新型便攜式電子秤設(shè)計(jì)

1、新型便攜式電子秤設(shè)計(jì)張海霞滕召勝易霞孫傳奇(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,長沙410082摘要本文研究了一種利用變極距電容式傳感器實(shí)現(xiàn)質(zhì)量-電量轉(zhuǎn)換、以PIC16F877單片機(jī)為信息處理核心的便攜式電子秤,論述了儀器的測量原理,介紹了減少變極距電容式傳感器質(zhì)量稱量誤差的自校準(zhǔn)方法,給出了儀器原理框圖、單片機(jī)單元硬件電路和儀器程序流程圖。關(guān)鍵詞電子秤;變極距電容式稱重傳感器;自校準(zhǔn);PIC16F877單片機(jī)0引言目前,臺(tái)式電子秤在商業(yè)銷售中的使用已相當(dāng)普遍,但存在較大的局限性:體積大,成本高,需要工頻交流電源供電,不能隨身攜帶,商販更改不易發(fā)現(xiàn),應(yīng)用前景受到制約。現(xiàn)有的便攜秤為桿秤和彈簧秤,計(jì)量誤

2、差較大,屬國家明令淘汰產(chǎn)品。多年來人們一直期待測量準(zhǔn)確、攜帶方便、價(jià)格低廉的便攜式電子秤(袖珍電子秤投放市場。為此,本文研究了一種利用變極距電容式傳感器實(shí)現(xiàn)質(zhì)量-電量轉(zhuǎn)換、以低功耗單片機(jī)PIC16F877為信息處理核心的便攜式電子秤。這種新型電子秤體積小,計(jì)量準(zhǔn)確,快速方便,集質(zhì)量稱量功能與價(jià)格計(jì)算功能于一體,可以滿足貿(mào)易商販和家庭使用需要。儀器的最大稱量為15kg ,分度值10g ,精度等級(jí)級(jí),采用電池供電,具有自檢、去皮、計(jì)價(jià)、累計(jì)、單價(jià)設(shè)定、自動(dòng)休眠、中文提示等智能功能。1儀器的構(gòu)成與測量原理111儀器的構(gòu)成便攜式電子秤硬件系統(tǒng)由變極距電容式傳感器、高穩(wěn)定參考電容、定時(shí)器、模擬開關(guān)、單片

3、機(jī)系統(tǒng)、鍵盤、LCD 顯示器等組成。電源為1節(jié)115V (AA 電池,經(jīng)DC -DC 電源變換后成為各電路單元穩(wěn)定的5V 供電電壓。儀器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 圖1儀器結(jié)構(gòu)框圖112儀器的測量原理本文研究的便攜式電子秤采用變極距電容式傳感器,它的電容量很小,僅幾十至幾百皮法。儀器設(shè)計(jì)中,將調(diào)理電路緊靠傳感器的極板,盡量減小信號(hào)線分布電容的影響,并利用單片機(jī)對(duì)電容式傳感器的溫度特性和非線性特性進(jìn)行了補(bǔ)償。變極距電容式傳感器由一對(duì)距離可變的平行極板構(gòu)成,其一固定,其二為活動(dòng)板,兩板以彈性元件相連。稱量時(shí),被測試樣向活動(dòng)板施加拉力,兩極板距離發(fā)生變化,平板電容器的電容量發(fā)生相應(yīng)變化。此時(shí),活動(dòng)板的位移

4、與被測試樣的質(zhì)量成正比:d =a m (1式中:a 為質(zhì)量與兩極板距離的轉(zhuǎn)換系數(shù);m 為被測試樣的質(zhì)量。由于兩極板的面積很大,而它們之間的距離很小,所以兩極板構(gòu)成的電容只與極距有關(guān),可以忽略極板的邊緣效應(yīng)。兩極板間的電容量為:C =S /d (2式中:為極板間介質(zhì)的介電常數(shù);S 為極板的面積;d 為極板間的距離。質(zhì)量稱量時(shí),電容極板間距的變化將導(dǎo)致電容量的變化量。但電容的直接測量非常困難。因此,系統(tǒng)將不易測量的電容變化量轉(zhuǎn)換成易于測量的頻率信號(hào)的變化量,并采用高穩(wěn)定參考電容生成參考頻率信號(hào),消除系統(tǒng)誤差,實(shí)現(xiàn)高精度測量。電容頻率轉(zhuǎn)換框圖如圖2所示。兩路頻率分別送入后級(jí)處理電路,經(jīng)數(shù)據(jù)選擇傳入單

5、片機(jī)系統(tǒng)。113儀器的自校準(zhǔn)電容傳感器可以利用參考電容進(jìn)行測量補(bǔ) 圖2電容頻率轉(zhuǎn)換框圖償1。儀器選用包含2個(gè)555定時(shí)器的ICM7556定時(shí)器、PIC16F877單片機(jī)和自校準(zhǔn)技術(shù)的測量電路。若傳感器電容為C x ,高穩(wěn)定參考電容為C ref (固定、已知,電容控制振蕩器的主體由ICM7556構(gòu)成,可將電容量轉(zhuǎn)換成脈沖頻率信號(hào),PIC16F877單片機(jī)控制模擬開關(guān)MAX325,用來切換測量通道(f x ,f c 。通過對(duì)脈沖的測量實(shí)現(xiàn)高精度傳感器電容量的測量,單片機(jī)由已存的擬合曲線數(shù)學(xué)模型和測得的頻率信息,計(jì)算出被測試樣的質(zhì)量。測量運(yùn)算結(jié)果傳送至LCD 顯示。由ICM7556和外接電阻R 5、

6、R 6及參考電容C ref ,電容式傳感器C x ,構(gòu)成如圖3所示的電容控制振蕩器,輸出脈沖的周期T 為T =ln2RC(3圖3電容控制振蕩器設(shè)K =ln2R ,則T =KC 。當(dāng)切換測量通道(f x ,f c 時(shí),R 分別是R5、R6。RET1、RET2分別與PIC16F877的RB1、RB2連接,利用RB 口電平變化觸發(fā)振蕩器,實(shí)現(xiàn)電容到頻率的轉(zhuǎn)換。當(dāng)C <100p F 時(shí),振蕩器輸出脈沖周期T 與C 之間有一定的非線性,T 會(huì)受到555端電容的影響2。設(shè)儀器的誤差源為E 0,則當(dāng)模擬開關(guān)分別接至參考電容和傳感器電容時(shí),555輸出脈沖的周期分別為T ref =K (C ref +E

7、0(4T x =K (C x +E 0(5由式(4和式(5得C x =T xT ref C ref+T xT ref-1E 0(6實(shí)際在測量系統(tǒng)中使用的計(jì)算公式為C x =T x /T ref C ref(7根據(jù)式(7計(jì)算C x 的相對(duì)誤差為s =E 0C x T xT ref-1(8若不用上述參考電容法,而直接由555輸出值測量C x ,則相對(duì)誤差為s =KE 0T x =KE 0K (C x +E 0E 0C x(9可見,采用參考電容后,測量相對(duì)誤差降為直接測量法的(T x /T ref -1倍。參電容C ref 越接近被測電容C x ,相對(duì)誤差越小。而且,由于非線性關(guān)系、環(huán)境溫度變化、電

8、阻值變化、555端電容影響等因素引起的系統(tǒng)誤差也可消除。2硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路主要由傳感器、電容頻率轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)系統(tǒng)等組成。根據(jù)低功耗和低成本的設(shè)計(jì)要求,儀器選用PIC16F877單片機(jī),運(yùn)行速度快,功耗低,體積小,工作電壓低,可直接驅(qū)動(dòng)液晶顯示器3,4。PIC16F877的輸入端口有跳變中斷能力,能方便接收按鍵輸入;另有多級(jí)外部及內(nèi)部中斷,可通過程序禁止主晶振振蕩而使單片機(jī)進(jìn)入低功耗狀態(tài),非常適合以電池作能源、需液晶驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用場合。單片機(jī)系統(tǒng)完成鍵盤輸入檢測、采樣通道選擇、信號(hào)分析處理、液晶顯示、欠壓提示和過載報(bào)警等多種智能功能,電路如圖4所示。PIC16F877的RB3引腳與精密單電源

9、模擬開關(guān)MAX325兩控制端(IN1、IN2連接,控制兩路頻率信號(hào)輸入通道的選擇。以MAX1676直流升壓轉(zhuǎn)換芯片為核心構(gòu)成提供5V 直流信號(hào)的電源電路MAX1676具有電池欠壓監(jiān)測功能,在電池電壓低于1V 時(shí),產(chǎn)生報(bào)警顯示。低電壓檢測信號(hào)通過PIC16F877的IN T 輸入,低壓時(shí)產(chǎn)生外部中斷。鍵盤檢測信號(hào)與RB4RB6相連,有鍵按下就產(chǎn)生RB 口電平變換中斷,在中斷服務(wù)程序中掃描鍵盤取得鍵值。儀器的鍵盤輸入電路使用3×5矩陣鍵盤和1個(gè)扳鍵開關(guān)。扳鍵開關(guān)用于控制系統(tǒng)電源的通斷。矩陣鍵盤完成數(shù)字輸入和功能的選擇。LCD 顯示器采用長沙太陽人電子有限公司生產(chǎn)的電子秤專用圖4單片機(jī)系統(tǒng)

10、電路顯示芯片SMS0501C。LCD顯示器電路完成質(zhì)量、單價(jià)和金額的顯示。3軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu),主要有校正模塊、欠壓提示模塊、鍵盤管理模塊、采樣通道切換模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。系統(tǒng)上電后,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化程序主要完成對(duì)單片機(jī)內(nèi)專用寄存器的設(shè)定,單片機(jī)工作方式及各端口的工作狀態(tài)的規(guī)定。系統(tǒng)初始化之后,進(jìn)行計(jì)數(shù)器讀取、零點(diǎn)校正、過載檢測等工作。主程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)中按鍵組合成鍵盤后排列成3×5矩陣形式,采用RB口中斷的方式檢測鍵盤中有無按鍵。對(duì)各列線都置低電平(全掃描,若有鍵按下,則會(huì)產(chǎn)生中斷。進(jìn)入中斷程序后,通過逐列送低電平(逐列掃描,查看各行線電平值來鑒別被按

11、下的鍵,返回鍵值。鍵盤檢測中斷服務(wù)程序流程圖如圖6所示。系統(tǒng)傳感器單元含有兩個(gè)電容頻率轉(zhuǎn)換電路,兩個(gè)電路輸出信號(hào)的獲取均通過單片機(jī)PIC16F877的計(jì)數(shù)器1實(shí)現(xiàn)。利用定時(shí)器0的定時(shí)中斷功能,每隔011s切換一次振蕩工作電路及模擬開關(guān)MAX325通道。定時(shí)器0中斷服務(wù)程序流程圖如圖7所示。 Flag 11為單價(jià)鍵按下標(biāo)志位;mass 為質(zhì)量顯示寄存區(qū);mun 為鍵盤信息寄存區(qū);lcd 為顯示數(shù)據(jù)寄有區(qū);sleep 為系統(tǒng)不工作時(shí)間定時(shí)寄存器圖5 系統(tǒng)主程序流程圖圖6 鍵盤中斷服務(wù)程序流程圖Flag 10為欠電標(biāo)志位;Flag 16為功能切換鍵標(biāo)志位;count 為采樣次數(shù)計(jì)數(shù)寄存器圖7定時(shí)器0

12、中斷服務(wù)程序流程圖4結(jié)束語本文設(shè)計(jì)的電子秤結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、輕巧實(shí)用、便于攜帶,具有自檢、去皮、計(jì)價(jià)、累計(jì)、中文液晶顯示、自動(dòng)休眠、過載報(bào)警和欠壓提示等多種智能功能,且準(zhǔn)確性高、重復(fù)性好,應(yīng)用前景十分廣闊。參考文獻(xiàn)1Eugene V 1Sypin ,Evgeniy S 1Povemov ,Alexandre V 1Terentiev ,G ennadiy V 1Leonov 1The Electronic Scales J 1Electron Devices and Materials ,2003(4:199-2012X 1Li ,G 1C 11M 11 Meijer 1Elimination of Shunting Conductance Ef 2fects in a Low 2Cost Capacitive Sensor Interface J 1IEEE Trans 1Instrum 1Meas 1,