智能电子秤设计

1系统方案设计1.1 电子秤的组成结构1.1.1电子秤的基本结构电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。

不管根据什么原理制成的电子秤均由以下三部分组成：（1）承重、传力复位系统它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。

(2)称重传感器即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。

按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。

对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。

(3)测量显示和数据输出的载荷测量装置即处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补尝元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮器件等）。

这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。

在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。

1.1.2电子秤的工作原理当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力－电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成正比关系)的电信号(电压或电流等)。

此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数（A/D）器进行转换，数字信号再送到微处器的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各种功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。

运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示，或送打印机打印。

一般地信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。

1.2 电子秤设计的要求及基本思路1.2.1电子秤设计的要求称重范围：不超过9.999Kg测量精度：≤0.005Kg显示方式：LCD显示所称量的物品重量，同时还可显示物品的名称，数量，单价，金额和所有物品的总金额。

使用操作：键盘输入数据，操作简单方便。

特殊功能：具有去皮功能以及能将金额累加计算；当物品重量超过电子秤量程，即过载情况或者是物品重量小于A/D转换器所能转换的最小精度，即欠量程的时候，具有超重报警功能。

1.2.2电子秤设计的基本思路将电子秤大致能划分为三大部分，数据采集模块、控制器模块和人机交互界面模块。

其中数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成。

转换后的数字信号送给控制器处理，由控制器完成对该数字量的处理，驱动显示模块完成人机间的信息交换。

此外添加了一个过载、欠量报警提示的特殊功能。

图1-1（上图为本系统的设计图）1.3 单片机的选型AT89S52单片机是AT89S系列中的增强型高档机产品，它片内存储器容量是AT89S51的一倍，即片内8KB的Flash程序存储器和256B的RAM。

另外，它还增加了一个功能极强的、具有独特应用的16位定时／计数器2等多种功能。

在工程应用中AT89S52有一显著的优势：不需要烧写器，只借助PC机的并口输出和极为简单的下载电路，便可将程序通过串行方式写入单片机。

并且下载电路可设计在系统中，可以随时修改单片机的软件而不对硬件做任何改动。

由此，通过对目前主流型号的比较，我们最终选择了AT89S52通用的普通单片机来实现系统设计。

AT89S52是一种兼容MCS51微控制器，工作电压4.0V到5.5V，全静态时钟0 Hz到33 MHz，三级程序加密，32个可编程I/O口，2/3个16位定时/计数器，6/8个中断源，全双工串行通讯口，低功耗支持Idle和Power-down模式，Power down 模式支持中断唤醒,看门狗定时器，双数据指针，上电复位标志。

另外在外扩展了32K 数据存储器，以满足系统要求。

1.4 数据采集模块1.4.1传感器传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。

其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。

此外传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

称重传感器在电子秤中占有十分重要的位置，被喻为电子秤的心脏部件，它的性能好坏很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。

通常称重传感器产生的误差约占电子秤整机误差的50%~70%。

若在环境恶劣的条件下（如高低温、湿热），传感器所占的误差比例就更大，因此，在人们设计电子秤时，正确地选用称重传感器非常重要。

称重传感器的种类很多，根据工作原理来分常用的有以下几种：电阻应变式、电容式、压磁式、压电式、谐振式等。

（本设计采用的是电阻应变式）电阻应变式称重传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件：利用它将被测的重量转换为弹性体的应变值；另一个是电阻应变计：它作为传感元件将弹性体的应变，同步地转换为电阻值的变化。

电阻应变片所感受的机械应变量一般为10-6~10-2，随之而产生的电阻变化率也大约在10-6~10-2数量级之间。

这样小的电阻变化用一般测量电阻的仪表很难测出，必须采用一定形式的测量电路将微小的电阻变化率转变成电压或电流的变化，才能用二次仪表显示出来。

在电阻应变式称重传感器中通过桥式电路将电阻的变化转换为电压变化。

电阻应变式称重传感器工作原理框图如图2-1所示：载荷P 应变ε电阻变化∆R 输出电压如1-2电阻应变式称重传感器工作原理框图当传感器不受载荷时，弹性敏感元件不产生应变，粘贴在其上的应变片不发生变形，阻值不变，电桥平衡，输出电压为零；当传感器受力时，即弹性敏感元件受载荷P 时，应变片就会发生变形，阻值发生变化，电桥失去平衡，有输出电压。

图1-3桥式测量电路敏感元件 应变片 测量电桥R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻，组成了桥式测量电路，Rm 为温度补偿电阻，e 为激励电压，V 为输出电压。

若不考虑Rm ，在应变片电阻变化以前，电桥的输出电压为： V=eR R R R R R ⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+434211由于桥臂的起始电阻全等，即R1=R2=R3=R4=R ，所以V=0。

当应变片的电阻R1、R2、R3、R4变成R+△R1、R+△R2、R+△R3、R+△R4时，电桥的输出电压变为： V=e R R R R R R R R R R R R ⎪⎭⎫ ⎝⎛∆++∆+∆+-∆++∆+∆+434211 通过化简，上式则变为： V=4e ⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-∆+∆-∆R R R R R R R R 4321 也就是说，电桥输出电压的变化与各臂电阻变化率的代数和成正比。

如果四个桥臂应变片的灵敏系数相同，且R R∆=K ε，则上式又可写成： V=(4eK ε1-ε2+ε3-ε4）式中K 为应变片灵敏系数，ε为应变量。

上式表明，电桥的输出电压和四个轿臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比。

在电阻应变式称重传感器中，4个应变片分别贴在弹性梁的4个敏感部位，传感器受力作用后发生变形。

在力的作用下，R1、R3被拉伸，阻值增大，△R1、△R3正值，R2、R4被压缩，阻值减小，△R2、△R4为负值。

再加之应变片阻值变化的绝对值相同，即△R1=△R3=+△R 或ε1=ε3=+ε△R2=△R4=-△R 或ε2=ε4=-ε因此，V=4eK×4ε=e K ε。

若考虑Rm ，则电桥的输出电压变成： V=e Rm R R R R R RR R ⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛∆--∆+222 =e R R Rm R R ∆+2=Rm R R 2+K εe令SU=e V ，则SU=Rm R R2+K εSU 称为传感器系数或传感器输出灵敏度。

对于一个高精度的应变传感器来说，仅仅靠4个应变片组成桥式测量电路还是远远不够的。

由于弹性梁材料金相组织的不均匀性及热处理工艺、应变片性能及粘贴工艺、温度变化等因素的影响，传感器势必产生一定的误差。

为了减少传感器随温度变化产生的误差，提高其精度和稳定性，需要在桥路两端和桥臂中串入一些补偿元件。

如：初始不平衡值的补偿、零载输出温度补偿、输出灵敏度温度补偿等。

1.4.2前级放大器由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低而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A/D转换。

为此，测量电路中常设有模拟放大环节。

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。

放大器的输入信号一般是由传感器输出的。

传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。

因此，一般对放大器有如下一些要求：输入阻抗应远大于信号源内阻。

否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。

抗共模电压干扰能力强。

在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。

从而保证放大器输出性能稳定。

能附加一些适应特定要求的电路。

如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。

基于以上分析，我们最终决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器AD620。

AD620具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点。

其最大输入偏置电流为20nA，这一参数反映了它的高输入阻抗。

AD620在外接电阻Rg时，可实现1~1000范围内的任意增益；工作电源范围为±2.3~±18V；最大电源电流为1.3mA；最大输入失调电压为125 V；频带宽度为120kHz（在G=100时）。

AD620的内部结构如下图所示：RgV V i in in G -+-=)21)((Rg R V V in in +-=-+))(21(12-+-+-=-=in in O V V RgR U V图1-4 AD620的内部等效图AD620的接口如下图所示图1-5 AD620的接口图电路的工作原理：A1、A2工作在负反馈状态，其反向输入端的电压与同相输入端的电压相等。

即Rg 两端的电压分别为Vin+、Vin-。

因此设图（2-4）中电阻R1=R2=R ，则A1、A2两输出端的电压差U12为)(2112Rg R R i U G ++=将上式代入第一个式子得)(-+-=in in O V V V U A )21(Rg R +-=放大器的增益Av 为可见，仅需调整一个电阻Rg ，就能方便的调整放大器的增益。