基于電阻應(yīng)變片式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)

引言

稱重裝置目前已經(jīng)普遍應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，并且對(duì)稱重儀表的要求也越來越高，例如儀表要求具有更高的抗干擾能力和更高的精度，早期電子秤一般是通過模擬電路來實(shí)現(xiàn)的，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字芯片價(jià)格的逐漸降低，模擬控制已經(jīng)慢慢被數(shù)字控制替代，而電子秤設(shè)計(jì)的模式也大多轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴幚砥鳛楹诵牡哪Ｊ剑渚扰c可靠性也都有明顯的提高。

本文以電阻式應(yīng)變片傳感器為信號(hào)采集單元、AT98S52單片機(jī)為控制，設(shè)計(jì)一款重量輕、計(jì)量準(zhǔn)確、讀數(shù)直觀、價(jià)格低廉的便攜式智能電子秤系統(tǒng)。

1智能電子秤的基本組成單元

電子秤是利用物體的重力作用來確定物體質(zhì)量的測量儀器，也可用來確定與質(zhì)量相關(guān)的其它量大小、參數(shù)或特征。其基本組成單元主要有以下三個(gè):

稱重、傳力復(fù)位系統(tǒng)：它是被稱物體與轉(zhuǎn)換元件之間的機(jī)械、傳力復(fù)位系統(tǒng)，一般包括承受被稱物體載荷的承載器、秤橋結(jié)構(gòu)、吊掛連接部件和限位減振結(jié)構(gòu)等。

稱重傳感器：即非電量轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，對(duì)其要求是：輸出電量與輸入重量保持單值對(duì)應(yīng)，有良好的線性度，有較高的靈敏度，對(duì)被稱物體的狀態(tài)影響小，能在較差工作條件下工作，穩(wěn)定性好。

測量顯示和數(shù)據(jù)輸出的載荷測量裝置：測量顯示和數(shù)據(jù)輸出的載荷測量裝置主要包括處理稱重傳感器信號(hào)的電子線路(包括放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、補(bǔ)償元件、調(diào)節(jié)器等)和指示部件。

2智能電子秤設(shè)計(jì)方案

2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由控制、測量、報(bào)警、數(shù)據(jù)顯示、鍵盤和電源等6個(gè)部分組成，其設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2.2智能電子秤工作原理

測量部分是利用電阻應(yīng)變片式稱重傳感器測量壓力信號(hào),當(dāng)被稱物體放置在秤體的秤臺(tái)上時(shí)，應(yīng)變片發(fā)生形變，傳感器隨之產(chǎn)生力-電效應(yīng)，將物體的重量轉(zhuǎn)換成與被稱物體重量成一定函數(shù)關(guān)系(線性關(guān)系)的模擬電信號(hào)(電流或電壓)。此電信號(hào)一般比較微弱，經(jīng)過放大電路放大、濾波后再由模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，再送入CPU處理，CPU不斷掃描鍵盤和各種功能開關(guān)，根據(jù)鍵盤輸入內(nèi)容和各種功能開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行必要的判斷、分析，由儀表的軟件來控制各種運(yùn)算,將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為物體的實(shí)際重量信號(hào)。運(yùn)算結(jié)果送到內(nèi)存,需要顯示時(shí)，CPU發(fā)出命令，從內(nèi)存中讀出送到顯示器顯示,或送到打印機(jī)打印。

3硬件電路設(shè)計(jì)

3.1控制部分電路

控制部分選用內(nèi)部帶有8KB的AT89S52單片機(jī)，其電路框圖如圖2所示。

3.2傳感器電路

數(shù)據(jù)采集部分包括稱重傳感器、處理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。傳感器選用具有過載保護(hù)的SP20C-G501,內(nèi)部惠斯頓電橋具有抑制溫度變化的影響、抑制干擾等優(yōu)點(diǎn)。稱重傳感器工作原理圖如圖3所示，其輸出信號(hào)電壓為：

3.3放大電路

傳感器輸出電壓范圍為0～20mV。而A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓要求0～20mV，因此放大環(huán)節(jié)要有100倍左右的增益。采用INA128放大器設(shè)計(jì)的電路如圖4所示。

圖4的放大電路中，前級(jí)采用運(yùn)放A1和A2組成并聯(lián)型差動(dòng)放大器。阻容耦合電路放在前級(jí)放大器和后級(jí)放大器之間，這樣可以為后級(jí)放大器提高增益，進(jìn)而提高電路的共模抑制比。同時(shí)，由于前置放大器的輸出阻抗很低，又采用共模抑制技術(shù)，避免了阻容耦合電路中的阻、容元件參數(shù)不對(duì)稱（匹配）導(dǎo)致的共模干擾轉(zhuǎn)換成差模干擾的情況發(fā)生。后級(jí)電路采用廉價(jià)的儀器放大器，將雙端信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)輸出。由于阻容耦合電路的隔直作用，后級(jí)放大器可以做到很高的增益，進(jìn)而得到很高的共模抑制比。

3.4A/D轉(zhuǎn)換和鍵盤電路

本設(shè)計(jì)采用精度高、價(jià)格低廉、功耗較低的12位A/D轉(zhuǎn)換器AD754來設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換。

由于電子秤需要設(shè)置單價(jià)（10個(gè)數(shù)字鍵），還具有確認(rèn)、刪除等功能，包括復(fù)位鍵公17個(gè)。16個(gè)按鍵采用4X4矩陣式鍵盤，圖5所示是其電路圖，其中復(fù)位鍵使用獨(dú)立式按鍵實(shí)現(xiàn)。

3.5顯示和數(shù)據(jù)輸出載荷測量裝置設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用LCD液晶顯示來設(shè)計(jì)。當(dāng)稱重物體重量超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)所允許的重量時(shí)，通過程序使單片機(jī)I/O值為高電平,三極管導(dǎo)通，使蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)報(bào)警燈D1發(fā)光。其報(bào)警電路如圖6所示。

3.6電源電路設(shè)計(jì)

由于傳感器需要+12V的電源，而系統(tǒng)其他芯片使用+5V電源，因此，本設(shè)計(jì)采用的電源電路如圖7所示。

220V交流電經(jīng)過變壓器后輸出15V交流電壓，經(jīng)整流電路變直流，通過LM7812和LM7905進(jìn)行DC/DC變換得到+12V和+5V電壓。變壓器原邊加入熔斷保護(hù)裝置和MFC網(wǎng)絡(luò)，使得系統(tǒng)獲得的電壓更穩(wěn)定，且電路短路時(shí)，熔斷裝置迅速切斷電源，保護(hù)其他電路元件不被損壞。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思想是充分利用單片機(jī)控制的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)稱重過程的一系列要求，提高系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)軟件由6個(gè)模塊構(gòu)成，分別是主程序模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤掃描控制模塊、顯示模塊和報(bào)警模塊。其中主程序模塊主要完成芯片初始化及按需要調(diào)用子程序；A/D轉(zhuǎn)換模塊主要完成在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，把傳感器傳遞過來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳遞到單片機(jī)所涉及到的程序設(shè)計(jì)；數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊主要完成數(shù)制的轉(zhuǎn)換；鍵盤掃描控制模塊主要是判斷按鍵編碼，然后根據(jù)編碼將鍵盤代表的數(shù)值送到相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，再進(jìn)行功能選擇或數(shù)據(jù)處理。顯示模塊主要判斷是否需要顯示，以及如何去顯示。報(bào)警模塊主要是比較設(shè)定值與實(shí)時(shí)顯示值，設(shè)定值比較小時(shí)，則將P1.0置1，將二極管點(diǎn)亮，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音。

5結(jié)語

基于電阻應(yīng)變片式電子秤集微處理技術(shù)、傳感器技術(shù)和數(shù)字顯示技術(shù)等于一體，靈活性好、準(zhǔn)確度高、使用簡單方便。本設(shè)計(jì)來源于學(xué)生實(shí)訓(xùn)制作，因此是很好的教學(xué)案例，并且稍加擴(kuò)展，就能夠具有更廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

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