1、基于單片機電子秤系統(tǒng)方案論證與選型按照本設計功能的要求，系統(tǒng)由6個部分組成：控制器部分、測量部分、報 警部分、數據顯示部分、鍵盤部分、和電路電源部分，系統(tǒng)設計總體方案框圖如 圖2.1所小。圖2-1設計思路框圖測量部分是利用稱重傳感器檢測壓力信號， 得到微弱的電信號（本設計為電 壓信號），而后經處理電路（如濾波電路，差動放大電路，）處理后，送A/D轉換 器,將模擬量轉化為數字量輸出。控制器部分接受來自A/D轉換器輸出的數字信 號，經過復雜的運算，將數字信號轉換為物體的實際重量信號， 并將其存儲到存 儲單元中。控制器還可以通過對擴展I/O的控制，對鍵盤進行掃描，而后通過鍵 盤散轉程序，對整個系統(tǒng)進

2、行控制。數據顯示部分根據需要實現顯示功能。2.1 控制器部分本設計由于要求必須使用單片機作為系統(tǒng)的主控制器,而且以單片機為主 控制器的設計，可以容易地將計算機技術和測量控制技術結合在一起，組成新型的只需要改變軟件程序就可以更新換代的“智能化測量控制系統(tǒng)”。這種新型的智能儀表在測量過程自動化、測量結果的數據處理以及功能的多樣化方面， 都取得了巨大的進展。再則由于系統(tǒng)沒有其它高標準的要求，又考慮到本設計中程序部分比較大，根 據總體方案設計的分析，設計這樣一個簡單的的系統(tǒng)，可以選用帶EPROM勺單片機，由于應用程序不大，應用程序直接存儲在片內，不 用在外部擴展存儲器 ，這樣 電路也可簡化 。 INT

3、EL 公司 的 8051 和 8751 都可使用 ， 在這里選 用 ATMENL 生產 的 AT89SXX 系 列 單 片機 。AT89SXX 系 列 與 MCS-51 相 比 有 兩 大 優(yōu) 勢 ： 第 一 ， 片 內 存 儲 器 采 用 閃速存儲器，使程序寫入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片， 使整個硬件 電路體積更 小 。 此外價格低廉 、 性 能 比 較穩(wěn)定的 MCPU， 具有8Kx 8ROM、256 乂 8RAM、2個16位定時計數器、4個8位I/O 接口。這些配置能夠很好地實現本儀器的測量和控制要求最后我們最終選擇了 AT89S5於個比較常用的單片機來實現系統(tǒng)的功能要 求。AT

4、89S52內部帶有8KB的程序存儲器，基本上已經能夠滿足我們的需要。2.2 數據采集部分電子秤的數據采集部分主要包括稱重傳感器、 處理電路和A/D 轉換電路，因此對于這部分的論證主要分三方面2.2.1 傳感器的選擇在設計中 , 傳感器是一個十分重要的元件, 因此對傳感器的選擇也顯的特別的重要 , 不僅要注意其量程和參數, 還有考慮到與其相配置的各種電路的設計的難以程度和設計性價比等等.傳感器量程的選擇可依據秤的最大稱量值、 選用傳感器的個數、 秤體的自重、可能產生的最大偏載及動載等因素綜合評價來確定。 一般來說， 傳感器的量程越接近分配到每個傳感器的載荷， 其稱量的準確度就越高。 但在實際使用

5、時， 由于 加在傳感器上的載荷除被稱物體外， 還存在秤體自重、 皮重、 偏載及振動沖擊等 載荷， 因此選用傳感器量程時， 要考慮諸多方面的因素， 保證傳感器的安全和壽命。 傳感器量程的計算公式是在充分考慮到影響秤體的各個因素后， 經過大量的 實驗而確定的。其公式如下：C= ( XK *2 XK XWax+ W)/N2.1 )C一單個傳感器白額定量程；WF秤體自重；Wmax被稱物體凈重的最大值； N1秤體所采用支撐點的數量；K保險系數，一般取值在1.21.3之間；K- 沖擊系數；K2秤體的重心偏移系數；K3 風壓系數。本設計要求稱重范圍 0 5kg,重量誤差不大于0.01kg,根據傳感器量程計算

6、公式(2.1)可知：C = 1.25 X1 X.03 X1X (20+1.9) /1(2-1)= 9.01205為保證電子秤稱量結果的準確度，克服傳感器在低量程段線性度 差的缺點。傳感器的量程應根據皮帶秤的最大流量來選擇。在實際工 作中，要求稱重傳感器的有效量程在20%80%之間,線性好，精度 高。重量誤差應控制在 X.01Kg,又考慮到秤臺自重、振動和沖擊分量，還要避 免超重損壞傳感器，根據式2.1的計算結果，所以我們確定傳感器的額定載荷為 7.5Kg,允許過載為150%F.S精度為0.05%,最大量程時誤差 0.01kg,可以滿 足本系統(tǒng)的精度要求.綜合考慮，本設計采用SP20C-G501

7、電阻應變式傳感器，其最大量程 為7.5 Kg.稱重傳感器由組合式S型梁結構及金屬箔式應變計構成，具有過載 保護裝置。由于惠斯登電橋具諸如抑制溫度變化的影響，抑制干擾，補償方便等優(yōu)點，所以該傳感器測量精度高、溫度特性好、工作穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛用于各種 結構的動、靜態(tài)測量及各種電子秤的一次儀表。 該稱重傳感器主要由彈性體、電 阻應變片電纜線等組成，其工作原理如圖 2.1所示：圖2.1稱重傳感器原理圖表一壓力傳感器主要技術指標準確度等級Accuracy classC3 0.02 0.03額定載荷Rated loadkg1、2.5、5、7.5、10、15靈敏度 SensitivitymV/V1.8 0.

8、08非線性 Nonlinearity0.02滯后 Hysteresis%F.S.0.02重復性 Repeatability0.02蠕受Creep%F.S./30min0.02蠕受，恢復 creep recovery零點輸出Zero balance%F.S.士 1零點溫度系數 Zerotemperature coefficient%F.S./10 C0.02額定輸出溫度系數Rated outputtemperaturecoefficient輸入電阻 Input resistanceQ415 445輸出電阻 Output resistanceQ349355絕緣電阻 Insulation resis

9、tanceMD5000供橋電壓 Supply voltageV12 (DC/AC溫度補償范圍 Temperature compensation rangeC-10 +50允許溫度范圍 Safetemperature rangec-20 +60允許過負荷Safe overload%F.S.120極限過負荷 Ultimate overload%F.S.200四角誤差 Four corner error%F.S.0.03連接電纜Connect cablemm 3.8 X300接線方式 Method of connecting wire輸入Input (-):White 輸出Output屏蔽Shiel

10、d(十) : Red 輸入 Input(十) :Green 輸出 Output(-):Blue:Yellow其測量原理：用應變片測量時，將其粘貼在彈性體上。當彈性體受力變形 時，應變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應變化，通過轉換電路轉換為 電壓或電流的變化。由于內部線路采用惠更斯電橋，當彈性體承受載荷產生變形時，輸出信號電壓可由下式給出:l R2 R4 AR1 AR2 R3 R4 -Eout Ein(2-2)(R2 R4) R1 R2 R3 R42.2.2 放大電路選擇稱重傳感器輸出電壓振幅范圍020mV。而A/D轉換的輸入電壓 要求為02V,因此放大環(huán)節(jié)要有100倍左右的增益。對放大環(huán)

11、節(jié)的 要求是增益可調的（70150倍），根據本設計的實際情況增益設為 100倍即可，零點和增益的溫度漂移和時間漂移極小。按照輸入電壓 20mV,分辨率20000碼的情況，漂移要小于1pV。由于其具有極低的 失調電壓的溫漂和時漂（1V）,從而保證了放大環(huán)節(jié)對零點漂移的 要求。殘余的一點漂移依靠軟件的自動零點跟蹤來徹底解決。穩(wěn)定的 增益量可以保證其負反饋回路的穩(wěn)定性，并且最好選用高阻值的電阻 和多圈電位器。由2.2.1中稱重傳感器的稱量原理可知，電阻應變片組成的傳感器是把機械 應變轉換成AR/R,而應變電阻的變化一般都很微小，例如傳感器的應變片電阻 值120Q,靈敏系數K=2,彈性體在額定載荷作用

12、下產生的應變?yōu)?000 e,應變電阻相對變化量為：AR/R = K X = 2 X1000X10 6 =0.002（2-3）由式2-3可以看出電阻變化只有0.24。，其電阻變化率只有0.2%。這樣小 變電阻變化既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉換電路， 把應變計的AR/R變化轉換成電壓或電流變化，但是這個電壓或電流信號很小， 需要增加增益放大電路來把這個電壓或電流信號轉換成可以被A/D轉換芯片接收的信號。在前級處理電路部分，我們考慮可以采用以下幾種方案：方案一、利用普通低溫漂運算放大器構成前級處理電路；普通低溫漂運算放大器構成多級放大器會引入大量噪聲。由于A/D轉換器需 要很

13、高的精度，所以幾毫伏的干擾信號就會直接影響最后的測量精度。 所以，此 種方案不宜采用。方案二、主要由高精度低漂移運算放大器構成差動放大器，而構成的前級處理電路；差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點，可以利用普通運放（如OP07）做成一個差動放大器。其設計電路如圖 2-2所示：方案（三）：采用專用儀表放大器，如：INA126, INA121等構成前級處理電 路。下面舉例用INA128儀用儀表放大器來實現。圖2.2利用普通運放設計的差動放大器一般說來，集成化儀用放大器具有很高的共模抑制比和輸入阻抗，因而在傳統(tǒng)的電路設計中都是把集成化儀器放大器作為前置放大器。然而，絕大多數的集成化儀器放大器，特別

14、是集成化儀器放大器，它們的共模抑制比與增益相關： 增益越高，共模抑制比越大。而集成化儀器放大器作為心電前置放大器時， 由于 極化電壓的存在，前置放大器的增益只能在幾十倍以內， 這就使得集成化儀器放 大器作為前置放大器時的共模抑制比不可能很高。 有學者試圖在前置放大器的輸 入端加上隔直電容（高通網絡）來避免極化電壓使高增益的前置放大器進入飽和 狀態(tài)，但由于信號源的內阻高，且兩輸入端不平衡，隔直電容（高通網絡）使等 共模干擾轉變?yōu)椴钅８蓴_，結果適得其反，嚴重地損害了放大器的性能。為了實現信號的放大，設計電路如下：圖2.3 采用INA128設計的放大電路1 .前級采用運放A1和A2組成并聯型差動放大

15、器。理論上不難證明，在運算放 大器為理想的情況下，并聯型差動放大器的輸入阻抗為無窮大， 共模抑制比也為 無窮大。更值得一提的是，在理論上并聯型差動放大器的共模抑制比與電路的外 圍電阻的精度和阻值無關。2 .阻容耦合電路放在由并聯型差動放大器構成的前級放大器和由儀器放大器構 成的后級放大器之間，這樣可為后級儀器放大器提高增益， 進而提高電路的共模 抑制比提供了條件。同時，由于前置放大器的輸出阻抗很低，同時又采用共模驅 動技術，避免了阻容耦合電路中的阻、容元件參數不對稱（匹配）導致的共模干 擾轉換成差模干擾的情況發(fā)生。3 .后級電路采用廉價的儀器放大器，將雙端信號轉換為單端信號輸出。由于阻 容耦合

16、電路的隔直作用，后級的儀器放大器可以做到很高的增益， 進而得到很高 的共模抑制比。從理論上計算整個電路的共模抑制比為:CMRa = CMR. x CMR. 工11hu-14-網兒 4d= *mC為1 3= &xCM?2或C.l2%4-C幽(2-4)式中：CMRTotai或CMRRTotal 放大器的總共模抑制比；CMR1第一級放大器的 共模抑制比；CMR2或CMRR2第二級放大器的共模抑制比； Aid、A1c、A2d 和A2c-分別為第一級放大器和第二級放大器的差模增益和共模增益。經過實際測量，圖2.4所示的電路采用圖中所給出的參數時， 電路的共模抑 制比在120dB以上。有以上分析以及基于電

17、子秤的要求精確度不是很高， 所以選擇由普通放大器 所組成的差動放大器作為本設計的信號放大電路。2.2.3 A/D轉換器的選擇A/D轉換部分是整個設計的關鍵，這一部分處理不好，會使得整個設計毫無 意義。目前，世界上有多種類型的ADC有傳統(tǒng)的并行、逐次逼近型、積分型ADC 也有近年來新發(fā)展起來的 D A型和流水線型ADC多種類型的ADC#有其優(yōu)缺點 并能滿足不同的具體應用要求。目前，ADC集成電路主要有以下幾種類型：(1)并行比較A/D轉換器：如ADC0808 ADC0809等。并行比較ADO現 今速度最快的模/數轉換器，采樣速率在1GSPSZ上，通常稱為 閃爍式ADC它 由電阻分壓器、比較器、緩

18、沖器及編碼器四種分組成。這種結構的ADC9T有位的 轉換同時完成，其轉換時間主取決于比較器的開關速度、 編碼器的傳輸時間延遲 等。缺點是：并行比較式A/D轉換的抗干擾能力差，由于工藝限制，其分辨率一 般不高于8位，因此并行比較式A/D只適合于數字示波器等轉換速度較快的儀器 中，不適合本系統(tǒng)。(2) 逐次逼近型A/D轉換器：如：ADS7805 ADS780存。逐次逼近型 ADC 是應用非常廣泛的模/數轉換方法，這一類型ADC的優(yōu)點：高速，采樣速率可達1MSPS與其它ADCf比，功耗相當低；在分辨率低于12位時，價格較低。缺點： 在高于 14 位分辨率情況下， 價格較高； 傳感器產生的信號在進行模

19、 / 數轉換之前 需要進行調理，包括增益級和濾波，這樣會明顯增加成本。（3）積分型 A/D 轉換器：如：ICL7135、ICL7109、ICL1549、MC1443第。 積分型ADCX稱為雙斜率或多斜率 ADC是應用比較廣泛的一類轉換器。它的基 本原理是通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉換成與其平均值成正比的時間間隔。與此同時， 在此時間間隔內利用計數器對時鐘脈沖進行計數， 從而實現 A/D 轉換。積分型ADC次積分的時間都是利用同一個時鐘發(fā)生器和計數器來確定，因此所得到的表達式與時鐘頻率無關，其轉換精度只取決于參考電壓VR止匕外，由于輸入端采用了積分器， 所以對交流噪聲的干擾有很強的抑制能力。

20、若把積分器定 時積分的時間取為工頻信號的整數倍，可把由工頻噪聲引起的誤差減小到最小， 從而有效地抑制電網的工頻干擾。這類ADCfc要應用于低速、精密測量等領域，如數字電壓表。其優(yōu)點是：分辨率高，可達22 位；功耗低、成本低。缺點是：轉換速率低，轉換速率在12位時為100300SPS（4）壓頻變換型ADC其優(yōu)點是：精度高、價格較低、功耗較低。缺點是：類似于積分型ADC具轉換速率受到限制，12位時為100300SPS考慮到本系統(tǒng)中對物體重量的測量和使用的場合 ，精 度要求不是 很苛刻 ，轉 換速率要 求也不高 ，而 雙積分型 A/D 轉換器精度 高 ，具 有 3精 確 的 差分輸入 ，重要的 是輸入 阻抗高（大于 10 M ） ，可 自 動調零 ，有 超 量程信號輸出，全部輸出于TTL 電平兼容。且雙積分型A/D 轉換器具有很強的抗干擾能力。對正負對稱的工頻干擾信號積分為零，所以對50Hz 的工頻干擾抑制能力較強，對高于工頻干擾（例如噪聲電壓）已有良好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零， 對輸出就不產生影響。 尤其對本系統(tǒng)， 緩慢變化的壓力 信號，很容易受到工頻信號的影響。根據 系 統(tǒng) 的 精 度 要求 以及 綜合的分析其優(yōu)點和缺點， 本設計采 用 了12 位 A/D 轉 換 器 AD5742.2.4 鍵盤處理部分方案論證由于電子秤