基于应变原理的电子秤设计

基于应变原理的电子秤设计

摘 要 本文介绍了一种基于应变传感器的电子秤设计，系统由检测信号放大电路、检测信号转换电路和显示电路、单片机、数据采集电路。 关键词 传感器 单片机 AT89S52 Abstract:

keywords: Sensor; MUC; AT89S52; electronic scale

1.绪论

现代社会的发展对其称重技术提出了更高的要求，日常生活使用的称是厂家制作好的，不能更改使用功能，因此自行实现电子秤具有十分重要的作用。

1.1设计背景

60年代初期出现机电结合式电子衡器以来,衡器技术在不断进步和提高。从世界水平看, 衡器技术已经经历了四个阶段,从传统的全部由机械元器件组成的机械称到用电子线路代替部分机械元器件的机电结合秤，再从集成电路式到目前的单片机系统设计的电子计价秤。我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。现今电子衡器制造技术及应用得到了新发展：电子称重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展。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。根据近些年来电子称重技术和电子衡器的发展情况及电子衡器市场的需求，电子称的发展动向为：小型化、模块化、智能化、集成化；其技术性能趋向于速率高、准确度高、可靠性高；其应用性趋向综合性、组合性。[1]

1.2 设计意义

称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。称重装置不仅是提供重量数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，推进了工业生产的自动化和管理的现代化，它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。称重装置的应用已遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效益。

电子秤是称重技术中的一种新型仪表，广泛应用于各种场合。电子秤与机械秤比较有体积小、重量轻、结构简单、价格低、实用价值强、维护方便等特点，可在各种环境工作，重量信号可远传，易于实现重量显示数字化，易于与计算机联网，实现生产过程自动化，提高

劳动生产率。从世界水平看，衡器技术已经经历了四个阶段，从传统的全部由机械元器件组成的机械称到用电子线路代替部分机械元器件的机电结合秤，再从集成电路式到目前的单片机系统设计的电子计价秤。我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。现今电子衡器制造技术及应用得到了新发展：电子称重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展。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。[2]

2. 总体方案设计

2.1 设计要求

称重范围0~5Kg，称重误差小于1%，可以自主设置被称量物体的价格，并显示付款金额等功能，基于这个指标和要求研究电子秤设计思路。

2.2 系统框架设计

系统主要由控制、测量、报警、数据显示、键盘和电源等6个部分组成，其设计框图如图1所示。

图1 系统框图设计

2.3 电子秤工作原理

测量部分是利用电阻应变片式称重传感器测量压力信号，当被称物体放置在秤体的秤台上时，应变片发生形变，传感器随之产生力电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系（线性关系）的模拟电信号（电流或电压）。此电信号一般比较微弱，经过放大电路放大、滤波后再由模数（A/D）转换成为数字信号，再送入CPU处理，CPU不断扫描键盘和各种功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析，由仪表的软件来控制各种运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号。运算结果送到内存，需要显示时，CPU发出命令，从内存中读出送到显示器显示，或送到打印机打印。

3. 系统硬件设计

3.1 控制电路

控制部分选用内部带有8 KB的 AT89S52单片机，其引脚图如图2所示，电路框图如图3所示。

图2 AT89S52引脚图

图3 控制部分电路框图 图4 传感器电路原理图

3.2 传感器电路

数据采集部分包括称重传感器、处理电路和A/D转换电路。传感器选用具有过SP20C-G501，内部惠斯顿电桥具有抑制温度变化的影响、抑制干扰等优点。称重传感器工作原理图如4所示，其输出信号电压为 ：Eout?R2?R4??R1?R2?R3?R4????????Ein

??R2?R4?R1R2R3R4?3.3 放大电路

传感器输出电压范围为0～20 m V。而A/D转换的输入电压要求0～20 m V，因此放大

环节要有100 倍左右的增益。采用INA128放大器设计的电路如图5所示。

图5 基于INA128放大器的放大电路

图5的放大电路中，前级采用运放A1和A2组成并联型差动放大器。阻容耦合电路放在前级放大器和后级放大器之间，这样可以为后级放大器提高增益，进而提高电路的共模抑制比。同时，由于前置放大器的输出阻抗很低，又采用共模抑制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。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，后级放大器可以做到很高的增益，进而得到很高的共模抑制比。

3.4 A/D转换电路和键盘电路

本设计采用精度高、价格低廉、功耗较低的12位A/D转换器AD754来设计A/D转换。由于电子秤需要设置单价（10个数字键），还具有确认、删除等功能，包括复位键公17个。16个按键采用4×4矩阵式键盘，图6所示是其电路图，其中复位键使用独立式按键实现。3.5 显示和数据输出载荷测量装置设计系统采用LCD液晶显示来设计。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I/O值为高电平，三极管导通，使蜂鸣器发出报警声，同时报警灯D1发光。其报警电路如图7所示。

图6 4X4矩阵式键盘原理图 图8报警电路图

3.5 显示和数据输出载荷测量装置设计

本设计采用LCD12864显示屏作为单片机的显示电路。单片机的控制显示步骤主要为：