基于单片机的智能电子秤设计

缺点：此电路要求R3、R4相等，误差将会影响输出精度，难度较大。实际测量，每一级运放都会引入较大噪声，对精度影响较大。
方案二：采用专用仪表放大器[12]，如：INA128，INA129等。
此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。
以INA128为例,引脚图如2-4所示：
所采用的传感器输出电压振幅范围0～10mV。而模数转换的输入电压要求为0～2V，因此放大环节至少200倍的增益，此处我们需要放大500倍。根据本设计的实际情况增列出了两种方案。
方案一：由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。
差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放(如OP07)做成一个差动放大器，其内部电路如图2-3所示。
（2-2）
本文的目的是设计一简易电子秤，最大称重约为2.5千克，重量误差不大于±0.01千克；考虑到与其相配置的各种电路的设计的难易程度和设计性价比，最终选择了CZAF-605[8]电阻应变式称重传感器，其称重规模为5kg。
2.4
压力传感器感受重力转换后输出的信号一般电平较低；经由电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行模数转换。为此，测量电路中需要模拟放大环节。这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。
AT89S51的电源脚分别为20脚Vss和40脚Vcc（图中已默认连接，未显示出来）。这两个脚分别接地和+5V直流电源，31脚EA为内外存储器的控制端，接+5V允许访问外部存储器。
传感器检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出，本设计中选用的是CZAF-605电阻应变式称重传感器，因为通过其得到的电压信号很小，为所以还需要放大器放大信号。考虑到干扰的作用，对传感器的信号进行了滤波处理，最终设计如图3-3所示。
图26 3×4矩阵式键盘图
显示部分的方案
数据显示是电子秤的一项重要功能，是人机交换的主要组成部分，它可以将测量电路测得的数据经过微处理器处理后直观的显示出来。数据显示部分可以有以下两种方案供选择：一是LED数码管显示，二是LCD液晶。LED显示每一个数码管只能显示一个数字，电子秤系统需要许多数码管，会使线路变得复杂化。LCD液晶显示器是一种极低功耗显示器，其能够多行显示，并且能够显示汉字或英文字母，应用于电子秤中能够更人性化，更容易操作。所以最终选择了两行显示的LCD1602，LCD1602的引脚图向发展,而且更需向多种功能的方向发展。据悉,目前电子秤的附加功能主要有以下几种:1.电子秤附加了处理机构计算机信息补偿装置,可以进行自诊断、自校正和多种补偿计算和处理。2.具有皮重、净重显示等特种功能。电子秤有些已具备了动物称量模式,即通过进行算术平均、积分处理和自动调零等方法,消除上述的误差。3.附加特殊的数据处理功能。目前的电子秤有附加多种计算和数据处理功能,以满足多种使用的要求。今后,随着电子高科技的飞速发展,电子秤技术的发展定将日新月异。同时,功能更加齐全的高精度、高智能的先进电子秤将会不断问世,其应用范围也会更加拓宽。
3.1
物体放在压力传感器上，传感器发生形变，阻抗就发生变化，产生一个变化的模拟信号，该信号需要有放大电路放大后输入到模数转换器，转换为数字信号后输入到微处理器处理。微处理器根据键盘命令以及程序将结果输出到显示器，直到显示结果。如下图所示3-1所示。
图3-1硬件设计的总体思路
3.2
AT89S51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，128字节RAM，32个双向I/O口线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
1.3
本文主要是设计的内容是简易电子秤，它用单片机作为处理核心，信号由压力传感器感受后经放大器放大和模数转换后输入到单片机处理，同时该电子秤具有LCD显示和键盘输入。
该电子秤具体实现的功能是能够测量一定质量内物体的质量，能够利用键盘输入价格，具有清零，可以计算总价，并能通过LCD直接显示出来，超过所测重量时能够报警。
基于单片机的智能电子秤设计
结论24
1
1.1
电子秤是日常生活中常用的称重器材，广泛应用于超市、大中型商场、物流配送中心。电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。相比传统的机械式称量工具，电子秤具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点，在外形布局、工作原理、结构和材料上都是全新的计量衡器。电子秤的设计首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。经放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控微处理器中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。
图22直流供电的平衡差动测量电桥
图中， 为供桥电源电压，当初始有 时，则电桥输出电压或电流为零，这时电桥处于平衡状态。其测量原理：用应变片测量时，将其粘贴在弹性体上。当弹性体受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。由于内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由下式给出：
方案二：PLC作为主控制器
PLC作为主控制器应用广泛，它具有接线简单，通用性好，编程简单，使用方便，可连接为控制网络系统，易于安装，便于维护，其主要应用在准确、精密、快速、稳定和多点控制的系统中，但是其价格昂贵。
本文设计的简易电子秤精度不需要很高，它需要控制器及程序被固化，并且工作环境适宜。单片机作为处理器完全能够满足要求，并且单片机价格低廉，体积小，最终我选择了市面上常见的51系列的单片机AT89S51作为主控制器。
2.3
称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类，我选择应用最广泛的电阻应变式传感器。
电阻应变式称重传感器是利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作的，根据传感器理论可知，设长为L、截面积为S、电阻率为ρ的电阻丝，已知其阻值为：
（2-1）
2
电子秤设计的整体方案是：传感器采集到因压力变化产生的电信号，但是一般这样产生的电信号很小，需要利用放大电路将其放大，放大的电信号通过模数转换器转换为数字信号后送入到微处理器中处理，微处理器处理后输出信号控制显示器显示出来。同时还需要键盘对物品单价等信息输到微处理器内部，还需要有过载报警装置。
其整体设计方案如图2-1所示：
图2-5ADC0832引脚图
2.6
键盘部分有两个可行的方案，第一是采用3×4的矩阵键盘结构的键盘接口电路，第二是采用4×4的矩阵键盘结构的键盘接口电路。
由于电子秤需要设置单价（十个数字键），还具有确认、清零等功能，总共需设置13个键（包括一个复位键），其中复位可以单独拿出来。所以我们采用3×4的矩阵键盘结构的键盘接口电路。3×4矩阵式键盘的特点是把检测线分成两组，一组为行线，一组列线，按键放在行线和列线的交叉点上。图2-6给出了一个3×4的矩阵键盘结构的键盘接口电路，图中的每一个按键都通过不同的行线和列线与主机相连这。3×4矩阵式键盘共可以安装12个键，但只需要7条测试线。
图21电子秤整体设计方案图
2.2
主控制器是电子秤的核心部分，它需要接受转换后的传感器信号，同时也能扫描接受到键盘的输入信号，计算价格后控制显示器的输出，当超过称重量量程时还要控制报警装置报警。主控制器的选择有两个如下两个方案。
方案一：单片机作为主控制器
单片机控作为主控制器其优点有：可以做成专用的控制系统，程序被固化，可靠性较高，操作简单，易于维护，并且成本低。在比较小型的控制系统中，最适合的应是单片机作为控制核心。但在大型的控制系统中，控制系统各方面性能要求很高，或者工作环境很恶劣，有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中，如果利用单片机作为控制系统，其性能会受到相应的影响。
AT89S51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。AT89S51单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。
本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，可在20pF到100pF之间取值。所以本设计中，振荡晶体选择12MHZ,电容选择22pF[11]。
图23差动放大器内部电路
电阻R1、R2电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声，C1、C2为普通小电容，可以滤除高频干扰，C3、C4为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。
优点：输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，滑动变阻器R6可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用要求。
图32 AT89C52最小系统的设计
1、复位电路
AT89S51的复位电路是由外部的复位电路来实现的。只需给复位引脚RST加上大于2个机器周期的高电平就可使其复位。复位电路通常采用上电自动复位和按键复位两种方式。本设计就是用的按键手动复位。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。
2、电源电路
图27液晶显示器LCD1602
2.8
智能仪器一般都具有报警和通讯功能，报警主要用于系统运行出错、当测量的数据超过仪表量程或者是超过用户设置的上下限时为提醒用户而设置。在本系统中，设置报警的目的就是在超出电子秤测量范围时，发出声光报警信号，提示用户，防止损坏仪器。
超限报警电路是由单片机的I/O口来控制的，当称重物体重量超过系统设计所允许的重量时，通过程序使单片机的I/O值为高电平，从而三极管导通，使蜂鸣器SPEAKER发出报警声，同时使二极管发光。