基于电阻应变片式传感器的电子秤设计

2014-03-07王来志王小平

物联网技术 2014年2期

关键词：电子秤单片机传感器

王来志+王小平

摘要：给出了采用AT89S52单片机作为微控制器，结合电阻应变片式传感器、A/D转换器、键盘/开关、LCD显示器、报警电路等部分设计的一种智能自动称量电子秤的实现方法。本电子称具有体积小、成本低、精确度和可靠性高等特点。

关键词：传感器；单片机；AT89S52；电子秤

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）02-0058-03

0 引言

称重装置目前已经普遍应用到国民经济的各个领域，并且对称重仪表的要求也越来越高，例如仪表要求具有更高的抗干扰能力和更高的精度[1]，早期电子秤一般是通过模拟电路来实现的，随着电子技术的发展和数字芯片价格的逐渐降低，模拟控制已经慢慢被数字控制替代，而电子秤设计的模式也大多转变为以处理器为核心的模式，其精度与可靠性也都有明显的提高[2]。

本文以电阻式应变片传感器为信号采集单元、AT98S52单片机为控制，设计一款重量轻、计量准确、读数直观、价格低廉的便携式智能电子秤系统。

1 智能电子秤的基本组成单元

电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数或特征。其基本组成单元主要有以下三个：

（1）称重、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，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结构等。

（2）称重传感器：即非电量转换成电量的转换元件，对其要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，有良好的线性度，有较高的灵敏度，对被称物体的状态影响小，能在较差工作条件下工作，稳定性好。

（3）测量显示和数据输出的载荷测量装置：测量显示和数据输出的载荷测量装置主要包括处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、补偿元件、调节器等）和指示部件。

2 智能电子秤设计方案

2.1 系统总体设计

本系统主要由控制、测量、报警、数据显示、键盘和电源等6个部分组成，其设计框图如图1所示。

图1 系统设计框图

2.2 智能电子秤工作原理

测量部分是利用电阻应变片式称重传感器测量压力信号，当被称物体放置在秤体的秤台上时，应变片发生形变，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（线性关系）的模拟电信号（电流或电压）。此电信号一般比较微弱，经过放大电路放大、滤波后再由模数（A/D）转换成为数字信号，再送入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，将数字信号转换为物体的实际重量信号。运算结果送到内存，需要显示时，CPU发出命令，从内存中读出送到显示器显示，或送到打印机打印。

3 硬件电路设计

3.1 控制部分电路

控制部分选用内部带有8 KB的AT89S52单片机，其电路框图如图2所示。

3.2 传感器电路

数据采集部分包括称重传感器、处理电路和A/D转换电路。传感器选用具有过载保护的SP20C-G501，内部惠斯顿电桥具有抑制温度变化的影响、抑制干扰等优点。称重传感器工作原理图如图3所示，其输出信号电压为：

图2 控制电路框图图3 称重传感器原理图

3.3 放大电路

传感器输出电压范围为0～20 mV。而A/D转换的输入电压要求0～20 mV，因此放大环节要有100倍左右的增益。采用INA128放大器设计的电路如图4所示。

图4 基于INA128放大器的放大电路

图4的放大电路中，前级采用运放A1和A2组成并联型差动放大器。阻容耦合电路放在前级放大器和后级放大器之间，这样可以为后级放大器提高增益，进而提高电路的共模抑制比。同时，由于前置放大器的输出阻抗很低，又采用共模抑制技术，避免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。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，后级放大器可以做到很高的增益，进而得到很高的共模抑制比。

3.4 A/D转换和键盘电路

本设计采用精度高、价格低廉、功耗较低的12位A/D转换器AD754来设计A/D转换。

由于电子秤需要设置单价（10个数字键），还具有确认、删除等功能，包括复位键公17个。16个按键采用4×4矩阵式键盘，图5所示是其电路图，其中复位键使用独立式按键实现。

3.5 显示和数据输出载荷测量装置设计

系统采用LCD液晶显示来设计。当称重物体重量超过系统设计所允许的重量时，通过程序使单片机I/O值为高电平，三极管导通，使蜂鸣器发出报警声，同时报警灯D1发光。其报警电路如图6所示。

图5 4×4矩阵式键盘电路图图6 报警电路

3.6 电源电路设计

由于传感器需要+12 V的电源，而系统其他芯片使用+5V电源，因此，本设计采用的电源电路如图7所示。

220 V交流电经过变压器后输出15 V交流电压，经整流电路变直流，通过LM7812和LM7905进行DC/DC变换得到+12 V和+5 V电压。变压器原边加入熔断保护装置和MFC网络，使得系统获得的电压更稳定，且电路短路时，熔断装置迅速切断电源，保护其他电路元件不被损坏。

4 系统软件设计

软件系统设计的基本思想是充分利用单片机控制的优势，实现称重过程的一系列要求，提高系统的可靠性[3]。系统软件由6个模块构成，分别是主程序模块、A/D转换模块、数制转换模块、键盘扫描控制模块、显示模块和报警模块。其中主程序模块主要完成芯片初始化及按需要调用子程序；A/D转换模块主要完成在系统开始运行时，把传感器传递过来的模拟信号转换成数字信号并传递到单片机所涉及到的程序设计；数制转换模块主要完成数制的转换；键盘扫描控制模块主要是判断按键编码，然后根据编码将键盘代表的数值送到相应的存储单元，再进行功能选择或数据处理。显示模块主要判断是否需要显示，以及如何去显示。报警模块主要是比较设定值与实时显示值，设定值比较小时，则将P1.0置1，将二极管点亮，蜂鸣器发出报警声音。

5 结语

基于电阻应变片式电子秤集微处理技术、传感器技术和数字显示技术等于一体，灵活性好、准确度高、使用简单方便。本设计来源于学生实训制作，因此是很好的教学案例，并且稍加扩展，就能够具有更广泛的推广和应用价值。

参考文献

[1] 任治斌. MCS51单片机在电子皮带自动化中的应用[J]. 现代电子技术，2005，28（14）：73-74.

[2] 陈安. PIC单片机在超市收银台自动传送带中的应用[J]. 工业控制计算机，2004，17（8）：43-44 .

[3] 冯秀彦.基于单片机的智能电子秤的设计与实现[J].计算机光盘软件与应用，2012（9）：136.

[4] 王峰. 基于单片机控制的电子秤的设计[J].科技创新与应用，2013（15）：26.

[5] 章蔚中，王颖. 基于LabVIEW的智能电子秤设计[J]. 南昌工程学院学报，2007（6）：70-72.

Design of electronic scales based resistance strain gauge sensor

WANG Lai-zhi， WANG Xiao-ping

（Chongqing City Management College， Chongqing 401331， China）

Abstract： An intelligent automatic weighing electronic scale is provided which uses AT89S52 as microcontroller， combines with resistance strain gauge sensor， A/D converter， keyboard/switches， LCD displayer， alarm circuit and so on. The electronic scale has the features of small size， low cost， high accuracy and high reliability.

Keywords： Sensor； MCU； AT89S52； electronic scale