研制了一種采用節能環保太陽能電池供電和HY11P52單片機控制的節能電子秤,給出了系統設計框圖及 部分設計參數.試驗結果表明,該節能電子秤能耗小,光能轉化效率高,在家用日光燈光照明下就能實現高精 度測量,方便且環保節能.
單片機具有低成本、低功耗的突出優點,提出了單片機的電子秤設計,但是該設計 是采用化學電池供電,而且目前市場上使用的電子 秤大都采用外部供電或化學電池供電,不僅浪費能 源,而且還會給環境造成污染.基于這兩類供電方 式存在的不足,參考提出的太陽 能電子衡器的設計,采用太陽能光伏發電系統供電,設計一款新型的太陽能電子秤,并進行試 驗,以期為相關應用提供參考.
1.系統的基本結構
本太陽能電子秤系統由控制核心、LCD顯示、 太陽能供電和稱量檢測等4個模塊組成(圖1). 太陽能供電模塊由30 mm x40 mm太陽能電池板和 上電電路構成,采用間隙供電工作方式;控制核心 使用臺灣宏康單片機HY11P52控制芯片;稱量顯 示采用LCD顯示模塊,該模塊無輻射,低耗能, 散熱小;稱量檢測模塊由4個金屬應變型壓力傳感 器構成,分別與單片機的4對I/O 口連接,構成電阻橋,實現壓力的非電量轉變成電信號.
2.系統硬件設計及原理
2. 1太陽能上電電路
上電電路(圖2)是系統供電電路,為了確保 上電電路的正常工作,太陽能電池板必須能提供平 均每秒20 ~ 60 uA的電流和3. 0 ~ 3. 6 V的電壓; 當室內的光照強度為120 lx時,就能夠使太陽能電子秤進入到跑“-”待稱量狀態;三極管Q1起到屏蔽漏電電流作用,能防止漏電電流導致電路無法 進入正常狀態.采用電源管理芯片,上電電路中的 儲能大電容根據太陽能板提供的電流而定,必須采 用品質比較好的電解電容,以減小漏電電流;在光 照強度不小于120 lx的條件下,實現短路電流大于 40 uA、工作電壓大于3 V、開路電壓大于4 V.
2.2稱量檢測電路
稱量檢測電路的結構圖如圖3. 4個金屬應變 型壓力傳感器組成一個電阻橋,VDD-VSS是供電 端,S +和S-為傳感器輸出的壓力信號,經過128 倍的運算放大,輸入到控制芯片模數轉換器(An-alog to digital converter, ADC)端口.
2.3單片機控制電路和顯示電路
單片機控制電路和顯示電路(圖4),以 HY11P52為核心控制芯片,此芯片內嵌2 kHz的高 精度ADC. ACM、AVSS和DVSS分別為參考地、 模擬地和數字地,模擬地和數字地為一點連接,且 參考地與模擬地之間加瓷片電容穩定參考地;VD- DA為芯片內部低壓降穩壓器電源輸出,供給控制 芯片使用;FM24C02是儲存芯片,用來保存標定 值,AI0和AI1是應變傳感器信號輸入端,AI2是 基準電源輸入點,通過內部電壓泵產生3V的LCD 驅動電壓;COMO~COM3等用來驅動LCD; SEG2- SEG12為顯示信號線。
3.系統軟件設計及流程圖
3.1系統主程序
系統主程序流程圖如圖5.系統啟動后,進入 上電初始化,傳感器的壓力信號經過ADC后,根 據稱量質量進入待機或稱量工作狀態,當稱量質量 小于5 kg,表明沒有稱量任務,系統進入低功耗待 機狀態;大于5 kg,則表明有稱量任務,系統進入 稱量狀態,顯示稱量質量,每隔0.25 s進行ADC.
3.2上電初始化
上電初始化(圖6)實際上是檢測太陽能供電 電壓,確保太陽能供電電壓達到一定值.當檢測到 電池電壓小于3 V時,進入1 s喚醒,大于3 V時, 初始化顯示,完成上電初始化.
3.3稱量工作模式
稱量工作模式(圖7)包括稱量任務和標定質 量兩個過程.此時芯片ADC以2 kHz頻率工作, 每0.25 s對傳感器信號進行兩次轉換,每兩次 ADC取第2個數據,并與之前4次數據的滑動平 均值比較進行穩定性判斷,如果不穩定,顯示當前 的質量,進入下一個轉換過程;如果數據穩定,說 明已得到稱量質量的信息,穩定顯示3 ~ 5 s后, 進入待機模式;也能通過按鍵進入標定質量過程。
4.樣機試驗
依據上述的硬件和軟件設計原理,制成太陽能電子秤樣機(圖8),控制芯片和LCD顯示焊在一 塊板子上.在室內日光燈照射下大約2 ~ 3 min,系 統開始啟動,進入跑“-”待稱量狀態.圖9是 太陽能電子秤樣機稱量試驗示意圖,當稱量人站上 該電子秤以后,LCD顯示的數字從小到大逐漸增 加,穩定后閃爍3次,顯示最終稱量結果.得到的數據與用其他稱量方式的得到數據一致,驗證了系 統設計的正確性.
5.結論
本研究的太陽能電子秤電路簡潔實用,采用太 陽能電池板供電,不僅功耗低而且方便環保節能. 與之前的設計相比,本設計更為詳細,控 制芯片更為通用,采用其它的方法調校和改 進后,該機能實現高精度的測量,具有非常廣闊的 應用前景.