基于单片机电子秤系统方案论证与选型

基于单片机电子秤系统方案论证与选型

按照本设计功能的要求，系统由6个部分组成：控制器部分、测量部分、报警部分、数据显示部分、键盘部分、和电路电源部分，系统设计总体方案框图如图2.1所示。

图2-1设计思路框图

测量部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设计为电压信号），而后经处理电路（如滤波电路，差动放大电路，）处理后，送A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出。控制器部分接受来自A/D转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号，并将其存储到存储单元中。控制器还可以通过对扩展I/O的控制，对键盘进行扫描，而后通过键盘散转程序，对整个系统进行控制。数据显示部分根据需要实现显示功能。

2.1 控制器部分

本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器,而且以单片机为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取

得了巨大的进展。

再则由于系统没有其它高标准的要求，又考虑到本设计中程序部分比较大，根据总体方案设计的分析，设计这样一个简单的的系统，可以选用带EPROM的单片机，由于应用程序不大，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展存储器，这样电路也可简化。INTEL公司的8051和8751都可使用，在这里选用ATMENL生产的AT89SXX系列单片机。

AT89SXX系列与MCS-51相比有两大优势：第一，片内存储器采用

闪速存储器，使程序写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路体积更小。此外价格低廉、性能比较稳定的MCPU，

具有8K×8ROM、256×8RAM、2个16位定时计数器、4个8位I/O 接口。这些配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求最后我们最终选择了AT89S52这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。AT89S52内部带有8KB的程序存储器，基本上已经能够满足我们的需要。

2.2 数据采集部分

电子秤的数据采集部分主要包括称重传感器、处理电路和A/D转换电路，因此对于这部分的论证主要分三方面

2.2.1 传感器的选择

在设计中,传感器是一个十分重要的元件,因此对传感器的选择也显的特别的重要,不仅要注意其量程和参数,还有考虑到与其相配置的各种电路的设计的难以程度和设计性价比等等.

传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。一般来说，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素后，经过大量的实验而确定的。其公式如下：

C＝K

0×K

1

×K

2

×K

3

×(W

max

＋W)/N （2.1）

C—单个传感器的额定量程；W—秤体自重；Wmax—被称物体净重的最大值；

N—秤体所采用支撑点的数量；K

0—保险系数，一般取值在1.2～1.3之间；K

1

—

冲击系数；K

2—秤体的重心偏移系数；K

3

—风压系数。本设计要求称重范围0～

5kg，重量误差不大于0.01kg，根据传感器量程计算公式（2.1）可知：

C＝1.25×1×1.03×1×（20＋1.9）／1 (2-1)

＝9.01205

为保证电子秤称量结果的准确度，克服传感器在低量程段线性度差的缺点。传感器的量程应根据皮带秤的最大流量来选择。在实际工作中，要求称重传感器的有效量程在20%～80%之间，线性好，精度高。重量误差应控制在±0.01Kg，又考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，根据式2.1的计算结果，所以我们确定传感器的额定载荷为7.5Kg，允许过载为150%F.S，精度为0.05%，最大量程时误差 0.01kg，可以满足本系统的精度要求.

综合考虑,本设计采用SP20C-G501电阻应变式传感器,其最大量程为7.5 Kg.称重传感器由组合式S型梁结构及金属箔式应变计构成，具有过载保护装置。由于惠斯登电桥具诸如抑制温度变化的影响，抑制干扰，补偿方便等优点，所以该传感器测量精度高、温度特性好、工作稳定等优点，广泛用于各种结构的动、静态测量及各种电子秤的一次仪表。该称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，其工作原理如图2.1所示：

图2.1称重传感器原理图

表一压力传感器主要技术指标

时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。由于内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形

时，输出信号电压可由下式给出：

Ein R4R4R3R3R2R2R1R1)42(42E ???? ??+++?+?=△△△△R R R R out （2-2）

2.2.2放大电路选择

称重传感器输出电压振幅范围0～20mV 。而A/D 转换的输入电压要求为0～2V ，因此放大环节要有100倍左右的增益。对放大环节的要求是增益可调的（70～150倍），根据本设计的实际情况增益设为100倍即可，零点和增益的温度漂移和时间漂移极小。按照输入电压20mV ，分辨率20000码的情况，漂移要小于1μV。由于其具有极低的失调电压的温漂和时漂（±1μV），从而保证了放大环节对零点漂移的要求。残余的一点漂移依靠软件的自动零点跟踪来彻底解决。稳定的增益量可以保证其负反馈回路的稳定性，并且最好选用高阻值的电阻和多圈电位器。

由2.2.1中称重传感器的称量原理可知，电阻应变片组成的传感器是把机械应变转换成ΔR/R ，而应变电阻的变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻值120Ω，灵敏系数 K=2，弹性体在额定载荷作用下产生的应变为1000ε，应变电阻相对变化量为：

ΔR/R = K ×ε= 2×1000×10－6 =0.002 （2-3）

由式2-3可以看出电阻变化只有0.24Ω，其电阻变化率只有0.2%。这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路，把应变计的ΔR/R 变化转换成电压或电流变化，但是这个电压或电流信号很小，需要增加增益放大电路来把这个电压或电流信号转换成可以被A/D 转换芯片接收的信号。在前级处理电路部分，我们考虑可以采用以下几种方案：

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2-2所示：

方案（三）：采用专用仪表放大器，如：INA126，INA121等构成前级处理电路。下面举例用INA128仪用仪表放大器来实现。

+

-

图2.2利用普通运放设计的差动放大器

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。为了实现信号的放大，设计电路如下：

图2.3 采用INA128设计的放大电路

1. 前级采用运放A1和A2组成并联型差动放大器。理论上不难证明，在运算放大器为理想的情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大。更值得一提的是，在理论上并联型差动放大器的共模抑制比与电路的外围电阻的精度和阻值无关。

2．阻容耦合电路放在由并联型差动放大器构成的前级放大器和由仪器放大器构成的后级放大器之间，这样可为后级仪器放大器提高增益，进而提高电路的共模抑制比提供了条件。同时，由于前置放大器的输出阻抗很低，同时又采用共模驱动技术，避免了阻容耦合电路中的阻、容元件参数不对称（匹配）导致的共模干扰转换成差模干扰的情况发生。

3. 后级电路采用廉价的仪器放大器，将双端信号转换为单端信号输出。由于阻容耦合电路的隔直作用，后级的仪器放大器可以做到很高的增益，进而得到很高的共模抑制比。

从理论上计算整个电路的共模抑制比为：

(2-4)

式中：CMR Total或CMRRTotal－放大器的总共模抑制比；CMR1－第一级放大器的共模抑制比；CMR2或CMRR2－第二级放大器的共模抑制比；A1d、A1c、A2d 和A2c－分别为第一级放大器和第二级放大器的差模增益和共模增益。

经过实际测量，图2.4所示的电路采用图中所给出的参数时，电路的共模抑制比在120dB以上。

有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。

2.2.3 A/D转换器的选择

A/D转换部分是整个设计的关键，这一部分处理不好，会使得整个设计毫无意义。目前，世界上有多种类型的ADC，有传统的并行、逐次逼近型、积分型ADC，也有近年来新发展起来的∑-Δ型和流水线型ADC，多种类型的ADC各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求。目前， ADC集成电路主要有以下几种类型：（1）并行比较A/D转换器：如ADC0808、 ADC0809等。并行比较ADC是现今速度最快的模/数转换器，采样速率在1GSPS以上，通常称为“闪烁式”ADC。它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分组成。这种结构的ADC所有位的转换同时完成，其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。缺点是：并行比较式A/D转换的抗干扰能力差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于8位，因此并行比较式A/D只适合于数字示波器等转换速度较快的仪器中，不适合本系统。

(2）逐次逼近型A/D转换器：如：ADS7805、ADS7804等。逐次逼近型ADC 是应用非常广泛的模/数转换方法，这一类型ADC的优点：高速，采样速率可达

1MSPS ；与其它ADC 相比，功耗相当低；在分辨率低于12位时，价格较低。缺点：在高于14位分辨率情况下，价格较高；传感器产生的信号在进行模/数转换之前需要进行调理，包括增益级和滤波，这样会明显增加成本。

(3）积分型A/D 转换器：如：ICL7135、ICL7109、ICL1549、MC14433等。积分型ADC 又称为双斜率或多斜率ADC ，是应用比较广泛的一类转换器。它的基本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。与此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现A/D 转换。积分型ADC 两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定，因此所得到的表达式与时钟频率无关，其转换精度只取决于参考电压VR 。此外，由于输入端采用了积分器，所以对交流噪声的干扰有很强的抑制能力。若把积分器定时积分的时间取为工频信号的整数倍，可把由工频噪声引起的误差减小到最小，从而有效地抑制电网的工频干扰。这类ADC 主要应用于低速、精密测量等领域，如数字电压表。其优点是：分辨率高，可达22位；功耗低、成本低。缺点是：转换速率低，转换速率在12位时为100～300SPS 。

(4 ）压频变换型ADC ：其优点是：精度高、价格较低、功耗较低。缺点是：类似于积分型ADC ，其转换速率受到限制，12位时为100～300SPS 。

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

精确的差分输入，重要的是输入阻抗高（大于 M 310），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AD574

2.2.4 键盘处理部分方案论证

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。图2.6给出了一个4×4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。4×4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2.4 矩阵式键盘

结合本设计的实际要求，16个按键使用4×4矩阵式键盘，另外一个复位键使用独立式按键实现。

2.3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。

2.4超量程报警部分选择

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。