基于電阻應(yīng)變片式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)

王來志+王小平

摘 要：給出了采用AT89S52單片機(jī)作為微控制器，結(jié)合電阻應(yīng)變片式傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、鍵盤/開關(guān)、LCD顯示器、報(bào)警電路等部分設(shè)計(jì)的一種智能自動稱量電子秤的實(shí)現(xiàn)方法。本電子稱具有體積小、成本低、精確度和可靠性高等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：傳感器；單片機(jī)；AT89S52；電子秤

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）02-0058-03

0 引 言

稱重裝置目前已經(jīng)普遍應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，并且對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[1]，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[2]。

本文以電阻式應(yīng)變片傳感器為信號采集單元、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：

（1）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。

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

（3）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個部分組成，其設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

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，當(dāng)被稱物體放置在秤體的秤臺上時，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（電流或電壓）。此電信號一般比較微弱，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，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)字信號轉(zhuǎn)換為物體的實(shí)際重量信號。運(yùn)算結(jié)果送到內(nèi)存，需要顯示時，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8 KB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，其輸出信號電壓為：

圖2 控制電路框圖 圖3 稱重傳感器原理圖

3.3 放大電路

傳感器輸出電壓范圍為0～20 mV。而A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓要求0～20 mV，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 基于INA128放大器的放大電路

圖4的放大電路中，前級采用運(yùn)放A1和A2組成并聯(lián)型差動放大器。阻容耦合電路放在前級放大器和后級放大器之間，這樣可以為后級放大器提高增益，進(jìn)而提高電路的共模抑制比。同時，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。后級電路采用廉價的儀器放大器，將雙端信號轉(zhuǎn)換為單端信號輸出。由于阻容耦合電路的隔直作用，后級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。

3.4 A/D轉(zhuǎn)換和鍵盤電路

本設(shè)計(jì)采用精度高、價格低廉、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（10個數(shù)字鍵），還具有確認(rèn)、刪除等功能，包括復(fù)位鍵公17個。16個按鍵采用4×4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，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，同時報(bào)警燈D1發(fā)光。其報(bào)警電路如圖6所示。

圖5 4×4矩陣式鍵盤電路圖 圖6 報(bào)警電路

3.6 電源電路設(shè)計(jì)

由于傳感器需要+12 V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。

220 V交流電經(jīng)過變壓器后輸出15 V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+12 V和+5 V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，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，實(shí)現(xiàn)稱重過程的一系列要求，提高系統(tǒng)的可靠性[3]。系統(tǒng)軟件由6個模塊構(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，把傳感器傳遞過來的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳遞到單片機(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)時顯示值，設(shè)定值比較小時，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)用價值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 任治斌. MCS51單片機(jī)在電子皮帶自動化中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28（14）：73-74.

[2] 陳安. PIC單片機(jī)在超市收銀臺自動傳送帶中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2004，17（8）：43-44 .

[3] 馮秀彥.基于單片機(jī)的智能電子秤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2012（9）：136.

[4] 王峰. 基于單片機(jī)控制的電子秤的設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（15）：26.

[5] 章蔚中，王穎. 基于LabVIEW的智能電子秤設(shè)計(jì)[J]. 南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（6）：70-72.

Design of electronic scales based resistance strain gauge sensor

WANG Lai-zhi， WANG Xiao-ping

（Chongqing City Management College， Chongqing 401331， China）

Abstract： An intelligent automatic weighing electronic scale is provided which uses AT89S52 as microcontroller， combines with resistance strain gauge sensor， A/D converter， keyboard/switches， LCD displayer， alarm circuit and so on. The electronic scale has the features of small size， low cost， high accuracy and high reliability.

Keywords： Sensor； MCU； AT89S52； electronic scale

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)用價值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 任治斌. MCS51單片機(jī)在電子皮帶自動化中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28（14）：73-74.

[2] 陳安. PIC單片機(jī)在超市收銀臺自動傳送帶中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2004，17（8）：43-44 .

[3] 馮秀彥.基于單片機(jī)的智能電子秤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2012（9）：136.

[4] 王峰. 基于單片機(jī)控制的電子秤的設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（15）：26.

[5] 章蔚中，王穎. 基于LabVIEW的智能電子秤設(shè)計(jì)[J]. 南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（6）：70-72.

Design of electronic scales based resistance strain gauge sensor

WANG Lai-zhi， WANG Xiao-ping

（Chongqing City Management College， Chongqing 401331， China）

Abstract： An intelligent automatic weighing electronic scale is provided which uses AT89S52 as microcontroller， combines with resistance strain gauge sensor， A/D converter， keyboard/switches， LCD displayer， alarm circuit and so on. The electronic scale has the features of small size， low cost， high accuracy and high reliability.

Keywords： Sensor； MCU； AT89S52； electronic scale

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)用價值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 任治斌. MCS51單片機(jī)在電子皮帶自動化中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28（14）：73-74.

[2] 陳安. PIC單片機(jī)在超市收銀臺自動傳送帶中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2004，17（8）：43-44 .

[3] 馮秀彥.基于單片機(jī)的智能電子秤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2012（9）：136.

[4] 王峰. 基于單片機(jī)控制的電子秤的設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（15）：26.

[5] 章蔚中，王穎. 基于LabVIEW的智能電子秤設(shè)計(jì)[J]. 南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（6）：70-72.

Design of electronic scales based resistance strain gauge sensor

WANG Lai-zhi， WANG Xiao-ping

（Chongqing City Management College， Chongqing 401331， China）

Abstract： An intelligent automatic weighing electronic scale is provided which uses AT89S52 as microcontroller， combines with resistance strain gauge sensor， A/D converter， keyboard/switches， LCD displayer， alarm circuit and so on. The electronic scale has the features of small size， low cost， high accuracy and high reliability.

Keywords： Sensor； MCU； AT89S52； electronic scale