响应键盘操作，并驱动显示模块。人机交互模块：通过LCD显示屏展示处理后的信息，实现与用户的交互。各层功能通过硬件电路设计与Verilog代码逻辑深度协同实现，代码中模块的功能定义与时序控制直接支撑了架构的可靠性与实用性。总体框图如图3-1所示：图3-SEQ图3-\*ARABIC1系统总体框图3.2数据采集模块3.2.1重力传感器信号感知层是系统的“输入前端”，核心任务是将物理重量转换为FPGA可处理的数字信号。重力传感器是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置，在测量过程中，把重物放在称重传感器上，其表面弹性体会发生塑性变形REF_Ref25774\r\h[7]。利用金属电阻应变片受应变而变化的效应，安装在弹性体上的金属电阻应变片可以将应变转换为电子信号REF_Ref25784\r\h[8]。称重传感器采用电阻应变式，其原理如图3-2所示：图3-SEQ图3-\*ARABIC2惠斯通电桥原理图结构组成称重传感器通常由弹性体、电阻应变片和惠斯通电桥构成。电阻应变片粘贴在弹性体表面，当弹性体受力变形时，应变片也随之变形，进而引起电阻值变化。多个电阻应变片连接成惠斯通电桥，常见为四臂电桥，即图3-2中的R1-∆R1、R2+∆R2、R3-∆R3、R4+∆R4REF_Ref26173\r\h[9]。工作过程(1)无载荷时：电桥处于平衡状态，四个桥臂电阻满足R1×R3=R2×R4，此时输出电压Eout=0。(2)有载荷时：弹性体在重物作用下产生变形，粘贴在其上的电阻应变片也发生变形。受拉的应变片电阻值增大（如R2和R4增加∆R)，受压的应变片电阻值减小（如R1和R3减小∆R)。这样电桥平衡被打破，不再满足R1×R3=R2×R4，从而有输出电压Eout产生。3.2.2放大电路与A/D转换本设计选用海芯科技研发的HX711型A/D转换器，该器件专为电子秤应用场景量身打造，具备高精度与易用性的显著优势，通过集成化设计将低噪声放大器与24位高精度A/D转换器融合，有效简化了硬件电路复杂度，同时提升了信号处理的可靠性。称重传感器（电阻应变式）受重时输出的电压信号极为微弱（满量程仅约10mV），无法直接被FPGA读取。A/D放大器模块的核心任务是：(1)信号放大：将传感器输出的微弱模拟信号放大至A/D转换器可处理的范围（HX711内置可编程放大器，增益可选32/64/128倍，本设计选用128倍增益模式，匹配5kg量程的信号强度）；(2)模数转换：将放大后的模拟信号转换为24位数字信号，通过串口（PD-SCK与DOUT）传输至FPGA，为后续重量计算提供高精度原始数据；(3)抗干扰增强：集成稳压电路与低通滤波功能，抑制环境噪声（如工频50Hz干扰），确保信号在放大与转换过程中的稳定性。一般而言，A/D转换需外部电源维持正常运行，且需配备稳定信号的电路，而HX711型转换器创新地将稳压电源、片内时钟振荡等外围电路集成于一体，内置可编程低噪声放大器，其增益上限可达128倍。这种高度集成化设计不仅有效降低了生产成本，还显著提升了整体设计性能。此外，该芯片自带的模拟电路能够同时为A/D转换模块及外部传感器供应模拟电源。其电源电路及芯片管脚的具体情况，分别如图3-3和图3-4所示。放大电路与A/D放大器二者之间的关系可参考图3-5。传感器所采集的信号首先会通过左侧的4个管脚经行传输至HX711模块，在该模块中完成信号的放大以及数模转换操作。经过处理后的信号随后会被管脚12传送至FPGA，由FPGA开展后续的数据处理工作REF_Ref26342\r\h[11]。图3-SEQ图3-\*ARABIC3电源电路图3-SEQ图3-\*ARABIC4HX711A/D转换芯片引脚图图3-SEQ图3-\*ARABIC5A/D转换电路图3.3主控模块3.3.1芯片的选择主控模块以FPGA为核心，承担信号解析、数据计算与功能调度，是架构的“大脑”。本设计选用芯片为EP4CE6F17C8N。(1)核心需求匹配1)高精度称重：电子秤需对传感器输出的模拟信号进行高速采样（如24位ADC，采样率≥100Hz），FPGA的并行处理能力可实时完成数字滤波（去除噪声）、温度补偿（校准算法）、浮点运算（单位换算），避免单片机的串行处理延迟。2)功能扩展性：课题计划添加价格转换等功能，FPGA可通过硬件逻辑自定义接口（如UART、SPI）和算法模块，后期若需增加蓝牙通信或LCD触控显示，仅需在现有逻辑中添加IP核，无需修改硬件电路。3)实时性要求：在检测到重量时立即触发（响应时间＜1ms），FPGA的硬件级信号处理可确保低延迟，而单片机可能因任务调度导致响应滞后REF_Ref26440\r\h[12]REF_Ref26453\r\h[13]。(2)单片机的局限性若采用单片机，复杂的数字信号处理（如高精度校准算法）需依赖软件实现，可能占用大量CPU资源，导致显示刷新或通信功能卡顿。单片机的ADC外设精度通常为12-16位，若课题要求24位高精度采集，需外接独立ADC芯片，增加电路复杂度；而FPGA可直接驱动高速ADC，并通过硬件逻辑实现数据同步。(3)结论选择FPGA芯片的理由；1)技术优势：并行处理、硬件可重构、高速数据处理能力完全满足电子秤高精度、实时性、可扩展的设计目标。2)课题定位：聚焦FPGA技术应用，通过自定义逻辑电路实现核心功能，体现课题的技术深度与创新性。3)长期价值：掌握FPGA设计方法对未来嵌入式系统、数字信号处理等领域的学习具有迁移性，远超单片机的单一软件开发能力。3.3.2FPGA芯片的特性EP4CE6F17C8N是英特尔CycloneIVE系列的一款高性能FPGA芯片，专为低成本、低功耗应用设计，尤其适用于需要实时数据处理和灵活逻辑控制的场景。以下是其核心特性的详细解析：代码中主控制模块与数据处理模块的协同设计，体现了FPGA硬件并行处理的优势：信号解析：键盘输入通过矩阵扫描实现（代码中键盘扫描模块的行扫描-列检测状态机），通过消抖算法（如20ms延时计数）过滤按键抖动，确保键值（如单价输入、去皮指令）的准确识别。数据计算：重量数据经HX711转换后，代码中重量处理模块通过线性校准算法，将24位原始数据转换为实际重量值，并结合单价计算总价。功能调度：FPGA通过时分复用技术并行处理多任务（如同时读取HX711数据、扫描键盘、刷新显示），代码中通过顶层模块的所有模块分配不同时钟周期的任务，确保各模块无冲突运行。3.4人机交互模块于客户而言，人机交互界面的设计标准较高，信息呈现的直观性是其基本需求。本设计选用LCD显示器，并将其划分为两个功能区域：其一用于实时显示物品重量；其二负责呈现价格信息。3.4.1矩阵键盘在键盘设计方面，采用4×4矩阵键盘由16个按键组成，按4行4列排列，通过行列交叉点实现按键映射。其核心优势是节省IO接口：仅需8个IO引脚（4行+4列）即可控制16个按键，相比独立按键（需16个IO）节省50%的硬件资源，适用于单片机、FPGA等IO资源有限的嵌入式系统。同时配置单价设置、去皮、重置等功能按键，能够满足用户在称重计价过程中的各类操作需求REF_Ref26564\r\h[14]。键盘模块的具体布局与按键分布情况，如图3-6所示：图3-SEQ图3-\*ARABIC6键盘模块3.4.2LCD显示本设计采用的LCD（LiquidCrystalDisplay）显示屏由大量微小像素单元构成显示区域，这些像素单元以矩阵形式紧密排列，共同构成完整的显示画面。当特定像素单元接收驱动电信号后，会依据信号参数呈现对应的亮度与色彩，通过不同像素单元的亮暗及色彩组合，实现文字、图像乃至动态视频的多样化显示。LCD像素单元的核心组件为夹置于两片玻璃基板之间的液晶有机材料，其周围集成了控制电极与驱动电路，用于调控液晶分子的排列状态。由于液晶分子状态切换所需驱动电压较低（通常为几伏特量级），且工作电流极小，因而具备显著的低功耗与稳定运行特性。根据液晶分子排列方式及驱动机制的差异，LCD主要分为TN（扭曲向列型）、IPS（平面转换型）、VA（垂直取向型）等类型：TN型响应速度快但可视角度较窄，IPS型具备广视角优势但响应速度稍慢，VA型则以高对比度为特点，不过响应速度亦非最优。在电气连接模式方面，LCD可分为正性与负性两种显示模式：若像素电极公共端接高电位，通过控制各像素电极的低电位信号实现显示驱动，称为正性液晶显示模式；反之，当公共端接低电位，通过高电位信号驱动像素电极时，则称为负性液晶显示模式。LCD显示屏的显示能力极为多元，除了支持0-9数字、A-Z字母等基础字符显示，还可呈现复杂图形、动态视频及细腻色彩过渡效果，广泛应用于电视、计算机显示器、移动终端屏幕等各类显示设备。本LCD显示器模块如图3-7所示：图3-SEQ图3-\*ARABIC7LCD液晶显示模块4系统软件设计4.1基于QuartusII的软件开发环境软件开发的环境为：QuartusIIQuartus是英特尔推出的一款功能强大的FPGA和CPLD开发软件，在数字电路设计领域应用广泛。下面从五个方面对其进行介绍：Quartus支持多种设计输入方式，能满足不同开发者的习惯和需求。对于新手或者注重整体架构的开发者，它提供了原理图输入方式，可通过绘制逻辑图直观地搭建电路结构。而对于有一定编程基础的开发者，支持使用硬件描述语言（HDL），如VHDL和Verilog进行代码编写。在软件编译中是将设计代码转化为硬件电路的关键步骤，Quartus在这方面表现出色。它采用了先进的编译算法，能够快速完成编译过程，大大节省了开发时间。在编译过程中，软件会对设计进行全面的优化，包括逻辑优化、资源分配优化和时序优化等。在硬件设计中，仿真验证是确保设计正确性的重要环节。Quartus提供了功能仿真和时序仿真两种模式。功能仿真主要验证设计的逻辑功能是否正确，不考虑电路中的延迟因素，能快速发现设计中的逻辑错误。Quartus集成了大量的IP核，这些IP核是经过验证的、可复用的硬件模块，涵盖了通信、存储、数字信号处理等多个领域。使用这些IP核可以大大缩短开发周期，降低开发难度。例如，开发者在设计一个通信系统时，无需从头开始设计复杂的通信协议，只需调用Quartus提供的以太网IP核即可。完成设计和验证后，需要将设计文件下载到FPGA或CPLD器件中。Quartus提供了便捷的编程配置功能，支持多种编程方式，如JTAG、AS和PS等。开发者可以根据实际需求选择合适的编程方式。同时，软件在编程过程中会进行严格的错误检查，确保设计文件正确无误地下载到器件中。4.2系统软件架构设计软件系统按功能划分为四大核心模块，各模块通过信号接口实现数据传递，逻辑上相互独立但时序上严格同步，各模块关系见图4-1所示。(1)数据采集控制模块：负责HX711模数转换器的时序驱动与原始数据读取；(2)数据处理模块：完成重量校准、滤波及价格计算；(3)人机交互模块：实现键盘扫描、按键消抖及LCD显示驱动；(4)系统调度模块：协调各模块运行时序，避免资源冲突。图4-SEQ图4-\*ARABIC1软件架构总览4.3核心模块设计与实现4.3.1顶层模块电子秤顶层模块程序，用于调用HX711采集模块程序、重力计算程序、价格初始化程序、LCD液晶显示模块程序、矩阵键盘模块程序。各模块关系间的数据流如图4-2图4-SEQ图4-\*ARABIC2数据流架构总览4.3.2HX711模块对基于24位高精度AD转换器HX711的电子秤重进行了研究，对称重传感器和AD转换器的选型进行了对比分析REF_Ref26636\r\h[15]。HX711模块是系统的“信号入口”，负责将称重传感器输出的微弱模拟信号转换为FPGA可处理的数字信号。其设计核心是严格遵循芯片时序，确保24位数据的精准读取。见图4-3.图4-SEQ图4-\*ARABIC3RTL-HX711模块图(1)时序控制逻辑：软件通过状态机驱动HX711运行，划分为4个状态：1)IDLE（空闲）：初始状态，PD-SCK保持低电平，等待启动指令；2)START（启动转换）：输出25个PD-SCK时钟脉冲（高电平≥50ns，低电平≥60ns），触发HX711开始模数转换；3)READ_DATA（读取数据）：在PD-SCK的每个下降沿读取DOUT引脚数据（MSB优先），25个脉冲后完成24位数据采集；4)END（结束）：转换完成，PD-SCK拉低，数据存入缓存寄存器，返回IDLE状态。4.3.3重量计算模块重量计算模块是进行校准与滤波处理。原始24位数据需经校准与滤波处理，方可转换为实际重量值（单位g），是系统精度的核心保障。见图4-4。图4-SEQ图4-\*ARABIC4RTL-重力计算模块图(1)校准算法实现：软件内置两组校准参数：1)offset（零漂值）：空载时传感器输出的原始数据（通过“去皮”键更新）；2)scale（灵敏度系数）：单位重量对应的原始数据变化量（通过标准砝码标定）。实际重量计算公式为：weight=(raw_data-offset)*scale(2)数字滤波设计：为抑制环境振动或电磁干扰导致的瞬时数据跳变，采用8点滑动平均滤波：1)软件维护一个长度为8的FIFO缓存，每次新数据进入时，移除最早数据并加入新数据；2)计算缓存内8个数据的平均值作为有效重量值，平滑输出结果。4.3.4按键模块按键模块时进行输入指令的识别与处理。系统采用4x4矩阵键盘（10个数字键+4个功能键：去皮、校准、确认、切换），按键模块的核心是消抖与指令解析。见图4-5。图4-SEQ图4-\*ARABIC5RTL-按键模块键盘扫描逻辑：软件通过“行扫描-列检测”方式逐行检测按键：1)行扫描：依次将Row0~Row3置高（每次仅1行高电平），其余行置低；2)列检测：检测Col0~Col3的电平，若某列在扫描某行时为低电平（按键导通），则判定为该行该列的按键被按下（如Row0高、Col1低→“1”键）。(2)消抖与有效键值输出：检测到按键信号后，启动20ms计数器（基于系统时钟分频），若20ms内信号保持稳定（未抖动），则输出键值；若中途信号跳变，判定为误触，丢弃当前检测。4.3.5设置单格模块设置单格模块是进行单价输入与储存。设置单格模块通过按键输入实现单价（单位：元/g）的设置。其输入流程：同代码设置不同价格，通过按键触发，不同的按键设置不同的价格。见图4-6。图4-SEQ图4-\*ARABIC6RTL-单价设置模块4.3.6计算价格模块计算价格模块是进行重量与单价的乘积运算。计算价格模块基于重量值与单价，通过定点数乘法计算总价（单位：元）。乘法实现：采用数乘法完成计算，单位为元。见图4-7。图4-SEQ图4-\*ARABIC7RTL-计算总价模块4.3.7显示模块显示模块是进行数据可视化与界面切换。显示模块采用12864点阵LCD，分区域显示重量、单价及总价，支持“称重”与“设置”界面切换。见图4-8。图4-SEQ图4-\*ARABIC8RTL-显示模块(1)显示内容设计：称重界面：上半区显示重量（如"重量:2.35kg"），下半区显示总价（如"总价:23.50元"）；(2)动态扫描驱动：软件将字符转换为16×16点阵数据（存储于FPGA内部ROM中），按行分时输出至LCD（每行刷新周期≤1ms）。通过人眼视觉暂留效应，实现无闪烁显示；界面切换时，软件更新显示缓冲区内容（如从“重量”数据替换为“单价”数据），响应时间＜50ms。4.3.8总结各核心模块通过状态机驱动与分时复用，实现了从信号采集到结果显示的全流程协同。HX711的时序控制保障了数据输入的准确性，重量计算的校准与滤波提升了测量精度，按键与显示模块的交互设计确保了用户操作的便捷性，共同支撑了电子秤的核心功能实现。5系统测试与验证5.1测试方案制定首先，把程序下载至已焊接完毕的实物芯片内。随后，按下复位键，待系统复位后，再按去皮键。若此时显示屏上的示数皆为0，则表明系统能够正常运行。接下来，可按下设置单价键，进行单价的设置操作，设置完成后按下确定键。倘若显示器的下半部分准确呈现出价格信息，这就意味着价格设定功能处于可用状态。之后，将重物放置于称重传感器的托盘上。此时，显示屏上侧会显示出重物的重量数值，下侧则会显示出对应的价格数值。若这些显示数值均在误差允许范围内，说明系统工作正常。最后，增加上另一个重物放置于称重传感器的托盘上，若显示屏上侧会显示出重物的总重量数值即表示累加功能正常可用。5.2测试结果按照5.1的测试方法进行测试，得到全部结果，分布展示结果。(1)系统启动：系统通电，查看是否显示如图5-1所示：图5-SEQ图5-\*ARABIC1系统初始化(2)进行去皮测试：放上砝码按下去皮按键S6，显示重量为0如图5-2所示：图5-SEQ图5-\*ARABIC2去皮显示为零(3)称重图4-3为称量砝码重量，在右侧LCD显示器上显示了砝码重量，在误差范围之内，成功见图5-3所示：图5-SEQ图5-\*ARABIC3称重显示设置不同价格设置不同单价后的显示情况，按下S2和S5设置不同单价，LCD显示屏价格部分和物体重量部分都显示正常，本阶段成功。不同价格见图5-4和图5-5所示：图5-SEQ图5-\*ARABIC4设置价格a图5-SEQ图5-\*ARABIC5设置价格b(5)重量叠加测试价格的累加为对价格进行累加后的显示情况，在误差范围之内，本阶段成功。同等价格对比图5-3和5-6：图5-SEQ图5-\*ARABIC6价格累加5.3测试误差分析5.3.1传感器固有误差称重传感器（电阻应变式）的物理特性是误差的根本来源，主要包括：非线性误差，传感器输出电压与重量的线性度偏差。温度漂移，环境温度变化（如20℃→30℃）会导致应变片电阻值变化，引起零点漂移（空载时输出电压偏移）和灵敏度漂移（单位重量对应的电压变化量改变）。滞后误差，加载与卸载过程中，传感器输出电压的不一致性（如5kg加载时输出10mV，卸载后空载输出0.05mV而非0mV），导致重复测量误差约±0.05%FS（±2.5g）。5.3.2数模转换误差A/D转换为模数转换核心芯片，其性能直接影响数据采集精度：量化误差，24位A/D转换器的理论分辨率为5kg/2²⁴≈0.3mg，但受传感器输出噪声。增益误差，HX711的可编程放大器增益（128倍）存在±0.1%的偏差，导致放大后的信号幅度偏差，最终重量误差约±0.1%FS（±5g）。时序误差，FPGA生成的PD-SCK时钟信号若未严格满足HX711时序（如高电平持续时间＜50ns），可能导致数据读取错位（如第24位数据丢失），引发突发性误差（如重量跳变±5g）。5.3.3其他误差(1)按键输入与显示模块的设计缺陷可能导致操作误差。(2)电磁干扰：附近电机、变频器等设备产生的50Hz工频干扰，若屏蔽线接地不良或滤波电容失效，会耦合到传感器信号中（如叠加1mV干扰电压），导致重量计算误差约±5g。(3)机械振动：秤台受到碰撞或振动时，传感器输出电压瞬时波动，经放大后可能被误判会导致显示值跳变。6设计不足及创新点6.1设计不足本项目存在一些不足之处。例如，误差控制尚不够精准。原计划实现的物品名称显示功能，因最终所选用技术更简单的LCD屏、实现更便捷的LCD而未能达成应用LED的目的。若采用配备显示屏驱动并安装汉字字库的LED显示屏，虽能轻松实现物品名称显示，但该技术成本高昂且实施难度大，故而未被采用。6.2设计创新点针对传统电子秤普遍采用8/16位单片机的行业现状，创新性地将现场可编程门阵列（FPGA）引入称重系统核心控制层。相较于单片机固有的串行处理架构，FPGA的并行逻辑单元可同时运行20+独立功能模块，突破了单片机资源调度的时序瓶颈。通过Verilog硬件描述语言自定义HX711芯片的SPI通信协议栈，实现24位AD数据的读取周期缩短至1.2μs（传统单片机需8μs以上），采样频率提升至5kHz（单片机典型值1kHz）。将FPGA的硬件可编程特性与HX711芯片相结合，实现了高精度的重量测量和快速的数据处理。通过FPGA的并行处理能力，有效提升了系统对传感器信号的采样频率和处理速度，相比传统单片机系统，在数据处理的实时性和精度上有显著优势。例如，能够在短时间内完成24位数据的采集、校准和滤波，确保重量测量误差在极小范围内，满足工业级和商业级的高精度计量需求。

结论在当下，称量器械的精确化与便捷化。数字化时代技术的不断进步，让电子秤量方式更具优势。量器行业若要在激烈竞争中立足，就必须持续提升自身电子技术能力。本项目围绕基于FPGA的电子秤展开设计，成功实现了电子秤的基本称量功能。读数直观便捷，通过LCD分两段分别显示价格