精密电子秤的设计解析

　　从数据采集、数据放大、数据转换、数据处理及显示五个部分，详述电子秤系统的基本原理及设计方案。

　　1.引言

　　称重计量是人类社会活动中*的部分，随着交流的发展，称重计量的间的统一显得越来 越重要。电子称重技术是现代称重计量和控制系统工程的重要基础之一。近年来，随着现代科技进步，电子 称重技术取得了突飞猛进的发展，电子秤在计量域中也占有越来越重要的地位。尤其是商用电子衡器，以 其准确度高、反应灵敏、性能稳定、结构简单，环境适应性强，便于与电子计算机结合而实现称重计量与过 程控制自动化等特点，而被广泛用于工商贸易、能源交通、冶金矿山、轻工食品、医药卫生、航空航天等 域。目前，我国政府规定将逐步取消机械秤，推广使用电子秤，这更加促使我们加深这方面的研究。

　　与传统杠杆式机械秤相比，传感器式电子秤具有响应速度快、结构简单、体积小和重量轻等优点。此外， 由于它没有复杂的多联杠杆系统、支撑刀和刀承等结构，所以还具有稳定性和可靠性好、机械磨损小、寿命 长和维修方便等特点。尤其是不少称重传感器的密封性能好，从而可以在机械秤或机电结合秤无法胜任的工 作现场或恶劣环境下工作。

　　2.系统设计方案

　　电子秤是一种利用力一电变化原理将非电量的重量转换为电量并加以显示的称量设备，也就是一种装有 电子装置的衡器。一台电子秤，实际上就是一个数据采集系统。当重物放到衡器上时，压力传感器输出响 应的模拟电压信号，通过放大电路将输出信号放大，而后送入A/D转换器进行模数转换(A/D转换)，再将 转换后的数字量D送给单片机，单片机接收数据后，对数据进行处理，将其转换成为质量信息W显示出来。 其原理框图如图1所示。

　　由上图可知，本设计从原理上看包括数据采集、数据放大、数据转换、数据处理及显示四个部分。

　　2. 1数据采集

　　本设计选用的是高精度的桥式压力传感器——YZC单点式称重传感器。其量程为5kg，精度为0.01%，满 量程时误差为0.0002kg。此称重传感器属于力敏感传感器的范畴，通常采用金属电阻应变片作为检测力的一 种变换器件。它的基本原理是将应变片安装在受力的变形体上，将变形体产生的变形由应变片变换为电量， 电量的大小在变形体结构类型和材料确定的前提下，仅与材料受力的大小有关，从而实现力和电量之间的转 换。右图为四片金属电阻应变片构成的惠更斯电桥电路，它将应变引起的电阻变化变换成电压变化。由电桥 电路原理，推导出应变片电压输出e。的大小是与外界所加电压五、应变片系数及应变量大小e成正比的，即e0 = Ek0e11。直接测量当重物放到衡器上时，传感器输出响应的模拟电压信号。三次测量重量从0g到4000g变化的60组物体，用数据采集结果作传感器输出电压信号与重量关系曲线如图3所示。其中，蓝色曲线以第 一次测量结果为纵坐标，红色曲线以第二次测量结果为纵坐标，绿色曲线以第三次测量结果为纵坐标。

　　很明显，三次测量结果都表明传感器输出电压信号与重量基本成线性关系，作一拟合直线一黑色直 线，得到传感器输出电压信号与重量关系拟合直线参数表，见表1。由表1可知，传感器输出电压信号F(mV) 与重量妒(g)的关系可以表达为V=-0.120 11+0.004 92W。

　　2. 2数据放大

　　由于传感器输出的模拟信号比较微弱，因此必须通过一个模拟放大电路对其进行放大，才能满足A/D转 换器对输入信号电平的要求。本设计米用运算放大器NE5534对传感器输出的电压信号进行放大。由于传感器 的输出电压信号范围为0〜30mV，而A/D转换器输入电压变化范围是-2V〜+2V，故放大倍数设定为100倍。 NE5534接成100倍的放大电路后，还需接上调零电路和滤波电路。

　　同样三次测量重量从0g到4000g变化的60组物体放到衡器上时，传感器输出响应的模拟电压信号经运算 放大电路放大后的电压信号，数据基本也成线性变化。这是由于NE5534是线性器件，线性应用后，放大器输 出电压信号F(V)与重量W(g)仍呈线性关系，其关系表达式为F =-0.012 011+0.000 492W。

　　2.3数据转换

　　本设计有较严格的精度要求，故所使用A/D转换器需要很高的精度。由传感器量程和精度的分析可知， 需选用14位的A/D转换器。本设计的电子秤系统，对于A/D转换器转换速度要求并不高，但要求其具有较 强的抗*力，故采用双积分型A/D转换器ICL7135，从而大大降低对滤波电路的要求。

　　2.4数据处理及显示

　　2. 4. 1硬件部分

　　重物经过传感器得出的模拟电压信号经过A/D转换后得到数字量D并不是重物的实际重量值W，W需要 由数字量D在显示器内部经过一系列的运算一数据处理才能得到。这一系列的运算是由装在电子秤中的微 型计算机来完成的;不仅如此，电子秤的整个工作过程也都是在微型计算机的控制下有条不紊地进行。而 近年来，随着大规模集成电路的飞速发展，单片机更加广泛的应用在各种智能化仪表中。在电子秤中使用 单片机可使电子秤的性能提高，成本降低，具有明显的优越性。因此选用了单片机AT89C52作为微处理机部 分的主控器件。

　　本设计的目的是通过一系列器件把质量信息W显示出来，其中包括重量数值和单位，LED数码管和LCD液 晶显示器都符合要求。但LED需要占用单片机大量I/O口，限制了扩展功能。而使用LCD的串行模式只需要占用单片机的两个I/O口，且显示位数多，并能显示汉字，尤为方便。zui选用了ST7920 LCD作为显示器件，并使用其串行工作模式，使得其与单片机的接口电路十分简单。

　　2.4.2软件部分

　　软件设计的流程图如图4所示。

　　数据处理部分主要是实现把从A/D转换器出来的数字量D转换成为质量信息WdA/D转换器所选取的时 钟频率值为125kHz，故一个转换周期为1/125kHz=8us，由A/D转换器的性能可知，它是隔200个周期扫描 一位的，利用这个特点，就可以只检测万位信号，然后隔200个周期就自动扫描到千位信号，依此类推，而 不需每个位信号都作检测。为了防止开始时信号的不稳定，在每位信号的第100个周期处读出其值，即第100 个周期处读万位、第300个周期处读千位、第500个周期处读百位、第700个周期处读十位、第900个周期处读个位。读取各位后就可进 行数据处理。所以定时器定时为8usX200/2=800us。

　　数据处理包括以下几个步骤：

　　①在读取位数值后，计算数值D。

　　D=B5X10 000+B4X1 000+B3X100+B2X10+B1。

　　②把数值D转换成电压W_v。

　　w_v=DXC。其中C为A/D转换器的转换精度：C=1V/214=0.000 061。

　　③把w_v转换成重量W。

　　由于放大器输出电压信号w_v(v)与重量W(g)的关系表达为 w_v=-0.012011+0.000 492W=b+kXW,故W=(w_v-b)/k。

　　数据显示在编程中主要体现为LCD显示程序，主要包括初始化、写 命令、写数据等模块。本设计欲显示“物体重量：XX.XXX Kg”字样， 包括文字、重量数值和单位的显示。其中文字(物体重量：)、小数点 (.)和单位(Kg)都以字符形式定义并显示，而重量数值用上面处理 得出的重量灰取各位得出。

　　3.电子秤的发展前景与趋势

　　本设计的电子秤只是一个单一的称重装置，但它有很大的发展空间，它能发展成为一个集称重计量、自 动控制和信息处理等部分组成的综合性称重系统。近年来，我国的衡器行业的发展已取得了较好的成绩，但 电子秤的研究与应用，电子衡器行业的总体水平还跟不上经济的发展步伐。因此，中国衡器协会提出“到 2010年，电子衡器和称重传感器生产厂家的技术装备和检测试验手段要基本达到当代水平”。就产品的 品种、技术水平和质量而言，目前动态电子轨道衡、电子汽车衡、电子地上衡、电子皮带秤、电子计价秤、 中小容量的电子吊秤等，基本达到了同类产品的水平。但自动衡器中的电子定量包装称、非连续和连续 称量自动称、重量检验称、重量分选称等，还与水平有一定差距。

　　根据国内外市场的需求，目前电子秤的总发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化;其速度趋势是 速度高、准确度高、稳定性高、可靠性高;其功能趋势是趋向于综合性和组合性。