基于--單片機電子秤系統(tǒng)設(shè)計方案及對策論證選型

1、-. z.基于單片機電子秤系統(tǒng)方案論證與選型按照本設(shè)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(shù)據(jù)顯示部分、鍵盤部分、和電路電源部分，系統(tǒng)設(shè)計總體方案框圖如圖2.1所示。壓力傳感器A/D轉(zhuǎn)換器放大電路AT89S52單片機鍵盤LCD顯示語音顯示圖2-1設(shè)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(shè)計為電壓信號），而后經(jīng)處理電路（如濾波電路，差動放大電路，）處理后，送A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出?？刂破鞑糠纸邮軄碜訟/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號，經(jīng)過復(fù)雜的運算，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)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

2、I/O的控制，對鍵盤進行掃描，而后通過鍵盤散轉(zhuǎn)程序，對整個系統(tǒng)進行控制。數(shù)據(jù)顯示部分根據(jù)需要實現(xiàn)顯示功能。2.1 控制器部分本設(shè)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(shè)計，可以容易地將計算機技術(shù)和測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新型的只需要改變軟件程序就可以更新?lián)Q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(jié)果的數(shù)據(jù)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(shè)計中程序部分比較大，根據(jù)總體方案設(shè)計的分析，設(shè)計這樣一個簡單的的系統(tǒng)，可以選用帶EPROM的單片機，由于應(yīng)用程序不大，應(yīng)用程序直接存儲在片，不

3、用在外部擴展存儲器，這樣電路也可簡化。INTEL公司的8051和8751都可使用，在這里選用ATMENL生產(chǎn)的AT89S*系列單片機。AT89S*系列與MCS-51相比有兩大優(yōu)勢：第一，片存儲器采用閃速存儲器，使程序?qū)懭敫臃奖?；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8K8ROM、2568RAM、2個16位定時計數(shù)器、4個8位I/O接口。這些配置能夠很好地實現(xiàn)本儀器的測量和控制要求最后我們最終選擇了AT89S52這個比較常用的單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求。AT89S52部帶有8KB的程序存儲器，基本上已經(jīng)能夠滿足我們的需要。2.2 數(shù)據(jù)采集

4、部分電子秤的數(shù)據(jù)采集部分主要包括稱重傳感器、處理電路和A/D轉(zhuǎn)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(shè)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(shù),還有考慮到與其相配置的各種電路的設(shè)計的難以程度和設(shè)計性價比等等.傳感器量程的選擇可依據(jù)秤的最大稱量值、選用傳感器的個數(shù)、秤體的自重、可能產(chǎn)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

5、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(jīng)過大量的實驗而確定的。其公式如下：CK0K1K2K3(Wma*W)/N （2.1）C單個傳感器的額定量程；W秤體自重；Wma*被稱物體凈重的最大值；N秤體所采用支撐點的數(shù)量；K0保險系數(shù)，一般取值在1.21.3之間；K1沖擊系數(shù)；K2秤體的重心偏移系數(shù)；K3風(fēng)壓系數(shù)。本設(shè)計要求稱重圍05kg，重量誤差不大于0.01kg，根據(jù)傳感器量程計算公式（2.1）可知： C1.2511.031（201.9）1 (2-1)9.01205為保證電子秤稱量結(jié)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

6、量程應(yīng)根據(jù)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(yīng)控制在0.01Kg，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(jù)式2.1的計算結(jié)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(shè)計采用SP20C-G501電阻應(yīng)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(jié)構(gòu)及金屬箔式應(yīng)變計構(gòu)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

7、、溫度特性好、工作穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛用于各種結(jié)構(gòu)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(yīng)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(shù)指標準確度等級 Accuracy class C3 0.02 0.03 額定載荷Rated load kg 1、2.5、5、7.5、10、15靈敏度 Sensitivity mV/V 1.80.08 非線性 Nonlinearity %F.S. 0.02 滯后 Hysteresis 0.02 重復(fù)性 Repeatability 0.02 蠕變 Creep %F.S./30min 0.02

8、 蠕變恢復(fù) creep recovery 零點輸出 Zero balance %F.S. 1 零點溫度系數(shù) Zero temperature coefficient %F.S./100.02 額定輸出溫度系數(shù)Rated output temperature coefficient 輸入電阻 Input resistance 415445 輸出電阻 Output resistance 349355 絕緣電阻 Insulation resistance M5000 供橋電壓 Supply voltage V 12（DC/AC）溫度補償圍 Temperature pensation range -1

9、0+50 允許溫度圍 Safe temperature range -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 cable mm 3.8300接線方式 Method of connecting wire 輸入 Input（+）: Red 輸入 Input（-）:White 輸出Output（+）:Green 輸出Output（-）:Blue 屏蔽 Shield : Yellow 其測量原理：用應(yīng)變片測量時，

10、將其粘貼在彈性體上。當(dāng)彈性體受力變形時，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。由于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，輸出信號電壓可由下式給出： （2-2）2.2.2放大電路選擇稱重傳感器輸出電壓振幅圍020mV。而A/D轉(zhuǎn)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)節(jié)的要增益可調(diào)的（70150倍），根據(jù)本設(shè)計的實際情況增益設(shè)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1V。由于其具有極低的失調(diào)電壓的溫漂和時漂（1V），從而保證了放大環(huán)節(jié)對零點

11、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(yīng)變片組成的傳感器是把機械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成R/R，而應(yīng)變電阻的變化一般都很微小，例如傳感器的應(yīng)變片電阻值120，靈敏系數(shù) K=2，彈性體在額定載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?000，應(yīng)變電阻相對變化量為：R/R = K= 21000106 =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%。這樣小的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(zhuǎn)換電路，把應(yīng)變計的R/R變化轉(zhuǎn)換

12、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(zhuǎn)換成可以被A/D轉(zhuǎn)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(gòu)成前級處理電路；普通低溫漂運算放大器構(gòu)成多級放大器會引入大量噪聲。由于A/D轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，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(gòu)成差動放大器，而構(gòu)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(shè)計電路如圖2-2所示：方案（三）：采用專用儀表放大器

13、，如：INA126，INA121等構(gòu)成前級處理電路。下面舉例用INA128儀用儀表放大器來實現(xiàn)。圖2.2利用普通運放設(shè)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(shè)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(shù)的集成化儀器放大器，特別是集成化儀器放大器，它們的共模抑制比與增益相關(guān)：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，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(xué)者試圖在前置放大器的輸入端加上隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）來避免極化電壓使高增益的前置

14、放大器進入飽和狀態(tài)，但由于信號源的阻高，且兩輸入端不平衡，隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）使等共模干擾轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_，結(jié)果適得其反，嚴重地損害了放大器的性能。 為了實現(xiàn)信號的放大，設(shè)計電路如下：圖2.3 采用INA128設(shè)計的放大電路1. 前級采用運放A1和A2組成并聯(lián)型差動放大器。理論上不難證明，在運算放大器為理想的情況下，并聯(lián)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(lián)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(guān)。 2 阻容耦合電路放在由并聯(lián)型差動放大器構(gòu)成的前級放大器和由儀器放大器構(gòu)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

15、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(qū)動技術(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。 3. 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： (2-4)式中：CMRTotal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；A1d、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

16、增益。 經(jīng)過實際測量，圖2.4所示的電路采用圖中所給出的參數(shù)時，電路的共模抑制比在120dB以上。有以上分析以及基于電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(shè)計的信號放大電路。2.2.3 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇A/D轉(zhuǎn)換部分是整個設(shè)計的關(guān)鍵，這一部分處理不好，會使得整個設(shè)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-型和流水線型ADC，多種類型的ADC各有其優(yōu)缺點并能滿足不同的具體應(yīng)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(zhuǎn)換器：如ADC0808、 ADC0809等。并行比較

17、ADC是現(xiàn)今速度最快的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣速率在1GSPS以上，通常稱為閃爍式”ADC。它由電阻分壓器、比較器、緩沖器及編碼器四種分組成。這種結(jié)構(gòu)的ADC所有位的轉(zhuǎn)換同時完成，其轉(zhuǎn)換時間主取決于比較器的開關(guān)速度、編碼器的傳輸時間延遲等。缺點是：并行比較式A/D轉(zhuǎn)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(shù)字示波器等轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器：如：ADS7805、ADS7804等。逐次逼近型ADC是應(yīng)用非常廣泛的模/數(shù)轉(zhuǎn)換方法，這一類型ADC的優(yōu)點：高速，采樣速率可達 1MSPS；與其它ADC相比，功耗相當(dāng)?shù)?；在分?/p>

18、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(chǎn)生的信號在進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換之前需要進行調(diào)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(zhuǎn)換器：如：ICL7135、ICL7109、ICL1549、MC14433等。積分型ADC又稱為雙斜率或多斜率ADC，是應(yīng)用比較廣泛的一類轉(zhuǎn)換器。它的基本原理是通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時間間隔。與此同時，在此時間間隔利用計數(shù)器對時鐘脈沖進行計數(shù)，從而實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。積分型ADC兩次積分的時間都是利用同一個時鐘發(fā)生器和計數(shù)器來確定，因此所得到的表達式與時鐘頻率無關(guān)，其轉(zhuǎn)換精度只取決于參考電壓VR。

19、此外，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。若把積分器定時積分的時間取為工頻信號的整數(shù)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(wǎng)的工頻干擾。這類ADC主要應(yīng)用于低速、精密測量等領(lǐng)域，如數(shù)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(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)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，其轉(zhuǎn)換速率受到限制，12位時為100300SPS?？紤]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(zhuǎn)換速率要求也不高，而雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器精度高，具有精確的差分輸入，重要的是輸入阻抗高（大于），可自動調(diào)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(zhuǎn)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(chǎn)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(jù)系統(tǒng)的精度要求以及綜合的分析其優(yōu)點和缺點，本設(shè)計采用了12位A/D轉(zhuǎn)換器AD5742.2.4 鍵盤處理部分方案論證由于電子秤需要設(shè)置單價（十個數(shù)字鍵），還具