1、基于51單片機(jī)和AD574的簡(jiǎn)易電子秤的設(shè)計(jì)

本文根據(jù)當(dāng)前電子秤的應(yīng)用情況，分析采用單片機(jī)和AD574設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)易電子秤裝置，在分析測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，選擇了比較簡(jiǎn)單的51系列單片機(jī)作為主控制系統(tǒng)，根據(jù)測(cè)量要求設(shè)計(jì)了傳感器電路、AD轉(zhuǎn)換電路、超量程報(bào)警電路、顯示電路、按鍵電路等，根據(jù)硬件電路，完成了相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。

1、測(cè)量原理

電子秤一般由三部分組成，稱(chēng)重傳感器、承重系統(tǒng)、傳力復(fù)位系統(tǒng)。在這個(gè)基礎(chǔ)上，分成了其他的硬件電路子單元，如單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、傳感器電路、AD轉(zhuǎn)換電路、超量程報(bào)警電路、顯示電路、按鍵電路、存儲(chǔ)電路等。其測(cè)量原理是：將物體放置在承重系統(tǒng)的秤臺(tái)上時(shí)，其重量參數(shù)會(huì)通過(guò)傳感器，產(chǎn)生壓力-電效應(yīng)，轉(zhuǎn)換為與其重量相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，然后通過(guò)放大電路將電信號(hào)放大并經(jīng)過(guò)AD處理，最后將信號(hào)輸入給單片機(jī)處理，經(jīng)單片機(jī)處理后，將輸入信息顯示在LCD上。測(cè)量的精度一般由稱(chēng)重傳感器決定。

2、硬件電路設(shè)計(jì)

2.1、總體設(shè)計(jì)框圖

根據(jù)其測(cè)量原理，設(shè)計(jì)整體硬件框圖如圖1所示。主要包含壓力傳感器電路模塊、放大電路模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、LCD顯示器模塊、閾值報(bào)警模塊、單片機(jī)控制系統(tǒng)模塊。

圖1硬件原理框圖

2.2、傳感器電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用SP20C-G501電阻應(yīng)變式傳感器，稱(chēng)重傳感器由組合式S型梁結(jié)構(gòu)及金屬箔式應(yīng)變計(jì)構(gòu)成，具有過(guò)載保護(hù)裝置。過(guò)程設(shè)計(jì)中采用惠斯登電橋進(jìn)行電壓采集轉(zhuǎn)換，它能抑制溫度變化的影響，抑制干擾能力強(qiáng)，補(bǔ)償方便簡(jiǎn)單，因此選用的傳感器精度高、零漂小、工作穩(wěn)定等。傳感器原理圖如圖2所示：

圖2傳感器工作原理圖

其工作原理：用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，將其粘貼在彈性體上。當(dāng)彈性體受力變形時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵也隨之變形，其阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。由于內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，輸出信號(hào)電壓可由下式(1)給出：

2.3、AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

AD574是美國(guó)AnalogDevice公司生產(chǎn)的12位單片A/D轉(zhuǎn)換器。它采用逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為25us，轉(zhuǎn)換精度為0.05%，所以適合于高精度的快速轉(zhuǎn)換采樣系統(tǒng)。芯片內(nèi)部包含微處理器借口邏輯(有三態(tài)輸出緩沖器)，故可直接與各種類(lèi)型的8位或者16位的微處理器連接，而無(wú)需附加邏輯接口電路，切能與CMOS及TTL電路兼容。AD574采用28腳雙列直插標(biāo)準(zhǔn)封裝。

2.4、LCD顯示電路設(shè)計(jì)

顯示電路采用LCD顯示。其驅(qū)動(dòng)方式包括靜態(tài)驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。

2.5、報(bào)警電路設(shè)計(jì)

報(bào)警電路采用有源蜂鳴器設(shè)計(jì)，只要通電流即可發(fā)聲進(jìn)行報(bào)警，在其兩端并聯(lián)一個(gè)反向的二極管，防止誤報(bào)警。

3、程序設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件原理分析和設(shè)計(jì)，軟件同樣分為幾個(gè)部分：傳感器信號(hào)采集部分、AD轉(zhuǎn)換部分、顯示部分和報(bào)警部分，其中數(shù)據(jù)處理部分最為重要，處理過(guò)程同樣比較復(fù)雜。

4、結(jié)論

本論文通過(guò)對(duì)電子秤的稱(chēng)重原理進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上介紹了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，最后完成了本簡(jiǎn)易電子秤裝置的設(shè)計(jì)，采用高精度AD轉(zhuǎn)換芯片AD574和實(shí)時(shí)處理的MCUAT89C52單片機(jī)進(jìn)行處理，精度高，操作簡(jiǎn)單，可推廣性強(qiáng)。

2、電子秤的工作原理和特點(diǎn)分析

電子秤是衡器的一種，是利用胡克定律或力的杠桿平衡原理測(cè)定物體質(zhì)量的工具。電子秤主要由承重系統(tǒng)(如秤盤(pán)、秤體)、傳力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(如杠桿傳力系統(tǒng)、傳感器)和示值系統(tǒng)(如刻度盤(pán)、電子顯示儀表)3部分組成。

組成：

(1)承重機(jī)構(gòu)和傳力系統(tǒng)即電子秤的秤臺(tái)，是將被稱(chēng)物體的重量或力傳遞給稱(chēng)重傳感器的系統(tǒng)，通常包括：接受被稱(chēng)重物體的承載器、秤橋結(jié)構(gòu)、吊掛連接部件和限位減震機(jī)構(gòu)等。

(2)稱(chēng)重傳感器即將非電量(質(zhì)量)轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它可以將作用于其上的重量或力按一定的函數(shù)關(guān)系(通常是線性關(guān)系)轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的物理量(通常是電量，如電壓、電流或頻率等)輸出。

(3)通用顯示儀表即處理稱(chēng)重傳感器信號(hào)的電子線路(包括放大器，刀D轉(zhuǎn)換器等)和指示部件(如顯示、打印等)。

(4)電源即向稱(chēng)重傳感器測(cè)量橋路饋電的、穩(wěn)定度較高的激勵(lì)電源，可以是交流或直流的穩(wěn)壓電源。其中稱(chēng)重傳感器、顯示組件、電源等部分，再包括重量信號(hào)的分析處理等都是由核心部件CPU統(tǒng)一管理，統(tǒng)稱(chēng)為電子秤控制器，是電子秤的中樞。

工作原理：

當(dāng)物體放在秤盤(pán)上時(shí)，壓力施加給傳感器，該傳感器發(fā)生彈性形變，從而使阻抗發(fā)生變化，同時(shí)使用激勵(lì)電壓發(fā)生變化，輸出一個(gè)變化的模擬信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大電路放大輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換成便于處理的數(shù)字信號(hào)輸出到CPU運(yùn)算控制。CPU根據(jù)鍵盤(pán)命令以及程序?qū)⑦@種結(jié)果輸出到顯示器。直至顯示這種結(jié)果。

特點(diǎn)：

(1) 稱(chēng)量方便、分辨率高、秤量值可以用數(shù)字顯示，因此便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，從而達(dá)到集中管理和生產(chǎn)自動(dòng)控制的目的。

(2)精度高;

(3)傳感器的響應(yīng)速度快，因此稱(chēng)重速度快;

(4)穩(wěn)定性好、機(jī)械磨損小、壽命長(zhǎng)、維修方便;

(5)不少傳感器的密封性能好，從而可以在環(huán)境惡劣的場(chǎng)合下工作;

(6)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此體積小、重量輕。由于_L述優(yōu)點(diǎn)，電子秤已成為衡器發(fā)展的主流，普遍應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)和其它領(lǐng)域，對(duì)提高人民生活水平、增強(qiáng)勞動(dòng)生產(chǎn)率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、降低成本都有著重要的意義。

3、電子秤方案設(shè)計(jì)的原理及技術(shù)參數(shù)

日常生活中隨處可見(jiàn)電子秤的身影。菜市場(chǎng)、珠寶店、藥店甚至是家里都有這個(gè)電子秤的身影。電子秤的出現(xiàn)讓人們對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)更敏感、也逐漸開(kāi)始追求更精確的計(jì)量。

電子秤是利用胡克定律或力的杠桿平衡原理測(cè)定物體質(zhì)量的工具。它按照結(jié)構(gòu)原理可分為機(jī)械秤、電子秤、機(jī)電結(jié)合秤三大類(lèi)。而電子秤主要由承重系統(tǒng)、傳感器和顯示系統(tǒng)組成。它的主要工作流程就是將物體放在秤盤(pán)上時(shí)，物體壓力施加給傳感器，該傳感器發(fā)生彈性形變，從而使阻抗發(fā)生變化，同時(shí)使用激勵(lì)電壓發(fā)生變化，輸出一個(gè)變化的模擬信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大電路放大輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換成便于處理的數(shù)字信號(hào)輸出到CPU運(yùn)算控制。CPU根據(jù)鍵盤(pán)命令以及程序?qū)⑦@種結(jié)果輸出到顯示器。直至顯示這種結(jié)果。

這里我們說(shuō)的CPU是用由芯片和PCBA的設(shè)計(jì)，完成電子秤所需要的功能參數(shù)要求。電子秤采用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)一體化的電子稱(chēng)量裝置，才能滿足并解決現(xiàn)實(shí)生活中提出的"快速、準(zhǔn)確、連續(xù)、自動(dòng)稱(chēng)量要求，同時(shí)有效地消除人為誤差，使之更符合法制計(jì)量管理和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的應(yīng)用要求。

人體秤方案性能參數(shù)：

開(kāi)機(jī)方式：自動(dòng)上秤開(kāi)機(jī),重量為5.0kg+0.1kg。

單位和顯示分度：支持兩個(gè)單位kg、Ib, 對(duì)應(yīng)的分度值為0.1kg、0.2lb,

撥動(dòng)開(kāi)關(guān)改變單位。

稱(chēng)重范圍：3.0kg ~ 183.0kg

電壓電流：正常工作時(shí)，傳感器部分供電電壓2.3V,工作電流6mA,待機(jī)電流1uA,掃描電流200uA。

校準(zhǔn):三點(diǎn)校準(zhǔn)，分別是50kg, 100kg 和150kg。

低電提示：當(dāng)電池電壓低于2.4+0.1V時(shí)，LCD顯示"Lo",4秒后自動(dòng)待機(jī)。

過(guò)載提示：當(dāng)稱(chēng)重值大于183.0kg時(shí), LCD將會(huì)顯示"oL”。

自動(dòng)待機(jī)時(shí)間：

鎖定重量后: 10+1S;

不穩(wěn)定關(guān)機(jī): 20+1S;

開(kāi)機(jī)歸零后: 10+1S;

歸零：開(kāi)機(jī)全顯穩(wěn)定后歸零;稱(chēng)重狀態(tài),重量小于3kg并且穩(wěn)定后自動(dòng)歸零;

溫濕度特性：芯片工作溫度為-40°C~ 85°C相對(duì)濕度:≤90%。

工作電壓：2.4V ~ 3.6V 供電

記憶范圍：3組記憶值,記憶范圍是0.3+-0.1kg

背光：開(kāi)機(jī)或稱(chēng)重背光亮起，稱(chēng)重穩(wěn)定或無(wú)操作10S背光滅

人體秤功能特征

工作電壓: 2.4V~3.6V

支持LCD/L .ED顯示

稱(chēng)重 范圍高達(dá)183KG

帶 3組記憶值

正常稱(chēng)重功能

支持兩個(gè)單位kg、lb

低電提示

過(guò)載提示

自動(dòng)歸零

語(yǔ)音播報(bào)

背光模式

4、如何更換電子秤中的傳感器

我們?cè)谌粘Ｉ钪须S處可見(jiàn)到電子秤，電子秤是我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚闹匾ぞ?，不僅在日常生活中占有重要位置，在商業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展領(lǐng)域上也占有重要的主導(dǎo)作用，根據(jù)工作環(huán)境的要求，電子秤的量程和形態(tài)也會(huì)隨之改變，不管是哪種形態(tài)的電子秤，其最主要的核心在于傳感器的性能，當(dāng)傳感器出現(xiàn)問(wèn)題，電子秤的使用就會(huì)受到影響，那么我們改如何進(jìn)行更改呢：

首先，需要打開(kāi)傳感器上方的秤體;

第二，檢查傳感器線纜的連接情況;

第三，更換傳感器，保證線纜連接正確;

第四，重新調(diào)整好秤體，且重新標(biāo)定、校正以上處理方法為我司技術(shù)人員的一些維修經(jīng)驗(yàn)。

5、高性能、低成本電子秤的參考設(shè)計(jì)

Colm Slattery 和 Mariah Nie

電子秤向更高精度和更低成本的方向發(fā)展，對(duì)低成本高性能模擬信號(hào)處理的需求不斷增加。此要求的范圍并不明顯;大多數(shù)電子秤以1：3，000或1：10，000的分辨率輸出最終重量值，這很容易通過(guò)12位至14位ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)滿足。然而，對(duì)電子秤的仔細(xì)檢查表明，滿足分辨率要求并不容易實(shí)現(xiàn);事實(shí)上，ADC精度需要接近20位。在本文中，我們將討論電子秤的一些系統(tǒng)規(guī)格，并討論設(shè)計(jì)和構(gòu)建電子秤系統(tǒng)的注意事項(xiàng)。考慮的主要方面是峰峰值噪聲分辨率、模數(shù)轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍、增益漂移和濾波。我們將來(lái)自實(shí)際稱(chēng)重傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)與來(lái)自穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓源的輸入進(jìn)行比較，使用電子秤參考設(shè)計(jì)作為評(píng)估板。

稱(chēng)重傳感器

最常見(jiàn)的稱(chēng)重秤實(shí)現(xiàn)方案是使用橋式稱(chēng)重傳感器，其電壓輸出與放置在其上的重量成正比。典型的稱(chēng)重傳感器電橋如圖1所示;它是一個(gè)具有至少兩個(gè)可變臂的4電阻橋電路，其中電阻隨施加的重量而變化，在2.5 V(電源電壓的一半)的共模電平下產(chǎn)生差分電壓。典型的電橋?qū)⒕哂?300 歐姆量級(jí)的電阻器。

稱(chēng)重傳感器本質(zhì)上是單調(diào)的。稱(chēng)重傳感器的主要參數(shù)是靈敏度、總誤差和漂移。

敏感性

典型稱(chēng)重傳感器的電靈敏度(定義為滿載輸出與激勵(lì)電壓之比)為2 mV/V。具有 2mV/V 靈敏度和 5V 激勵(lì)時(shí)，滿量程輸出電壓為 10mV。通常，為了使用稱(chēng)重傳感器量程中最線性的部分，只會(huì)使用該范圍的三分之二左右。因此，滿量程輸出電壓約為6 mV。因此，挑戰(zhàn)在于測(cè)量6 mV滿量程范圍內(nèi)的小信號(hào)變化，以獲得可實(shí)現(xiàn)的最高性能，這在通常使用電子秤的工業(yè)環(huán)境中并非易事。

總誤差

總誤差是輸出誤差與額定輸出之比。典型的電子秤的總誤差規(guī)格約為 0.02%。這是一個(gè)非常重要的規(guī)格，因?yàn)樗拗屏死硐胄盘?hào)調(diào)理電路所能達(dá)到的精度。因此，它決定了A/D轉(zhuǎn)換器分辨率的選擇，以及放大電路和濾波器的設(shè)計(jì)。

漂移

稱(chēng)重傳感器也會(huì)隨著時(shí)間的推移而漂移。圖2顯示了在24小時(shí)內(nèi)測(cè)量的實(shí)際稱(chēng)重傳感器漂移特性。在測(cè)量期間，溫度基本上是恒定的，因此漂移與溫度無(wú)關(guān)。所示結(jié)果(使用24位ADC測(cè)量的位變化數(shù))顯示總漂移為125 LSB，或約7.5 ppm。

電子秤系統(tǒng)

設(shè)計(jì)電子秤系統(tǒng)時(shí)要考慮的最重要參數(shù)是內(nèi)部計(jì)數(shù)、ADC動(dòng)態(tài)范圍、無(wú)噪聲分辨率、更新速率、系統(tǒng)增益和增益誤差漂移。系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)為比率式，因此與電源電壓無(wú)關(guān)——這將在后面討論。

內(nèi)部計(jì)數(shù)

如前所述，用戶看到的典型電子秤系統(tǒng)的分辨率范圍從低端的1：3，000到高端解決方案的1：10，000。例如，一個(gè)稱(chēng)重秤的重量分辨率可達(dá) 5 公斤，計(jì)數(shù)為 1：10，000，重量分辨率為 0.5 克。此分辨率(如LCD顯示屏所示)通常稱(chēng)為外部計(jì)數(shù)。為了保證準(zhǔn)確滿足此分辨率，系統(tǒng)的內(nèi)部分辨率必須至少提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。事實(shí)上，一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定系統(tǒng)的內(nèi)部計(jì)數(shù)比外部計(jì)數(shù)好 20 倍。對(duì)于上面的示例，內(nèi)部計(jì)數(shù)需要為 1：200，000。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍

在使用標(biāo)準(zhǔn)高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的電子秤應(yīng)用中，不太可能使用ADC的整個(gè)滿量程范圍。在圖1的示例中，稱(chēng)重傳感器具有5 V電源和10 mV滿量程輸出。線性范圍為6 mV。在前端使用增益為128級(jí)時(shí)，ADC輸入將看到約768 mV滿量程。如果使用標(biāo)準(zhǔn)2.5 V基準(zhǔn)電壓源，則僅使用ADC動(dòng)態(tài)范圍的30%。

如果在1 mV滿量程范圍內(nèi)，內(nèi)部計(jì)數(shù)需要精確到200：000，770，則ADC需要提高3×至4×才能滿足性能要求。在這種情況下，對(duì)于1：800，000的計(jì)數(shù)，ADC將需要19位到20位的精度?，F(xiàn)在可以理解信號(hào)處理要求帶來(lái)的實(shí)際挑戰(zhàn)。

增益和失調(diào)漂移

工業(yè)秤系統(tǒng)通常在 50 攝氏度的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。設(shè)計(jì)人員必須考慮系統(tǒng)在高于室溫的溫度下的精度，因?yàn)樵鲆骐S溫度漂移可能是誤差的主要來(lái)源。例如，增益誤差漂移為20 ppm/°C的1位穩(wěn)定系統(tǒng)在50度范圍內(nèi)將具有50 LSB的誤差。盡管系統(tǒng)在1°C時(shí)可能穩(wěn)定為25 LSB，但在整個(gè)溫度范圍內(nèi)實(shí)際上只有50 LSB的精度。因此，在設(shè)計(jì)電子秤時(shí)，選擇具有低增益漂移的ADC是一個(gè)非常重要的考慮因素。

失調(diào)漂移不是那么大的考慮因素。大多數(shù)Σ-Δ型ADC采用固有的斬波模式技術(shù)設(shè)計(jì)，具有漂移更低、抗1/f噪聲能力更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)電子秤設(shè)計(jì)人員非常有用。例如，AD7799模數(shù)轉(zhuǎn)換器的失調(diào)漂移規(guī)格為10 nV/°C。 在 20 位系統(tǒng)中，在整個(gè) 1 度工作范圍內(nèi)，總共僅產(chǎn)生 4/50 LSB 誤差。

無(wú)噪聲分辨率

閱讀數(shù)據(jù)手冊(cè)時(shí)的一個(gè)常見(jiàn)錯(cuò)誤是沒(méi)有注意噪聲是指定為均方根(rms)還是峰峰值(p-p)。對(duì)于電子秤應(yīng)用，最重要的規(guī)格是p-p噪聲，它決定了無(wú)噪聲代碼分辨率。ADC的無(wú)噪聲碼分辨率是分辨率位數(shù)，超過(guò)該位數(shù)，由于與所有ADC相關(guān)的有效輸入噪聲，無(wú)法明確分辨單個(gè)代碼。該噪聲可以表示為均方根量，通常表示為L(zhǎng)SB單位的數(shù)量(計(jì)數(shù)，2–n滿量程)。乘以 6.6(捕獲標(biāo)準(zhǔn)分布中所有值的 99.9%)得到合理的等效峰峰值(以 LSB 表示)。大多數(shù)ADI公司的Σ-Δ型ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)都規(guī)定了均方根和峰峰值或無(wú)噪聲代碼，如下表所示，摘自AD7799數(shù)據(jù)手冊(cè)。

更新速率

在圖4中可以看出，系統(tǒng)的無(wú)噪聲分辨率取決于ADC的更新速率。例如，使用2.5 V基準(zhǔn)電壓源和4.17 Hz的更新速率，分辨率為20.5位p-p(增益為128);而在 500 Hz 時(shí)，分辨率降低到 16.5 位。在電子秤系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員需要在ADC采樣的最低更新速率與更新LCD顯示屏所需的輸出數(shù)據(jù)速率之間取得平衡。對(duì)于高端電子秤，通常使用10 Hz ADC更新速率。