質量是測量領域中的一個重要參數,常規的測試儀器儀表和控制裝置被更先進的智能儀器所取代,使得傳統的電子測量儀 器在遠距離、功能、精度及自動化水平等方面發生了巨大變化。作為重量測量儀器,智能電子秤在各行各業開始顯現其測量準確,測 量速度快,易于實時測量和監控的巨大優點,并開始逐漸取代傳統塑的機械杠桿測量秤,成為測量領域的主流產品。本文設計的電子秤以單片機為主要部件,用C語言進行軟件設計,硬件則以應變片式電阻傳感器為主,測量0?3kg質量的物品,并有閾值報警的功 能。稱重傳感器輸出的電量是模擬量,數值比較小達不到A/D轉換接收的電壓范圍,所以送A/D轉換之前要對其進行前端放大、整 形濾波等處理。然后,A/D轉換的結果才能送單片機進行數據處理并顯示。其數據顯示部分采用LED顯示,成本低且能很好地實現 所要求的功能。
一、主要任務
該文中稱重是最基本功能,實現重量的測量,并在數字顯示部分 顯示測量的重量。超重報警功能是,如果所稱物品重量超過電子秤的 量程,也就是3kg,則揚聲器發出蜂鳴聲。
二、方案論證
1、主控電路的設計
ATB9S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位單片機,片內含8KB ISP (In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲 器、該器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術制造、兼容標準 MCS-51指令系統及80C51引腳結構。片內集成了通用的8位CPU和 ISP Flash為存儲單元,可為眾多嵌人式控制應用系統提供高靈活、高性 價比的解決方案。智能數字芯片邏輯功能測試儀的核心部件采用單片 機進行控制,程序燒寫進單片機后,與簡單的外圍電路配合即可達到使 用者的要求,并且,功能若要增加,改寫程序即可,無須更改硬件。
電子秤的主控電路由AT89S52和晶振以及復位開關組成,晶振的 作用是啟動單片機AT89S52,復位開關在變換稱重物體時使用,每變換 一次稱重的物體就要按下一次復位開關,使單片機復位清零,重新開始 稱重。程序寫在單片機中,控制整個電路工作。
2、稱重功能
方案一:采用電容傳感器進行稱重。電容傳感器具有結構簡單、靈 敏度高、動態特性好、無接觸測量、分辨力強、適應性強和抗干擾力強等 優點,最大特點是價格便宜,但它的主要缺點是電容量一般很小,僅幾 十至幾百皮法,甚至只有幾個皮法,環境變化將影響電容量發生變化, 因而應用受到一定程度的限制。在電子稱重技術的應用中,可將電子 線路緊靠傳感器的極板以減小電纜分布電容的影響,利用微處理技術 對電容式傳感器的溫度特性和非線性特性進行補償。電容值的直接測 量非常困難,因此,系統將不易測量的電容變化量轉換成易于測量的頻 率信號的變化量,實現較為困難,因此不選此方案。
方案二 :采用應變片式電阻傳感器進行稱重。電阻應變片是一種 將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式 應變傳感器的主要組成部分之一。電阻應變片應用最多的是金屬電阻 應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬 箱狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產 生力學應變基體上,當基體受力發生應力變化時,電阻應變片也一起產 生形變,使應變片的阻值發生改變,從而使加在電阻上的電壓發生變 化。這種應變片在受力時產生的阻值變化通常較小,一般這種應變片 都組成應變電橋,并通過后續的儀表放大器進行放大,再傳輸給處理電 路(通常是A/D轉換和CPU)顯示或執行機構。此方案較容易實現,最 終選擇此苧案
3、顯示功能
方案一:使用液晶顯示,如果我們只需要顯示數字可以選擇字符型 液晶,但是液晶在控制方面比較復雜,規格繁多、接口方面不易選擇,價 格比較昂貴。所以此課題沒有選擇該方案。
方案二:使用數碼管顯示,因為我們只需要顯示數字且沒有什么特 殊的要求。基于數碼管的價格便宜,使用方便,易于控制等特點所以采 用了該方案。
4、前級放大功能
壓力傳感器輸出的電壓信號為毫伏級,所以對運算放大器要求很 高。我們考慮可以采用以下幾種方案可以采用:
方案一:利用普通低溫漂移運算放大器構成多級放大器。
普通低溫漂移運算放大器構成多級放大器會引人大量噪聲。由于 A/D轉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:由高精度低漂移運算放大器構成差動放大器。
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。
電阻R1、R2電容C1、C2、C3、C4用于濾除前級的噪聲,C1、C2為普 通小電容,可以濾除高頻干擾,C3、C4為大的電解電容,主要用于濾除 低頻噪聲。
優點:輸入級加入射隨放大器,增大了輸入阻抗,中間級為差動放 大電路,滑動變阻器R6可以調節輸出零點,最后一級可以用于微調放 大倍數,使輸出滿足滿量程要求。輸出級為反向放大器,所以輸出電阻 不是很大,比較符合應用要求。
缺點:此電路要求R3、R4相等,誤差將會影響輸出精度,難度較 大。實際測量,每一級運放都會引人較大噪聲。對精度影響較大。
方案三:采用專用儀表放大器,如:INA126,INA121等。
此類芯片內部采用差動輸入,共模抑制比高,差模輸入阻抗大,增 益高,精度也非常好,且外部接口簡單。
以IN A126為例,接口如圖3所示。
放大器增益.通過改變Rg的大小來改變放大器的 kg
增益。
基于以上分析,我們決定采用制作方便而且精度很好的專用儀表 放大器INA126。
基于單片機的電子秤的方案設計是源于我們生活中的一個課題, 該課題所實現的功能及性能已經廣泛的運用于生活和生產實際中,隨 著電子設計自動化技術的進展,由于電子秤精度高,易操作,電子秤的 應用將會越來越廣泛,最后將完全取代桿秤等非電子秤。電子秤也將 向精度更高的方向發展,適應不同的需要,它可以發展為更加簡便易攜 帶的家庭用手提電子秤,工業電子秤也會向著量程越來越大,且價格相對降低的方向發展,為人們的生產和生活提供更多的便利。