1、 I 电子秤的原理与实践 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。 电子秤是将检测与转换技术、计算机技术、信息处理、数字技术等技术综合一体的现代新型称重仪器。它与我们日常生活紧密结合成为一种方便、快捷、称量精确的工具，广泛应用于商业、工厂生厂、集贸市场、超市
2、、大型商场、及零售业等公共场所的信息显示和重量计算。本论文主要以 MCU-51 单片机作为中心控制单元，通过称重传感器进行模数转换单元，在配以键盘、显示电路及强大软件来组成。电子称不但计量准确、快速方便，更重要的自动称重、数字显示，对人们生活的影响越来越大，广受欢迎。 本系统针对电子称的自动称重、数据处理等进行了设计和制作。 为了阐明用单片机是如何对采样数据进行处理，对数据的采集和转换、计算问题进行了研究，讨论了单片机控制系统中关键的计算问题。本文在给出智能电子称硬件设计的基础上，详细分析了电子称的软件控制方法。单片机控制的电子称结构简单，成本低廉，深受人们的喜爱，本文将对此进行详细讨论。 关
3、键词：增强型 MCU-51 单片机 称重传感器 A/D 转换器 LCD 液晶显示器 目 录 第 1 章 绪论 1.1 称重技术的发展 1 1.2 电子秤的组成 1 1.2.1 电子秤的基本结构 1 1.2.2 电子秤的工作原理 2 1.2.3 电子秤的计量性能 2 1.3 设计总体思路 3 第 2 章 系统方案论证与选型 2.1 控制器部分的选择 4 2.2 数据采集部分的选择 5 2.2.1 传感器的选择 5 2.2.2 A/D 转换器的选择 7 2.2.3 键盘处理部分方案论证 8 2.3 显示电路部分的选择 8 第 3 章 硬件电路设计 3.1 总体规划 9 3.2 STC89C52 最
4、小系统构成 10 3.2.1 单片机芯片 STC89C52 介绍 10 3.3 电源电路设计 13 3.4 数据采集部分电路设计 14 3.4.1 AD 采样电路 14 3.4.2 显示电路 21 3.5 超重警报电路设计 22 3.6 键盘电路与单片机接口电路设计 22 第 4 章 系统软件设计 4.1 主程序设计 25 4.2 子程序设计 25 4.2.1 A/D 转换启动及数据读取程序设计 25 第 5 章 设计总结 致 谢 29 参考文献 30 附录一 电路原理图 31 附录二 系统实物图 32 1 第 1 章 绪论 1.1 称重技术的发展 电子称重技术是现代称重计量和控制系统工程的重
5、要基础之一。自年代中期电子技术渗入到衡器的辅助测量装置，年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过多年的不断改进与完善，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化智能型。由于它具有称量准确、快速，读数方便，环境适应性强，便于与电子计算机结合而实现称重计苗与过程控制自动化等特点，在工商贸易、能源交通、冶金矿山、轻工食品、医药卫生、航空航天等部门得到广泛的应用。 近年来，随着计算机和称重传感器技术的迅速发展，现代科学技术的相互渗透，电子称重技术 及应用又有了新发展。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特别是对快速称重和动
6、态称重的研究与应用，已为世界各国所关注。可以说电子称重技术的发展水平，已成为衡量一个国家科学技术水平和工业发达程度的重要标志之一。 电子称重技术是集机械、电子、材料、信息、管理为一体的综合技术，是一项系统工程。各工业发达国家长期以来，都把电子称重技术的研究及应用提高到电子称重设备制造工程的高度来认识。它们不约而同的将研究开发的重点，从单纯的称重转移到生产过程的称重 系统和自动控制领域，使称重计量的内涵不断扩展，由狭义到广义，由单项到系统，新型的现代称重计量概念已脱颖而出，一跃成为当代世界瞩目的技术与行业。 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
7、全电子化、由单一功能到多功能的过程。特别是近 30 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。 尽管年代以来，我国衡器行业打破了部门和地区的界限，走上了按专业和产品归口的行业管理轨道，开创了由机械衡器向电子衡器过渡的新局面，取得了较好的成绩。但电子称重技术的研究与应用，电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距行业的总体水平还跟不上国家经济的发展步伐。因此，中国衡器协会在年长远规划中提
8、出“到 年电子衡器和称重传感器生产厂家的技术装备和检测试验手段要达到国际年代中期的水平；到年要基本达到当代国际水平。” 1.2 电子秤的组成 1.2.1 电子秤的基本 结构 电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数或特性。不管根据什么原理制成的电了秤均由以下三部分组成： 承重、传力复位系统 2 它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。 (2) 称重传感器 即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适
9、合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。 按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接 位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、卢表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。 对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。 (3) 测量显示和数据输出的载荷测量装置 即处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补尝元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮 器件等
10、）。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。 1.2.2 电子秤的工作原理 当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生 “力一电” 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（一般成正比关系）的电信号（电压或电流等）。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模数 ( A/D)器进行转换，数字信号再送到微处器的 CPU 处理， CPU 不断扫描键盘和各功能开关，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。运算结果送到内存
11、贮器，需要显示时， CPU 发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示，或送打印机打印。一 般地信号的放大、滤波、 A/D 转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。 1.2.3 电子秤的计量性能 电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有：量程、分度值、分度数、准确度等级等。 (1) 量程：电子衡器的最大称量 Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大值。 (2) 分度值：电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值。用 e 或 d来表示。 (3) 分度数：衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用 n 表示。电子衡器的最大称量 Max 可以用总分度数 n与分度值 d的乘积来表示，即
12、Max=n d (4) 准确度等级 国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成 T、 II、 III、四类等级，分别对应不同准确度的电子秤和分度数 n 的范围，如表 1所示： 表 1.1 不同准确度的电子秤和分度数 标志及等级 电子秤分类 分度数范围 3 1.3 设计总体思路 目前，台式电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍，但存在较大的局限性：体积大、成本高、携带不便、应用场所受到制约。现有的便携秤为杆秤或以弹簧、拉伸变形来实现计量的弹簧秤，居民用户使用的基本是杆秤。弹簧盘秤制造工艺要求较高，弹簧的疲劳问题无法彻底解决，一旦超过弹簧弹性限度，弹簧秤就会产生很大误差，以至损坏，影响到称重的准确性和
13、可靠性，只是一种暂时的代用品，也被列入逐渐取消的行列。 微控制器技术、传感器技术的发展和计算机技术的广泛应用，电子产品的更新速度达到了日新月异的地步。本系统在设计过程中，系统的微控制器部分选 择了兼容性比较好的 51 系列单片机，在系统更新换代的时候，只需要增加很少的硬件电路，甚至仅仅删改系统控制程序就能够实现。 另外由于实际应用当中，称可以有一定量的过载，但不能超出要求的范围，为此还设计了过载提示。 综上所述，本设计的主要思路是：利用压力传感器采集因压力变化产生的电压信号，经过电压放大电路放大，然后再经过模数转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机。单片机经过相应的处理后，得出当前所称
14、物品的重量及总额，然后再显示出来。主要技术指标为：称量范围 0 10kg，分辨率 0.001kg。 这种高精度智 能电子秤体积小、计量准确、携带方便，能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。 特种准确度 基准衡器 n 100000 高准确度 精密衡器 10000 n 100000 中准确度 商业衡器 1000 n 10000 普通准确度 粗衡器 100n 1000 4 第 2 章 系统方案论证与选型 按照本设计功能的要求，系统由 5 个部分组成：控制器部分、采集测量部分、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 采集测量部分是利用称
15、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），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 控制器部分的选择 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
16、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，又由于应用程序不大，应用程序可直接存储在片内，设计这样一个简单的的系统，不用在外部扩展存储器，这样电路也可简化。因此在这里我们选用 STC89C52 单片机。 CPU AD 采样 应变式压力 传感器 按键系统 电源模块 超重警报 LCD 液晶 显示模块 5 2.2 数据采集部分的选择 电子秤的数据采集部分主要包括称重传感器、处理电路，因此对于这部分的论证主要分两方面。 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
17、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易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 K0K 1K 2K 3( Wmax W)/N （ 2.1）
18、 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； K0 保险系数，一般取值在 1.2 1.3 之间； K1 冲击系数； K2 秤体的重心偏移系数； K3 风压系数。本设计要求称重范围 0 10kg，重量误差不大于 0.001kg，根据传感器量程计算公式（ 2.1）可知： C 1.2511.031（ 10 1.9） 1 (2-2) 15.32125 (2-3) 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，
19、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 10Kg，允许过载为 150%F.S，精度为 0.05%，最大量程时误差 0.001kg，可以满足本系统的精度要求 . 综合考虑 ,本设计采用 CZL-A 电阻应变式传感器 ,其最大量程为 10Kg.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
20、。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 2-2 所示： 6 图 2-2 称重传感器原理图 表 2-1 压力传感器主要技术指标 准确度等级 Accuracy class C3 0.02 0.03 额定载荷 Rated load kg 1、 2.5、 5、 7.5、 10、 15 灵敏度 Sensitivity mV/V 1.8 0.08 非线性 Nonlinearity %F.S. 0.02 滞后 Hysteresis 0.02 重复性 Repeatability 0.02 蠕变 Creep %F.S./30min 0.02 蠕变恢复 creep recovery 零
21、点输出 Zero balance %F.S. 1 零 点 温 度 系 数 Zero temperature coefficient %F.S./10 0.02 额 定 输 出 温 度 系 数 Rated output temperature coefficient 输入电阻 Input resistance 415 445 输出电阻 Output resistance 349 355 绝缘电阻 Insulation resistance M 5000 供桥电压 Supply voltage V 12（ DC/AC） 温度补偿范围 Temperature compensation range -
22、10 +50 允许温度范围 Safe temperature range -20 +60 允许过负荷 Safe overload %F.S. 120 极限过负荷 Ultimate overload %F.S. 200 四角误差 Four corner error %F.S. 0.03 连接电缆 Connect cable mm 3.8 300 7 接线方式 Method of connecting wire 输入 Input（ +） : Red 输入 Input（ -） :White 输出 Output（ +） :Green 输出 Output（ -） :Blue 屏蔽 Shield : Ye
23、llow 其测量原理：用应变片测量时，将其粘贴在弹性体上。当弹性体受力变形时，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： E i nR4 R4R3 R3R2 R2R1 R1)42( 42E RR RRo u t （ 2-4） 上式说明电桥的输出电压 V 和四个桥臂的应变片感受的应变量的代数和成正比。 2.2.2 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
24、型 ADC，也有近年来新发展起来的 -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
25、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
26、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
27、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 100300SPS。 8 (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，一般的 AD 可以达到要求，但考虑到传感器传送数据的处理问题，这你选择称重专用芯片 hx711，它不用外加放大处理电路，芯片本身自带增益可调放大，这样还可简化很多硬件电路。 2.2.3 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
28、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 2-3 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 2-3 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LCD1602，三是 LCD12864 液晶显示三种选择。由于 LED 电路复杂，再者我们需要显示的内容较多。综合考虑，我选用 JLX12864G-086-PC。该 12864 是一款串行 LCD，外围没有其他电路，而且引脚还比较少。
