便携式电子称设计.docx
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便携式电子称设计
摘要
随着计量技术和电子技术的开展,传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰,电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。
而且随着微电子技术的应用,市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。
为了改变传统称重工具在使用上存在的问题,本文设计了一种新型便携式电子秤,论述了仪器的工作原理,介绍了仪器的电路设计与软件流程,探讨了仪器的工程设计技术。
本系统以AT89S52单片机为主控芯片,外围附以称重电路、显示电路、报警电路、键盘电路等构成智能称重系统电路板,从而实现自动称重系统的各种控制功能。
提出了便携式电子秤的硬件设计方案,详细分析了各单元的硬件电路,给出了仪器电路设计与软件流程,与相关电路原理图、流程图,可以说,此设计所完成的电子秤很大程度上满足了应用需求。
本系统主要由单片机来控制,测量物体重量局部由称重传感器与A/D转换器组成,加上显示单元,此电子秤俱备了功能多、体积小、操作简单、性能价格比高、功耗低、系统设计简单、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。
关键词:
SP20C-G501,AT89S52,称重传感器,A/D转换器,LCD显示器
Abstract
Withthemeasuringtechniqueandthedevelopmentofelectronictechnology,thetraditionalpuremechanicalsteelyard,scales,scalesandotherweighingdevicebeingeliminatedgradually,electronicweighingdeviceofelectronicscales,electronicscales,withitsaccurate,fast,convenient,intuitivedisplayandmanyotheradvantageswhichfavoredbypeople.Butwiththeapplicationofmicro-electronicstechnology,onthemarketusingthetraditionalweighingtoolalreadycouldnotsatisfypeople'srequest.
Inordertochangethetraditionalweighingtoolinuseontheexistingproblems,thispaperdesignsanewtypeportableelectronicscales,discussestheworkingprincipleoftheinstrument,introducesthecircuitdesignoftheinstrumentandthesoftwareflow,discussestheinstrumentengineeringdesigntechnology.
ThesystemisbasedontheAT89S52microcontrollerasthemasterchip,acpaniedbyweighingtheexternalcircuit,displaycircuit,alarmcircuit,keyboardcircuit,constitutetheintelligentweighingsystemcircuitboard,therebyrealizingtheautomaticweighingsystemofthevariouscontrolfunctions.Thispaperputsforwardaportableelectronicscalethehardwaredesign,adetailedanalysisoftheunit'shardwarecircuit,givestheinstrumentcircuitdesignandsoftwareflow,andtherelatedcircuitdiagram,flowchart,cansay,thisdesignpletestheelectronicscalealargeextenttomeettheapplicationrequirements.Thesystemconsistsofthesingle-chipmicroputertocontroltheweightofthemeasuringobject,inpartbytheweighingsensorandtheA/Dconverterponent,coupledwiththedisplayunit,theelectronicscalehasthemultiplefunctions,Smallvolume,simpleoperation,highpriceperformanceratio,lowpowerconsumption,thesystemdesignissimple,fast,accuratemeasurement,highdegreeofautomation.
Keywords:
SP20C-G501,AT89S52,weighingsensor,A/Dconverter,LCDdisplay
前言
称重技术自古以来就被人们所重视,作为一种计量手段,广泛应用于工农业、交通、内外贸易、生活等各个领域,与人民的生活密切相连。
电子秤是电子衡器中的一种,衡器是国家法定计量器具,是国计民生、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备,衡器产品技术水平的上下,将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。
称重装置不仅仅是提供重量数据的单体仪表,而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个重要组成局部,推进了工业生产的自动化和管理的现代化,它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以与加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。
称重装置的应用已遍与到国民经济各领域,取得了显著的经济效益。
因此,称重技术的研究和衡器工业的开展各国都非常重视。
50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的开展。
60年代初期出现机电结合式电子衡器以来,经过近50年的不断改良与完善,我国电子衡器从最初的机电结合型开展到现在的全电子型和数字智能型。
现今电子衡器制造技术与应用得到了新开展。
电子称重技术从静态称重向动态称重开展:
计量方法从模拟测量向数字测量开展;测量特点从单参数测量向多参数测量开展,特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。
电子秤是电子衡器中的一种,衡器是国家法定计量器具,是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备,衡器产品技术水平的上下,将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。
1.1电子秤的组成
1.1.1电子秤的根本结构
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局部组成:
〔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,一般包括承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、声外表谐振式〕或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。
对称重传感器的根本要求是:
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〕。
这局部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、存放、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展放大、经滤波后再由模/数〔A/D〕器进展转换,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展必要的判断、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转换以与信号各种运算处理都在仪表中完成。
1.1.3电子秤的计量性能
电子秤的计量性能涉与的主要技术指标有:
量程、分度值、分度数、准确度等级等。
〔1〕量程:
电子衡器的最大称量Max,即电子秤在正常工作情况下,所能称量的最大值。
〔2〕分度值:
电子秤的测量X围被分成假设干等份,每份值即为分度值。
用e或d来表示。
〔3〕分度数:
衡器的测量X围被分成假设干等份,总份数即为分度数用n表示。
电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积来表示,即Max=n×d
〔4〕准确度等级
国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类等级,分别对应不同准确度的电子秤和分度数n的X围,如表1-1所示:
表1-1电子秤等级分类
标志与等级
电子秤种类
分度数X围
特种准确度
基准衡器
n>100000
高准确度
精细衡器
10000 中准确度 商业衡器 1000 普通准确度 粗衡器 100 1.2设计思路 目前,台式电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍,但存在较大的局限性: 体积大、本钱高、需要工频交流电源供给、携带不便、应用场所受到制约。 现有的便携秤为杆秤或以弹簧、拉伸变形来实现计量的弹簧秤,居民用户使用的根本是杆秤。 弹簧盘秤制造工艺要求较高,弹簧的疲劳问题无法彻底解决,一旦超过弹簧弹性限度,弹簧秤就会产生很大误差,以至损坏,影响到称重的准确性和可靠性,只是一种暂时的代用品,也被列入逐渐取消的行列。 微控制器技术、传感器技术的开展和计算机技术的广泛应用,电子产品的更新速度达到了日新月异的地步。 本系统在设计过程中,除了能实现系统的根本功能外,还增加了打印和通讯功能,可以实现和其他机器或设备〔包括上位PC机和数据存储设备〕交换数据.除此之外,系统的微控制器局部选择了兼容性比拟好的AT89系列单片机,在系统更新换代的时候,只需要增加很少的硬件电路,甚至仅仅删改系统控制程序就能够实现。 另外由于实际应用当中,称可以有一定量的过载,但不能超出要求的X围,为此我们还设计了过载提示和声光报警功能。 综上所述,本课题的主要设计思路是: 利用压力传感器采集因压力变化产生的电压信号,经过电压放大电路放大,然后再经过模数转换器转换为数字信号,最后把数字信号送入单片机。 单片机经过相应的处理后,得出当前所称物品的重量与总额,然后再显示出来。 此外,还可通过键盘设定所称物品的价格。 主要技术指标为: 称量X围0~5kg;分度值0.01kg;精度等级Ⅲ级;电源DC1.5V〔一节5号电池供电〕。 这种高精度智能电子秤体积小、计量准确、携带方便,集质量称量功能与价格计算功能于一体,能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。 第二章系统方案论证与选型 按照本设计功能的要求,系统由6个局部组成: 控制器局部、测量局部、报警局部、数据显示局部、键盘局部、和电路电源局部,系统设计总体方案框图如图2-1所示。 图2-1设计思路框图 测量局部是利用称重传感器检测压力信号,得到微弱的电信号〔本设计为电压信号〕,而后经处理电路〔如滤波电路,差动放大电路,〕处理后,送A/D转换器,将模拟量转化为数字量输出。 控制器局部承受来自A/D转换器输出的数字信号,经过复杂的运算,将数字信号转换为物体的实际重量信号,并将其存储到存储单元中。 控制器还可以通过对扩展I/O的控制,对键盘进展扫描,而后通过键盘散转程序,对整个系统进展控制。 数据显示局部根据需要实现显示功能。 2.1控制器局部 本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器,而且以单片机为主控制器的设计,可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起,组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统〞。 这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以与功能的多样化方面,都取得了巨大的进展。 再那么由于系统没有其它高标准的要求,又考虑到本设计中程序局部比拟大,根据总体方案设计的分析,设计这样一个简单的的系统,可以选用带EPROM的单片机,由于应用程序不大,应用程序直接存储在片内,不用在外部扩展存储器,这样电路也可简化。 INTEL公司的8051和8751都可使用,在这里选用ATMENL生产的AT89S##系列单片机。 AT89S##系列与MCS-51相比有两大优势: 第一,片内存储器采用闪速存储器,使程序写入更加方便;第二,提供了更小尺寸的芯片,使整个硬件电路体积更小。 此外价格低廉、性能比拟稳定的MCPU,具有8K×8ROM、256×8RAM、2个16位定时计数器、4个8位I/O接口。 这些配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求。 我们最终选择了AT89S52这个比拟常用的单片机来实现系统的功能要求。 AT89S52内部带有8KB的程序存储器,根本上已经能够满足我们的需要。 2.2数据采集局部 电子秤的数据采集局部主要包括称重传感器、处理电路和A/D转换电路,因此对于这局部的论证主要分三方面。 2.2.1传感器的选择 在设计中,传感器是一个十分重要的元件,因此对传感器的选择也显的特别的重要,不仅要注意其量程和参数,还有考虑到与其相配置的各种电路的设计的难以程度和设计性价比等等。 传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载与动载等因素综合评价来确定。 一般来说,传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷,其称量的准确度就越高。 但在实际使用时,由于加在传感器上的载荷除被称物体外,还存在秤体自重、皮重、偏载与振动冲击等载荷,因此选用传感器量程时,要考虑诸多方面的因素,保证传感器的安全和寿命。 传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素后,经过大量的实验而确定的。 其公式如下公式2-1: C=K0×K1×K2×K3×(Wmax+W)/N(2-1) C—单个传感器的额定量程;W—秤体自重;Wmax—被称物体净重的最大值;N—秤体所采用支撑点的数量;K0—保险系数,一般取值在1.2~1.3之间;K1—冲击系数;K2—秤体的重心偏移系数;K3—风压系数。 本设计要求称重X围0~5kg,重量误差不大于0.01kg,根据传感器量程计算公式〔2.1〕可知: C=1.25×1×1.03×1×〔20+1.9〕/1(2-2) =9.01205 为保证电子秤称量结果的准确度,克制传感器在低量程段线性度差的缺点。 传感器的量程应根据皮带秤的最大流量来选择。 在实际工作中,要求称重传感器的有效量程在20%~80%之间,线性好,精度高。 重量误差应控制在±0.01Kg,又考虑到秤台自重、振动和冲击分量,还要防止超重损坏传感器,根据式2-1的计算结果,所以我们确定传感器的额定载荷为7.5Kg,允许过载为150%F.S,精度为0.05%,最大量程时误差 0.01kg,表2-1即为压力传感器主要技术指标。 综合考虑,本设计采用SP20C-G501电阻应变式传感器,其最大量程为7.5Kg.称重传感器由组合式S型梁结构与金属箔式应变计构成,具有过载保护装置。 由于惠斯登电桥具诸如抑制温度变化的影响,抑制干扰,补偿方便等优点,所以该传感器测量精度高、温度特性好、工作稳定等优点,广泛用于各种结构的动、静态测量与各种电子秤的一次仪表。 该称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成,其工作原理如图2-2所示: 图2-2称重传感器原理图 表2-1压力传感器主要技术指标 准确度等级Accuracyclass C30.020.03 额定载荷Ratedload kg 1、2.5、5、7.5、10、15 灵敏度Sensitivity mV/V 1.8±0.08 非线性Nonlinearity %F.S. ±0.02 滞后Hysteresis 0.02 重复性Repeatability 0.02 蠕变Creep %F.S./30min ±0.02 蠕变恢复creeprecovery 零点输出Zerobalance %F.S. ±1 零点温度系数Zerotemperaturecoefficient %F.S./10℃ ±0.02 额定输出温度系数Ratedoutputtemperaturecoefficient 输入电阻Inputresistance Ω 415~445 输出电阻Outputresistance Ω 349~355 绝缘电阻Insulationresistance MΩ ≥5000 供桥电压Supplyvoltage V 12〔DC/AC〕 温度补偿X围Temperaturepensationrange ℃ -10~+50 允许温度X围Safetemperaturerange ℃ -20~+60 允许过负荷Safeoverload %F.S. 120 极限过负荷Ultimateoverload %F.S. 200 四角误差Fourcornererror %F.S. 0.03 连接电缆Connectcable mm Φ3.8×300 接线方式Methodofconnectingwire 输入Input〔+〕: Red输入Input〔-〕: White 输出Output〔+〕: Green输出Output〔-〕: Blue 屏蔽Shield: Yellow 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: 〔2-2〕 2.2.2放大电路选择 称重传感器输出电压振幅X围0~20mV。 而A/D转换的输入电压要求为0~2V,因此放大环节要有100倍左右的增益。 对放大环节的要求是增益可调的〔70~150倍〕,根据本设计的实际情况增益设为100倍即可,零点和增益的温度漂移和时间漂移极小。 按照输入电压20mV,分辨率20000码的情况,漂移要小于1µV。 由于其具有极低的失调电压的温漂和时漂〔±1µV〕,从而保证了放大环节对零点漂移的要求。 剩余的一点漂移依靠软件的自动零点跟踪来彻底解决。 稳定的增益量可以保证其负反应回路的稳定性,并且最好选用高阻值的电阻和多圈电位器。 由2.2.1中称重传感器的称量原理可知,电阻应变片组成的传感器是把机械应变转换成ΔR/R,而应变电阻的变化一般都很微小,例如传感器的应变片电阻值120Ω,灵敏系数K=2,弹性体在额定载荷作用下产生的应变为1000ε,应变电阻相对变化量为: ΔR/R=K×ε=2×1000×10-6=0.002〔2-3〕 由式2-3可以看出电阻变化只有0.24Ω,其电阻变化率只有0.2%。 这样小的电阻变化既难以直接准确测量,又不便直接处理。 因此,必须采用转换电路,把应变计的ΔR/R变化转换成电压或电流变化,但是这个电压或电流信号很小,需要增加增益放大电路来把这个电压或电流信号转换成可以被A/D转换芯片接收的信号。 在前级处理电路局部,我们考虑可以采用以下几种方案: 方案一、利用普通低温漂运算放大器构成前级处理电路;普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。 由于A/D转换器需要很高的精度,所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。 所以,此种方案不宜采用。 方案二、主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器,而构成的前级处理电路;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。 其设计电路如图2-3所示: 方案三: 采用专用仪表放大器,如: INA126,INA121等构成前级处理电路。 下面举例用INA128仪用仪表放大器来实现。 图2-3利用普通运放设计的差动放大器 一般说来,集成化仪用放大器具有很高的共模抑制比和输入阻抗,因而在传统的电路设计中都是把集成化仪器放大器作为前置放大器。 然而,绝大多数的集成化仪器放大器,特别是集成化仪器放大器,它们的共模抑制比与增益相关: 增益越高,共模抑制比越大。 而集成化仪器放大器作为心电前置放大器时,由于极化电压的存在,前置放大器的增益只能在几十倍以内,这就使得集成化仪器放大器作为前置放大器时的共模抑制比不可能很高。 有学者试图在前置放大器的输入端加上隔直电容〔高通网络〕来防止极化电压使高增益的前置放大器进入饱和状态,但由于信号源的内阻高,且两输入端不平衡,隔直电容〔高通网络〕使等共模干扰转变为差模干扰,结果适得其反,严重地损害了放大器的性能。 为了实现信号的放大,设计电路图如图2-4所示: 图2-4采用INA128设计的放大电路 〔1〕前级采用运放A1和A2组成并联型差动放大器。 理论上不难证明,在运算放大器为理想的情况下,并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大,共模抑制比也为无穷大。 更值得一提的是,在理论上并联型差动放大器的共模抑制比与电路的外围电阻的精度和阻值无关。 〔2〕阻容耦合电路放在由并联型差动放大器构成的前级放大器和由仪器放大器构成的后级放大器之间,这样可为后级仪器放大器提高增益,进而提高电路的共模抑制比提供了条件。 同时,由于前置放大器的输出阻抗很低,同时又采用共模驱动技术,防止了阻容耦合电路中的阻、容元件参数不对称〔匹配〕导致的共模干扰转换成差模干扰的情况发生。 〔3〕后级电路采用廉价的仪器放大器,将双端信号转换为单端信号输出。 由于阻容耦合电路的隔直作用,后级的仪器放大器可以做到很高的增益,进而得到很高的共模抑制比。 从理论上计算整个电路的共模抑制比为: (2-4) 式中: CMRTotal或CMRRTotal-放大器的总共模抑制比;CMR1-第一级放大器的共模抑制比;CMR2或CMRR2-第二级放大器的共模抑制比;A1d、A1c、A2d和A2c-分别为第一级放大器和第二级放大器的差模增益和共模增益。 经过实际测量,图2-4所示的电路
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