1、 第 1 页 1.前言 电子称重技术是现代称重计量和控制系统工程的重要基础之一，电子衡器经过 40年的不断改进和完善，从 60 年代的机电结合型发展到现在的全电子型和数字化智能型。由于它具有称量准确、快速，读取方便，环境适应性强，便于与电子计算机结合而实现称重计量与过程控制自动化等特点，在工商贸易、能源交通、轻工食品、医药卫生、航空航天等部门得到了广泛的应用。 本课题本着电子秤向高精度、高可靠方向研究 ,讲述了用单片机控制 A/D 转换、键盘输入和数据显示，对如何实现键盘中断、 A/D 采样进行研究。 设计特别适用于测量精度要求较高的场合 , 具有较高的实用价值和推广价值。 本文中第一章讲述了
2、电子秤的发展情况及其工作原理，第二章讲述了电子秤的硬件电路组成部分 ,第三章介绍了电子秤各部分功能实现的软件设计。 1.1 研究本文的意义 物料计量是工业生产和贸易流通中的重要环节。称重装置或衡器是不可缺少的计量工具。随着工农业生产的发展和商品流通的扩大，衡器的需求也日益增多，过去沿用的机械杠杆秤己不能适应生产自动化和管理现代化的要求。自六十年代以来，由于传感器技术和电子技术的迅速发展，电子称重技术日趋成熟，并逐步取代机械秤。尤其是七十年代初期，微处理机的出 现使电子称重技术得到了进一步的发展。快速、准确、操作方便、消除人为误差、功能多样化等方面已成为现代称重技术的主要特点。称重装置不仅是提供
3、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。同时对称重仪表的要求也越来越高，要求仪表有更高抗干扰能力、更高的精度。 基于电子秤的现状，本 文拟研究一种用单片机控制的高精度数字电子秤设计方案。这种高精度数字电子秤计量准确、携带方便，集质量称量功能与价格计算功能于一体，能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。 1.2 电子秤的发展 1.电子技术渗入衡器制造业 随着
4、第二次世界大战后的经济繁荣，为了把称重技术引入生产工艺过程中去，对称重技术提出了新的要求，希望称重过程自动化，为此电子技术不断渗入衡器制造业。在1954 年使用了带新式打印机的倾斜杠杆式秤，其输出信号能控制商用结算器，并且用电磁铁机构与代替人工操作的按键与办公机器联用。在 1960 年开发出了与 衡器相联的专第 2 页 门称重值打印机。当时的带电子装置的衡器其称量工作是机械式的，但与称量有关的显示、记录、远传式控制器等功能是电子方式的。 2.电子秤步入社会 电子秤的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂、由粗糙到精密、由机械到机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。特别是近 30
5、 年以来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出电信号的电子衡器。这是由于电子衡器不仅能给出质量或重量信号，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制和检验功能，从而推进工业生产和贸易交往的 自动化和合理化。 近年来，电子秤已愈来愈多地参与到数据处理和过程控制中。现代称重技术和数据系统已经成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可缺少的组成部分。随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子秤的发展奠定了其础，国外如美国、西欧等一些国家在 20 世纪 60 年代就出现了 0 .1 %称量准确度的电子秤，并在70 年代中期约对 75 %的机械秤
6、进行了机电结合式的电子化改造。 我国的衡器在 20 世纪 40 年代以前还全是机械式的， 40 年代开始发展了机电结合式的衡器。 50 年代开始出现了以称 重传感器为主的电子衡器。 80 年代以来， 我国通过自行研制、引进消化吸收和技术改造，已由传统的机械式衡器步入集传感器、微电子技术、计算机技术于一体的电子衡器发展阶段。目前，由于电子衡器具有称量快、读数方便、能在恶劣环境下工作、便于与计算机技术相结合而实现称重技术和过程控制的自动化等特点，已被广泛应用于工矿企业、能源交通、商业贸易和科学技术等各个部门。随着称重传感器技术以及超大规模集成电路和微处理器的进一步发展，电子称重技术及其应用范围将更
7、进一步的发展，并被人们越来越重视。 3.国内外发展概况及存在的问题 在国 际上，一些发达国家在电子称重力一面已经达到了较高的水平。特别是在准确度和可靠性等方面有了很大的提高。在称重方面，国外电子秤产品的品种和结构又有创新，技术功能和应用范围不断扩大，典型的成果有： （ 1） .美国 Revere 公司研制出的 PUS 型具有大气压力补偿功能的拉压两用的称重传感器，用于高准确度检验平台，称重平台，准确度可达 5000d。 （ 2） .德国 HBM 公司研制成功 C2A、 C16A 两种不同结构的 1-100t 具有耐压外壳保护的防爆称重传感器，其防爆性能符合欧洲 EN50014 和 EN5001
8、8d 级标准。 （ 3） .德国赛特内尔公司研制出以被青铜为弹性体材料，快速称重 200 型称重传感器。其特点是线性好，固有频率高，动态响应快，独创油阻尼装置与过载保护装置一体化，保证称量时速度快，工作寿命长。组装 330kg 电子秤台秤，准确度可达 4000d。 2.总体方案设计 第 3 页 2.1 方案比较 方案 一 、 电子秤以单片机为主要部件， 当商品放到秤盘上时，秤盘下的重量电阻应变式传感器产生一电信号，信号的强弱随商品重量的大小而变，该电信号经放大电路放大后，送入 A/D 转换芯片进行模数转换，转换后的数字量与物重成正比，再进入 89C52单片机经过 数据处理， 89C52 单片机
9、产生一组满足显示要求的数据，送至显示电路显示出实际重量。另一方面，商品单价通过键盘扫描电路送入 89C52 单片机，经过数据处理，送至显示电路显示 ,物重与单价经过运算产生总价，也在显示电路上同时显示出来，其框图如图 2.1 所示 . 图 2.1方案一方框图 方案 二 ：采用专用仪表放大器 ， 它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点 ， 其图如图 2.2 所示 . 图 2.2三运放大电路结构图 三位半 LED 显示 A/D 转换器 ICL7107。 ICL7107 将高精度，通用性和真正的低成本很好的结合在一起，它有低于 10uV 的自动校零
10、功能，零漂小于 1uV/摄氏度 ,低于 10PA的输入电流，极性转换误差小于一个字。真正的差动输入和差动参考电源在各种系统中都很有用。在用于测量负载单元，压力规管和其它桥式传感器会有更突出的优点。另外只要用十个左右的无源器件和一个 LED显示器就可以和 ICL7107组成一个高性能的仪 表面板，实现了低成本和单电源工作。其优点正好可以在和称重传感 器一起用时体现出来。其框图如图 2.3 所示 . 压力传感器 放大电路 A/D 转换 LED 显示电路 AT9S51 单片机 LED 显示电路 A/D 转换 压力 传感器 放大电路 第 4 页 图 2.3 方案二方框图 2.2 方案论证 通过桥式传感
11、器电路将力信号转换为电信号，再通过仪表放大器将电压信号放大、输入到 双积分模数转换器（ ICL7107），它本身通过自己的工作原理将信号显示在 LED 数码管显示上、 通过数码管显示便可知称重的重量 . 2.3 方案选择 经过上面二个方案的分析，第二个方案的可行性高，所以我选择第二个方案作为最后的设计方案。在设计开始前我先确定好我的总体方案，为验证我电路的正确性我将我设计的电路都先在 Proteus ISIS 上仿真。先分别验证各个模块的能否正确实现其功能，再将整个电路进行仿真解决模块和模块的接口问题，最后画出整个电路图。整个设计流程如图 2.4 所示： 图 2.4 设计流程规划图 3.单元模
12、块设计 查找资料和设计电路 学习 Proteus ISIS 软件的使用 掌握整个框架设计和整个电路的流程 确定电路和元器件仿真无误后画出总图 仿真 第 5 页 本节主要介 绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及对核心器件进行必要说明。 3.1 各个单元模块功能介绍及电路设计 3.1.1 传感器模块 要达到设计的性能要求，传感器的精度起着决定性作用，本设计选用应用于称重系统 90以上的高精度电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是将被测量的力通过它所产生的金属弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。题目要求称重范
13、围 10kg，误差不大于+0.005kg，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，所以传感器量程必须大于额定称重即 10kg。本设计选择的是 L-PSIII型传感器，最大量程 20kg，精度为 0.01%，满量程时误差 0.002kg，可以满足本系统的精度要求 5。 本设计的测量电路采用最常见的桥式测量电路，用到的是电阻应变传感器半桥式测量电路。它的两只应变片和两只电阻贴在弹性梁上，测量电阻随重力变化导致弹性梁应变而产生的变化。电阻的变化使桥式测量电路的输出电压发生变化，即输出电压的变化反映出重力的变化。 图 3.1 全桥测量电桥图 (其中 V0输出为 02mv) 激励电压
14、: 9VDC 12VDC ； 灵敏度 : 20.1mV/V 输入阻抗 : 40510 ； 输出阻抗 : 3503 极限过载范围 : 150% ； 安全过载范围 : 120% 使用温度范围 : -20 +60 3.1.2 三运放大电路模块 本次课程设计中，需要一个放大电路，我们将采用三运放大电路，主要的元件就是三运放大器。 在许多需要 用 A/D 转换和数字采集系统中， 多数 情况下，传感器输出 的模第 6 页 拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足 A/D 转换器对输入信号电平的要求， 在此 情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。 图 3.2 三运放大电路结构
15、图 3.1.3 双积分模数转换器（ ICL7107）模块 当输入电压为 Vx 时，在一定时间 T1内对电量为零的电容器 C进行恒流（电流大小与待测电压 Vx 成正比）充电，这样电容器两极之间的电量将随时间线性增加，当充电时间 T1到后，电容器上积累的电量 Q与被测电压 Vx 成正比；然后让电容器恒流放电（电流大小与参考电压 Vref 成正比），这样电 容器两极之间的电量将线性减小，直到 T2 时刻减小为零。所以，可以得出 T2 也与 Vx 成正比。如果用计数器在 T2 开始时刻对时钟脉冲进行计数，结束时刻停止计数，得到计数值 N2，则 N2 与 Vx 成正比。双积分 AD 的工作原理就是基于上
16、述电容器充放电过程中计数器读数 N2 与输入电压 Vx 成正比构成的。现在我们以实验中所用到的 3位半模数转换器 ICL7107 为例来讲述它的整个工作过程。 ICL7107 双积分式 A/D 转换器的基本组成如图 1所示，它由积分器、过零比较器、逻辑控制电路、闸门电路、计数器、时钟脉冲源、锁存器、译码器及显示等电路所 组成。下面主要讲一下它的转换电路，大致分为三个阶段： 第一阶段，首先电压输入脚与输入电压断开而与地端相连放掉电容器 C上积累的电量，然后参考电容 Cref 充电到参考电压值 Vref，同时反馈环给自动调零电容 CAZ以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的偏置电压。这个阶段称为自动校
17、零阶段。 第二阶段为信号积分阶段（采样阶段），在此阶段 Vs 接到 Vx 上使之与积分器相连，这样电容器 C 将被以恒定电流 Vx/R 充电，与此同时计数器开始计数，当计到某一特定值 N1（对于三位半模数转换器， N1=1000）时逻辑控制电路 使充电过程结束，这样采样时间 T1 是一定的，假设时钟脉冲为 TCP，则 T1=N1*TCP。在此阶段积分器输出电压Vo=-Qo/C(因为 Vo 与 Vx 极性相反 )， Qo 为 T1时间内恒流（ Vx/R）给电容器 C充电得到的电量，所以存在下式： 第 7 页 Qo= dtRVxT *10= 1TRVx (1) Vo=-CQo=- 1TRCVx(2
18、) 图 3.3 双积分 AD 内部结构图 第三阶段为反积分阶段（测量阶段），在此阶段，逻辑控制电路把已经充电至 refV 的参考电容 refC 按与 XV 极性相反的方式经缓冲器接到积分电路，这样电容器 C将以恒定电流 RVref 放电，与此同时计数器开始计数，电容器 C 上的电量线性减小，当经过时间T2 后，电容器电压减小到 0，由零值比较器输出闸门控制信号再停止计数器计数并显示出计数结果。此阶段存在如下关系： Vo+C1 dtRVrefT *20=0 (3) 把（ 2）式代入上式，得： T2=VrefT1Vx (4) 从（ 4）式可以看出，由于 T1 和 Vref 均为常数，所以 T2 与
19、 Vx 成正比，从图 2 可以看出。若时钟最小脉冲单元为 CPT ,则 CPTNT 11 ， CPTNT 22 ，代入（ 4）， 即有： N2= Vx (5) 可以得出测量的计数值 N2与被测电压 Vx成正比。 对于 ICL7107，信号积分阶段时间固定为 1000 个 CPT ,即 N1 的值为 1000 不变。而第 8 页 N2 的计数随 Vx的不同范围为 0 1999，同时自动校零的计数范围为 2999 1000，也就是测量周期总保持 4000 个 CPT 不变。即满量程时 N2max=2000=2*N1,所以 Vxmax=2Vref，这样若取参考电压为 100mV，则最大输入电压为 2
20、00mV；若参考电压为 1V，则最大输入电压为 2V。 下面阐述 ICL7107 双积分模数转换器引脚功能 图 3.4 ICL7107 芯片引脚图 ICL7107 芯片的引脚图如图 3.4 所示，它与外围器件的连接图如 3.5 所示。图 3.5中它和数码管相连的脚以及电源脚是固定的，所以不加详述。芯片的第 32 脚为模拟公共端，称为 COM 端；第 34脚 Vr+和 35 脚 Vr-为参考电压正负输入端；第 31脚 IN+和 30脚 IN-为测量电压正负输入端； Cint 和 Rint 分别为积分电容和积分电阻， Caz 为自动调零电容，它们与芯片的 27、 28 和 29 相连，电阻 R1
21、和 C1 与芯片内部电路组合提供时钟脉冲振荡源，从 40 脚可以用示波器测量出该振荡波形，该脚对应实验仪上示波器接口 CLK，时钟频率的快慢决定了芯片的转换时间（因为测量周期总保持 4000 个 Tcp 不变）以及测量的精度。下面我们来分析一下这些参数的具体作用： Rint 为积分电阻，它是由满量程输入电压和用来对积分电容充电的内部缓冲放大器的输出电流来定义的，对于 ICL7107，充电电流的常规值为 Iint=4uA，则 Rint=满量程 /4uA。所以在满量程为 200mV，即参考电压 Vref=0.1V 时， Rint=50K,实际选择 47K第 9 页 电阻；在满量程为 2V，即参考电
22、压 Vref=1V 时， Rint=500K,实际选择 470K 电阻。Cint=T1*Iint/Vint,一般为了减小测量时工频 50HZ 干扰， T1 时间通常选为 0.1S ，具体下面再分析，这样又由于积分电压的最大值 Vint=2V，所以： Cint=0.2uF,实际应用中选取 0.22uF。对于 ICL7107， 38 脚输入的振荡频率为： f0=1/(2.2*R1*C1)，而模数转换的计 数脉冲频率是 f0 的 4倍，即 Tcp=1/(4*f0)，所以测量周期 T=4000*Tcp=1000/f0，积分时间（采样时间） T1=1000*Tcp=250/fo。所以 fo 的大小直接影
23、响转换时间的快慢。频率过快或过慢都会影响测量精度和线性度，同学们可以在实验过程中通过改变 R1 的值同时观察芯片第 40 脚的波形和数码管上显示的值来分析。一般情况下，为了提高在测量过程中抗 50HZ 工频干扰的能力，应使 A/D 转换的积分时间选择为 50HZ 工频周期的整数倍，即 T1=n*20ms,考虑到线性度和测试效果，我们取 T1=0.1m(n=5)，这样 T=0.4S，f0=40kHZ， A/D 转换速度为 2.5 次 /秒。由 T1=0.1=250/f0，若取 C1=100pF，则 R1112.5K 。 图 3.5ICL7107 和外围器件连接图 第 10 页 3.1.4 数码管
24、显示模块 图 3.6 数码管 图 3.6 数码管内部电路 数码管可以直接和 ICL7107 相连，本设计采用的是 7 段共阳数码管，显示的范围是01999。 3.2 电路参数的计算及元器件的选择 在设计好各个模块和总的原理图后，需要根据设计需要选择某 些器件的参数，并且选择合适的元器件也尤为重要。下面就着重介绍桥式电路、放大电路、 A/D 转换中的参数计算和部分数字芯片的使用。 3.2.1 桥式电路 全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1 R2 R3 R4，变化值 R1 R2 R3 R4时，桥路输出电压 Uout KE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。电桥的输出电压可由式（ 1）表示 6，全桥测量电路图如图 2所示：
