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1、电子称的设计摘 要 随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具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，在本设计中将智能化、自动化、人性化用在了电子秤重的控制系统中。本系统主要由单片机来控制，测量物体重量部分由称重传感器及A/D转换器组成，加上显示单元，此电子秤俱备了功能多、性能价格比高、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。本系统以AT89S52单片机为主控芯片，外围附以称重电路、显示电路、报警电路、键盘电路等构成智能称重系统电路板，从而实现自动称重系统的各种控制功能。可以说,此设计所完成的电子秤很大程度上满足了应用需求。关键词
2、AT89S52单片机； 电阻式应变传感器； A/D转换器； LCD显示器1 绪论 随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。 作为重量测量仪器，智能电子秤在各行各业开始显现其测量准确，测量速度快，易于实时测量和监控的巨大优点，并开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量称，成为测量领域的主流产品。本文设计的电子秤以单片
3、机为主要部件，用汇编语言进行软件设计，硬件则以半桥传感器为主,测量05kg电子秤，随时可改变上限阈值，并达到阈值报警的功能。称重传感器输出的电量是模拟量，数值比较小达不到A/D转换接收的电压范围。所以送A/D转换之前要对其进行前端放大、整形滤波等处理。然后，A/D转换的结果才能送单片机进行数据处理并显示。其数据显示部分采用LCD显示，成本低且能很好地实现所要求的功能。2 设计要求2.1 基本要求 1、电子称的称重范围：05kg；分度值0.01Kg；精度等级 2、液晶显示：所称物体重量、10种商品的购物清单等。2.2 特色与创新 1、使用单片机为控制核心，大大简化了系统的组成结构，且单片机可拓展
4、性强，可以很方便的对系统进行拓展和应用。 2、使用键盘输入数据，操作简单，方便。 3、中文液晶显示所称量的物品重量，同时还可显示物品的名称，数量，单价，金额和所有物品的总金额。 4、具有去皮功能和金额累加计算功能。 5、当物品重量超过电子称量程，即过载情况或者物品重量小于A/D转换器所能转化的最小精度，即前量程的时候，具有超重报警功能。3 方案设计3.1 设计思路按照设计的基本要求，系统可分为三大模块，数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。其中数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成。转换后的数字信号送给控制器处理，由控制器完成对该数字量的处理，驱动显示模块完成人机间
5、的信息交换。此部分对软件的设计要求比较高，系统的大部分功能都需要软件来控制。在扩展功能上，本设计增加了一个过载、量程报警提示。系统总体设计方案比较与论证。 在设计系统时，针对各个模块实现的功能来设计电子秤的方案有以下几种：方案一 数码管显示方案结构简图如下图所示：图3-1-1 数码管显示方案 此方案利用数码管显示物体的重量，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机。由此设计出的电子称系统，硬件部分简单，接口电路易于实现，并且在编程时大大减少程序量，在电路结构上只有简单的输入输出关系。缺点是：硬件部分简单，虽然可以实现电子城基本的称重功能，但是不能实现外部数据的输入，无法根据实际情况灵活的
6、设定各种控制参数。由于数码管只能实现简单的数字和英文字符的显示，不能显示汉字以及其他复杂的字符，不能达到显示购物清单的要求。方案二 在前一种方案的基础上进行了拓展。增加了一键盘输入装置，增加外界对单片机内部的数据设定，使其具有了称重计价的功能。结构简图如下图所示：图3-1-2 带外部键盘输入的结构简图此方案设计的电子称，可以实现称物计价功能，但局限于数码管功能，在显示时只能显示单价、购物总额以及简单的货物代码等。方案三 基于上述方案中出现的问题，我们在前端信号处理时，选用放大、信号转换器等措施，并加入过载报警电路，大大提高了电子称的准确性。 结构简图如下图所示：图3-1-3 电子秤的总体方案结
7、构简图 综合比较方案一，方案二和方案三，我们可以看出方案三中系统的稳定性，安全性能大大得以提高，而且电子称的计价，去皮，总价，等功能都可以如方案一、二那样得以体现，所以在具体设计时，采用了第三种设计方案。4、 硬件系统及分析4.1 数据采集 4.1.1压力传感器的选择 传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。本系统要运用传感器将物体重量在电子秤上产生的压力转换成电信号输出显示，所以此处应选择测量压力的传感
8、器。据测控电路所学知识，我们知道测量压力的传感器有压电传感器；电容式传感器；电阻应变式传感器等，下面结合测控电路，现代检测技术知识分别对这几种传感器进行比较，以得出最优方案。方案一 压电传感器 压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于“动态力学量”的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力或压力的测量。由于我们使用的电子称都是用来测量静态物体，即测量静态量，所以不适合选择压电传感器。方案二 电容式传感器 电容式传感器是将被测非电量
9、的变化转换为电容变化的一种传感器。它有结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容传感器可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。电容传感器的基本工作原理可用最普通的平行极板电容器来说明。两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，其电容量为： C=r0A/d （4-1）式中： d两极板间的距离； A两平行极板相互覆盖的有效面积；r介质的相对介电常数；0真空中介电常数。 若被测量的变化使式中d、A、r三个参量中任一个发生变化，都会引起电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。 虽然电容式传感器有结构简单和
10、良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素： （1） 小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法至几十皮法。因C太小，故容抗Xc=1/C很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因其视在功率P=u02C ，C很小，则P也很小。故易受外界干扰，信号需经放大，并采取抗干扰措施。 （2）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。 我们知道，电子称的第一个要求就是称量准确，所以电容式传感器不是最佳选择。 方案三 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器简称电阻应变计，它由电阻应变片和测量线路两部分组成。常用的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片，本设计中采用的是电
11、阻丝应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。 当将电阻应变计用特殊胶剂粘在被测构件的表面上时，则敏感元件将随构件一起变形，其电阻值也随之变化，而电阻的变化与构件的变形保持一定的线性关系，进而通过相应的二次仪表系统即可测得构件的变形。通过应变计在构件上的不同粘贴方式及电路的不同联接，即可测得重力、变形、扭矩等机械参数。由物理学知识可知，一根金属丝的电阻为： R=L/S （4-2）在金属丝的弹性范围内：R/R=KSx=D （4-3） 式中：Ks金属丝的灵敏系数 ex金属丝的应变 4.1.2 测量转换电路 在电子称的数据采集部分
12、，由物体才产生的压力经电阻应变片的测量转换电路转变成电压信号后再送入放大电路中进行信号放大。由于温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，如果不采取必要是措施克服温度的影响，测量精度无法保证，所以在设计时选用“电桥测量电路”进行温度补偿补偿（如下图所示）。电桥的一个对角线结点介入电源电压，另一个对角线结点为输出电压U0。为了使电桥在测量前的输出电压为零，应该选择四个桥臂上的电阻均作应变片，使R1R3=R2R4或R1/R2=R3/R4，这样电桥就平衡了。根据不同的要求，应变电桥有不同的工作方式：单臂半桥工作方式，双臂半桥工作方式，全桥四臂方式。其中全桥四臂工作方式的灵敏
13、度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。所以为设计高灵敏度的电子称，选用全桥四臂工作方式。但是，电子称在使用中R1、R2、R3、R4不可能严格地成比例关系，所以必须设置调零电路，如图所示;调节RP，最终可以使电桥趋于平衡，U0被调到零位，这一过程就是调零。图中的R6、R8是用于减小调节范围的限流电阻。图4-1 全桥四臂调零电路4.2 信号放大电路 在前级处理电路部分，我们可以考虑采用以下几种方案：方案一、利用普通低温漂运算放大器构成前级处理电路； 普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于A/D转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以，此种方案不
14、宜采用。 方案二、主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器，而构成的前级处理电路；差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放(如OP07)做成一个差动放大器。其设计电路如图所示：图4-2 利用普通运放设计的差分放大电路 方案（三）：采用专用仪表放大器，如：INA126，INA121等构成前级处理电路。 一般说来，集成化仪用放大器具有很高的共模抑制比和输入阻抗，因而在传统的电路设计中都是把集成化仪器放大器作为前置放大器。然而，绝大多数的集成化仪器放大器，特别是集成化仪器放大器，它们的共模抑制比与增益相关：增益越高，共模抑制比越大。而集成化仪器放大器作为心电前置放大器时，由于极化电
15、压的存在，前置放大器的增益只能在几十倍以内，这就使得集成化仪器放大器作为前置放大器时的共模抑制比不可能很高。有学者试图在前置放大器的输入端加上隔直电容（高通网络）来避免极化电压使高增益的前置放大器进入饱和状态，但由于信号源的内阻高，且两输入端不平衡，隔直电容（高通网络）使等共模干扰转变为差模干扰，结果适得其反，严重地损害了放大器的性能。 由以上分析以及基于电子秤的要求精确度不是很高，所以选择由普通放大器所组成的差动放大器作为本设计的信号放大电路。4.3 A/D转换器的选择 考虑到本系统中对物体重量的测量和使用的场合，精度要求不是很苛刻，转换速率要求也不高，而双积分型A/D转换器精度高，具有精确
16、的差分输入，重要的是输入阻抗高（大于103M），可自动调零，有超量程信号输出，全部输出于TTL电平兼容。且双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50Hz的工频干扰抑制能力较强，对高于工频干扰（例如噪声电压）已有良好的滤波作用。只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。 根据系统的精度要求以及综合的分析其优点和缺点，本设计采用了12位A/D转换器。4.4 键盘处理部分的方法论证 由于电子秤需要设置单价（十个数字键），还具有确认、删除等功能，总共需设置17个键（包括一个复位键）。键盘的扩展有
17、使用以下方案：采用矩阵式键盘：矩阵式键盘的特点是把检测线分成两组，一组为行线，一组列线，按键放在行线和列线的交叉点上。下图给出了一个44的矩阵键盘结构的键盘接口电路，图中的每一个按键都通过不同的行线和列线与主机相连这。44矩阵式键盘共可以安装16个键，但只需要8条测试线。当键盘的数量大于8时，一般都采用矩阵式键盘。 图4-4 矩阵式键盘结合本设计的实际要求，16个按键使用44矩阵式键盘，另外一个复位键使用独立式按键实现。4.5 显示电路部分的选择 数据显示是电子秤的一项重要功能，是人机交换的主要组成部分，它可以将测量电路测得的数据经过微处理器处理后直观的显示出来。数据显示部分可以有以下两种方案
18、供选择。的组成有以下两种方案可供选择：一是 LED数码管显示,二是LCD液晶显示两种选择. LCD液晶显示器是一种极低功耗显示器，从电子表到计算器，从袖珍时仪表到便携式微型计算机以及一些文字处理机都广泛利用了液晶显示器。4.6 超量程报警部分的选择 智能仪器一般都具有报警和通讯功能，报警主要用于系统运行出错、当测量的数据超过仪表量程或者是超过用户设置的上下限时为提醒用户而设置。在本系统中，设置报警的目的就是在超出电子秤测量范围时，发出声光报警信号，提示用户，防止损坏仪器。 超限报警电路是由单片机的I/O口来控制的，当称重物体重量超过系统设计所允许的重量时，通过程序使单片机的I/O值为高电平，从
19、而三极管导通，使蜂鸣器SPEAKER发出报警声，同时使报警灯D1发光。 5 心得体会 俗话说“好的开始是成功的一半”。说起课程设计，我认为最重要的就是做好设计的预习，选一个自己有兴趣的题目；其次，老师对实验的讲解要一丝不苟的去听去想，因为只有都明白了，做起设计就会事半功倍，如果没弄明白，就迷迷糊糊的去选题目做设计，到头来一点收获也没有。最后，要重视程序的模块化，修改的方便，也要注重程序的调试，掌握其方法。 当然，这其中也有很多问题，第一、不够细心比如由于粗心大意接错了线，由于对课本理论的不熟悉导致编程出现错误。第二，是在学习态度上，这次课设是对我的学习态度的一次检验。对于这次课程实习，我的第一
20、大心得体会就是作为一名工程技术人员，要求具备的首要素质绝对应该是严谨。我们这次实习所遇到的多半问题多数都是由于我们不够严谨。第三，在做人上，我认识到，无论做什么事情，只要你足够坚强，有足够的毅力与决心，有足够的挑战困难的勇气，就没有什么办不到的。 在这次难得的课程设计过程中我锻炼了自己的思考能力和动手能力。通过题目选择和设计电路的过程中，加强了我思考问题的完整性和实际生活联系的可行性。在方案设计选择和芯片的选择上，培养了我们综合能力，对传感器功能也有了进一步的认识。还锻炼我们个人的查阅技术资料的能力，动手能力，发现问题，解决问题的能力。课程设计时间虽然很短，但我学习了很多的东西，使我眼界打开，
21、感受颇深。参考文献1 赵茂泰 智能仪器原理及应用M.北京：电子工业出版社.20042 张毅刚 MCS-51单片机应用设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.20033 贾伯年,俞朴.传感器技术M.东南大学出版社.2000 4 单成祥 传感器理论设计基础及其应用M.北京：国防工业出版社，1999 5 李道华,李玲，朱艳 传感器电路分析与M.武汉：武汉大学出版社，2000 6 沙占友,王彦朋等 智能传感器系统设计与应用M.北京：电子工业出版社，2004.6 7 何希才,薛永毅 传感器及其应用实例J.北京：机械工业出版社，2004.1 8 李群芳 单片机微型计算机与接口技术M.电子工业出版社. 9 周
22、立功 单片机实验与实践M.北京航空航天大学出版社.2004.610 全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编J.北京理工大学出版社.2005.1111 何立民 单片机高级教材M.北京：航空航天大学出版社.2000 12 童诗白,华成英 模拟电子技术基础M. 北京：北京高等教育出社.2001 13 程林 超省电型电子秤的设计方案J.福建：福建省计量科学技术研究所. 2008.3 14 Leoj.scanlon:“Assembly Language programming with the IBM PC AT”Brady Communica Yion Company.,Inc.,1986:39-57. 15 Donna N.Tabler:“IBM PC Assembly language” John Wiley&Sons.Inc.,1985:86-98.
