基于單片機實現(xiàn)高精度電子秤的設(shè)計

摘要稱重技術(shù)是人類生活中不可缺少的局部，自古以來就被人們所重視。作為一種計量手段，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、貿(mào)易等各個領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代文明和科學(xué)技術(shù)的不斷進步，人們對稱重技術(shù)的準(zhǔn)確度要求也越來越高，電子秤產(chǎn)品技術(shù)水平的上下，直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會經(jīng)濟效益的提高。近年來，電子稱重技術(shù)取得了突飛猛進的開展，電子秤在稱重計量領(lǐng)域中也占有越來越重要的地位，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地擴大。尤其是商用電子秤，由于其具有準(zhǔn)確度高、反響靈敏、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工商貿(mào)易、輕工食品、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域。目前，機械秤正在逐步被電子秤取代，這就促使電子秤的研究需要進一步的深入。本設(shè)計是以AT89S51為核心的一種高精度電子秤，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計法，其硬件結(jié)構(gòu)主要包括：數(shù)據(jù)采集模塊、最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、鍵盤和顯示模塊。其中，數(shù)據(jù)采集模塊包括稱重傳感器和A/D轉(zhuǎn)換電路；最小系統(tǒng)局部主要包括AT89S51和擴展的外部數(shù)據(jù)存儲器；鍵盤由4×4位矩陣鍵盤組成；顯示局部LM4229液晶顯示。軟件局部由C語言編程，實現(xiàn)對各局部的控制。該電子秤可以能夠顯示商品的名稱、價格、總量、總價等；能夠自動完成商品的價格計算；能夠儲存幾種簡單商品的價格；能夠具有超重提醒功能。其稱重范圍為0～5Kg，分度值為0.001g。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。關(guān)鍵詞：電子秤；AT89S51單片機；稱重傳感器；A/D轉(zhuǎn)換電路；液晶顯示AbstractWeighingtechnologyisindispensabletohumanlife,sincetheancienttimesattention.Asameasurementmethod,havebeenwidelyappliedinindustry,agriculture,tradeandotherfields.Alongwiththedevelopmentofmoderncivilizationandprogressofscienceandtechnology,theaccuracyofweighingtechnologyrequirementsareincreasinglyhigh,electronicproducts,technologylevel,directlyinfluencesthelevelofmodernizationandprofessionstoimprovetheeconomicbenefitsofthesociety.Inrecentyears,theelectronicweighingtechnologyachievedrapiddevelopment,electronicweighinginthemetrologyareaalsoplaysmoreandmoreimportantposition,anditsapplicationsareconstantlyexpanding.Especially,becauseofitscommercialelectronicwithhighaccuracy,senstivereaction,simplestructure,etc,havebeenwidelyappliedinindustryandcommercetrade,lightfood,medicineandhealth,etc.Atpresent,mechanicalscalesaregraduallyreplacedbyelectronic,thishasledtothefurtherstudyofelectronic.ThisdesignbasedonAT89S51atthecoreofahigh-precisionelectronicsystems,modulardesignmethodanditshardwarestructuremainlyinclude:thedataacquisitionmodule,thesmallestsystemmodule,powermodule,thekeyboardanddisplaymodule.Amongthem,thedataacquisitionmoduleincludingweighingtransducerandA/Dcircuit,TheminimumsystempartsincludingAT89S51andextensionofexternaldatastorage,Keyboard4X4byamatrixofthekeyboard,LM4229LCDdisplaysection.SoftwareconsistsoftheCprogramminglanguage,realizethecontrolofeachpart.Theelectroniccancanshowthenameoftheproduct,price,quantityandprice;etc.Canbefinishedgoodsprices.Tobeabletostoresomesimplecommodityprices,Toremindfunctionwithoverweight.Theweighing5Kg,rangeofindexingvaluefor0.001gKeywords:electronic,AT89S51,weighingtransducer,A/Dcircuit,LCDdisplay緒論選題的背景與意義選題的背景〔1〕電子技術(shù)滲入衡器制造業(yè)隨著第二次世界大戰(zhàn)后的經(jīng)濟繁榮，為了把稱重技術(shù)引入生產(chǎn)工藝過程中去，對稱重技術(shù)提出了新的要求，希望稱重過程自動化，為此電子技術(shù)不斷滲入衡器制造業(yè)。在1954年使用了帶新式打印機的傾斜杠桿式秤，其輸出信號能控制商用結(jié)算器，并且用電磁鐵機構(gòu)與代替人工操作的按鍵與辦公機器聯(lián)用。在1960年開發(fā)出了與衡器相聯(lián)的專門稱重值打印機。當(dāng)時的帶電子裝置的衡器其稱量工作是機械式的，但與稱量有關(guān)的顯示、記錄、遠(yuǎn)傳式控制器等功能是電子方式的?！?〕電子秤步入社會電子秤的開展過程與其它事物一樣，也經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜、由粗糙到精密、由機械到機電結(jié)合再到全電子化、由單一功能到多功能的過程。特別是近30年以來，工藝流程中的現(xiàn)場稱重、配料定量稱重、以及產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)測等工作，都離不開能輸出電信號的電子衡器。這是由于電子衡器不僅能給出質(zhì)量或重量信號，而且也能作為總系統(tǒng)中的一個單元承當(dāng)著控制和檢驗功能，從而推進工業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易交往的自動化和合理化。近年來，電子秤已愈來愈多地參與到數(shù)據(jù)處理和過程控制中?，F(xiàn)代稱重技術(shù)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)已經(jīng)成為工藝技術(shù)、儲運技術(shù)、預(yù)包裝技術(shù)、收貨業(yè)務(wù)及商業(yè)銷售領(lǐng)域中不可缺少的組成局部。隨著稱重傳感器各項性能的不斷突破，為電子秤的開展奠定了根底，國外如美國、西歐等一些國家在20世紀(jì)60年代就出現(xiàn)了0.1%稱量準(zhǔn)確度的電子秤，并在70年代中期約對75%的機械秤進行了機電結(jié)合式的電子化改造。我國的衡器在20世紀(jì)40年代以前還全是機械式的，40年代開始開展了機電結(jié)合式的衡器。50年代開始出現(xiàn)了以稱重傳感器為主的電子衡器。80年代以來，我國通過自行研制、引進消化吸收和技術(shù)改造，已由傳統(tǒng)的機械式衡器步入集傳感器、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)于一體的電子衡器開展階段。目前，由于電子衡器具有稱量快、讀數(shù)方便、能在惡劣環(huán)境下工作、便于與計算機技術(shù)相結(jié)合而實現(xiàn)稱重技術(shù)和過程控制的自動化等特點，已被廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、能源交通、商業(yè)貿(mào)易和科學(xué)技術(shù)等各個部門。隨著稱重傳感器技術(shù)以及超大規(guī)模集成電路和微處理器的進一步開展，電子稱重技術(shù)及其應(yīng)用范圍將更進一步的開展，并被人們越來越重視。選題的意義電子秤是日常生活中常用的電子衡器，廣泛應(yīng)用于超市、大中型商場、物流配送中心。電子秤在結(jié)構(gòu)和原理上取代了以杠桿平衡為原理的傳統(tǒng)機械式稱量工具。相比傳統(tǒng)的機械式稱量工具，電子秤具有稱量精度高、裝機體積小、應(yīng)用范圍廣、易于操作使用等優(yōu)點，在外形布局、工作原理、結(jié)構(gòu)和材料上都是全新的計量衡器。目前市場上使用的稱量工具，或者是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，或者運行不可靠，且本錢高，精度穩(wěn)定性不好，調(diào)整時間長，易損壞，維修困難，裝機容量大，能源消耗大，生產(chǎn)本錢高。而且目前市場上電子秤產(chǎn)品的整體水平不高，局部小型企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量差且技術(shù)力量薄弱，設(shè)備不全，缺乏產(chǎn)品的開發(fā)能力，產(chǎn)品質(zhì)量在低水平徘徊。因此，有針對性地開發(fā)出一套有實用價值的電子秤系統(tǒng)，從技術(shù)上克服上述諸多缺點，改善電子秤系統(tǒng)在應(yīng)用中的缺乏之處，具有現(xiàn)實意義。電子秤的研究現(xiàn)狀及開展趨勢電子秤的研究現(xiàn)狀近幾年，我國的電子稱重系統(tǒng)從最初的機電結(jié)合型開展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型。電子稱重技術(shù)逐漸從靜態(tài)稱重向動態(tài)稱重開展，從模擬測量向數(shù)字測量開展，從單參數(shù)測量向多參數(shù)測量開展。電子稱重系統(tǒng)制造技術(shù)及其應(yīng)用得到了新開展。國內(nèi)電子稱重技術(shù)根本到達國際上20世紀(jì)90年代中期的水平，少數(shù)產(chǎn)品的技術(shù)已處于國際領(lǐng)先水平。在研究方法上，電子稱重系統(tǒng)的工作原理一般是將作用在承載器上的質(zhì)量或力的大小，通過壓力傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，并通過控制電路來處理該電信號。其中壓力傳感器大多數(shù)采用電阻應(yīng)變片壓力傳感器，由于應(yīng)變片的體積較小，市場上有多種規(guī)格可供選擇，而且可以針對彈性敏感元件的形式可以靈活設(shè)計來適應(yīng)各種應(yīng)用場合的要求，所以應(yīng)變片式壓力傳感器得到廣泛的應(yīng)用。但是電阻應(yīng)變片壓力傳感器的一個嚴(yán)重缺陷是應(yīng)變靈敏度、應(yīng)變片本身的電阻都隨溫度變化，而且靈敏度隨溫度變化較大。在不同的環(huán)境中，應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化，輸出零點漂移明顯。并且應(yīng)變片的輸出信號很小、線性范圍窄，而且動態(tài)響應(yīng)較差，有待進一步開發(fā)。在國際上，一些興旺國家在電子稱重方面，從技術(shù)水平、品種和規(guī)模等方面都到達了較高的水平。特別是在準(zhǔn)確度和可靠性等方面有了很大的提高。其中梅特勒．托利多公司生產(chǎn)的BBK4系列高精度電子秤精度到達了lmg，速度大約為1次／秒。目前，電子秤在稱量速度方面需要進一步的研究。在稱重傳感器方面，國外產(chǎn)品的品種和結(jié)構(gòu)又有創(chuàng)新，技術(shù)功能和應(yīng)用范圍不斷擴大。電子秤的開展趨勢電子秤的稱重功能是基于微處理器這一核心技術(shù)來實現(xiàn)的。由于目前在設(shè)計電子稱重系統(tǒng)時大量地采用集成芯片，因此電子稱重系統(tǒng)已經(jīng)擺脫了以往的電子模式，正向小型化、模塊化、智能化、集成化開展；其技術(shù)性能趨向于高速率、高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定性、高可靠性；其應(yīng)用性趨向于綜合性、組合性。小型化：體積小、高度低、重量輕，即小薄輕。為使電子衡器的承載器到達小、薄、輕，開始采用重量輕且剛度大的空心波紋銅板和方形閉合截面的薄壁型材。模塊化：電子衡器的承載器采用模塊式一體組合或分體組合，產(chǎn)生新的品種和規(guī)格。這種模塊化組合不但提高了產(chǎn)品的通用性和可靠性，而且也大大提高了生產(chǎn)效率，降低了本錢。智能化：與電子計算機組合或開發(fā)稱重用計算機，利用計算機的智能來增加稱重顯示控制的功能，使其在原有功能的根底上增加推理、判斷、自診斷、自適應(yīng)、自組織等功能。集成化：對于某些品種和結(jié)構(gòu)的電子衡器，可以實現(xiàn)承載器與稱重傳感器一體化或承載器、稱重傳感器與稱重顯示控制器一體化。綜合性：電子稱重技術(shù)和電子衡器產(chǎn)品的應(yīng)用范圍不斷擴大，它已滲透到一些學(xué)科和工業(yè)自動控制領(lǐng)域。對某些商用電子計價秤而言，只具備稱重、計價、顯示、打印功能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，現(xiàn)代商業(yè)系統(tǒng)還要求它能提供各種銷售信息，把稱重與管理自動化緊密結(jié)合，使稱重、計價、進庫、銷售管理一體化，實現(xiàn)管理自動化。這就要求電子計價秤能與電子計算機聯(lián)網(wǎng)，把稱重系統(tǒng)與計算機系統(tǒng)組成一個完整的綜合控制系統(tǒng)。組合性：在工業(yè)生產(chǎn)過程或工藝流程中，不少稱重系統(tǒng)還應(yīng)具有可組合性，即：測量范圍可以任意設(shè)定；硬件能夠依據(jù)不定的程序進行修改和擴展；輸入輸出數(shù)據(jù)與指令可使用不同的語言，并能與外部的控制和數(shù)據(jù)處理設(shè)備進行通信。今后,隨著電子高科技的飛速開展,電子秤技術(shù)的開展定將日新月異。同時,功能更加齊全的高精度的先進電子秤將會不斷問世,其應(yīng)用范圍也會更加拓寬。本文的結(jié)構(gòu)本設(shè)計是以AT89S51為核心的一種高精度電子秤，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計法，其硬件結(jié)構(gòu)主要包括：數(shù)據(jù)采集模塊、最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、鍵盤和顯示模塊。軟件局部由C語言編程，實現(xiàn)對各局部的控制?？梢詫崿F(xiàn)稱重、去皮、置零、計價和顯示等功能。其稱重范圍為0～5Kg，分度值為0.001g。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。全文共分為五章，各章主要內(nèi)容如下：第一章為緒論局部，簡要介紹了選題的背景及意義、電子秤的研究現(xiàn)狀及開展趨勢以及本文的主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)；第二章為總體設(shè)計局部，簡要介紹了電子秤的結(jié)構(gòu)及工作原理，論證了系統(tǒng)總體方案的設(shè)計，以及對各種方案的選擇做出了比擬；第三章為系統(tǒng)硬件設(shè)計局部，主要是通過對各種模塊的介紹以及對電路功能的分析，對系統(tǒng)硬件進行了選型和設(shè)計，得出系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖；第四章為系統(tǒng)軟件設(shè)計局部，主要介紹了系統(tǒng)各局部軟件的設(shè)計流程，給出了簡單的程序；第五章為系統(tǒng)軟件仿真；第六章為總結(jié)與展望，主要是對本課題的總結(jié)，以及對存在的問題進行歸納和進一步研究的方向。系統(tǒng)總體方案設(shè)計電子秤的根本知識介紹電子秤的根本結(jié)構(gòu)電子秤是利用物體的重力作用來確定物體質(zhì)量〔重量〕的測量儀器，也可用來確定與質(zhì)量相關(guān)的其它量大小、參數(shù)、或特性。不管根據(jù)什么原理制成的電子秤均由以下三局部組成：〔1〕承重、傳力復(fù)位系統(tǒng)它是被稱物體與轉(zhuǎn)換元件之間的機械、傳力復(fù)位系統(tǒng)，又稱電子秤的秤體，一般包括接受被稱物體載荷的承載器、秤橋結(jié)構(gòu)、吊掛連接部件和限位減振機構(gòu)等?！?〕稱重傳感器即由非電量〔質(zhì)量或重量〕轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它是把支承力變換成電的或其它形式的適合于計量求值的信號所用的一種輔助手段。按照稱重傳感器的結(jié)構(gòu)型式不同，可以分直接位移傳感器〔電容式、電感式、電位計式、振弦式、空腔諧振器式等〕和應(yīng)變傳感器〔電阻應(yīng)變式、聲外表諧振式〕或是利用磁彈性、壓電和壓阻等物理效應(yīng)的傳感器。對稱重傳感器的根本要求是：輸出電量與輸入重量保持單值對應(yīng)，并有良好的線性關(guān)系；有較高的靈敏度；對被稱物體的狀態(tài)的影響要??；能在較差的工作條件下工作；有較好的頻響特性；穩(wěn)定可靠?！?〕測量顯示和數(shù)據(jù)輸出的載荷測量裝置即處理稱重傳感器信號的電子線路〔包括放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、電流源或電壓源、調(diào)節(jié)器、補償元件、保護線路等〕和指示部件〔如顯示、打印、數(shù)據(jù)傳輸和存貯器件等〕。這局部習(xí)慣上稱載荷測量裝置或二次儀表。在數(shù)字式的測量電路中，通常包括前置放大、濾濾、運算、變換、計數(shù)、存放、控制和驅(qū)動顯示等環(huán)節(jié)。電子秤的工作原理當(dāng)被稱物體放置在秤體的秤臺上時，其重量便通過秤體傳遞到稱重傳感器，傳感器隨之產(chǎn)生力－電效應(yīng)，將物體的重量轉(zhuǎn)換成與被稱物體重量成一定函數(shù)關(guān)系(一般成正比關(guān)系)的電信號(電壓或電流等)。通常此電壓信號很小，需要通過前端信號處理電路進行準(zhǔn)確的線性放大，放大后的模擬電壓信號經(jīng)過濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號被送入到主控電路的單片機中eq\o\ac(○,1)，單片機不斷掃描鍵盤和各種功能開關(guān)，根據(jù)鍵盤輸入內(nèi)容和各種功能開關(guān)的狀態(tài)進行必要的判斷、分析、由儀表的軟件來控制各種運算。運算結(jié)果送到內(nèi)存貯器，需要顯示時，單片機發(fā)出指令，從內(nèi)存貯器中讀出送到顯示器顯示。電子秤的計量參數(shù)電子秤的計量性能涉及的主要技術(shù)指標(biāo)有：量程、平安載荷、額定載荷、允許誤差、分度值、分度數(shù)、準(zhǔn)確度等級等?！?〕量程：一臺電子秤不計皮重，所能稱量的最大的載荷Max，即電子秤在正常工作情況下，所能稱量的最大值?！?〕平安載荷：為電子秤正常稱量案范圍的120%?！?〕額定載荷：電子秤的正常稱量范圍?！?〕允許誤差：等級檢定時允許的最大偏差?！?〕分度值：電子秤的測量范圍被分成假設(shè)干等份，每份值即為分度值。用e或d來表示。〔6〕分度數(shù)：衡器的測量范圍被分成假設(shè)干等份，總份數(shù)即為分度數(shù)用n表示。電子衡器的最大稱量Max可以用總分度數(shù)n與分度值d的乘積來表示，即Max=n*d?！?〕準(zhǔn)確度等級：國際法制計量組織把電子秤按照不同的分度數(shù)分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四類等級，分別對應(yīng)不同準(zhǔn)確度的電子秤和分度數(shù)n的范圍，如表eq\o\ac(○,1)因為本設(shè)計采用軟件仿真而不能進行實際的稱量，故信號的放大濾波電路局部舍去，直接輸入模擬電壓信號，放大濾波局部內(nèi)容會在第五章仿真總結(jié)與問題補充中進行后續(xù)介紹。2-1所示。表2-1電子秤等級分類標(biāo)志及等級電子秤種類分度數(shù)范圍特種準(zhǔn)確度基準(zhǔn)衡器n>100,000高準(zhǔn)確度精密衡器10,000<n≤100,000中準(zhǔn)確度商業(yè)衡器1,000<n≤10,000普通準(zhǔn)確度粗衡器100<n≤1,000總體方案設(shè)計按照設(shè)計的根本要求，可以確定系統(tǒng)共分為五大模塊，數(shù)據(jù)采集模塊、最小系統(tǒng)模塊、超重報警模塊、鍵盤和顯示模塊。其中，數(shù)據(jù)采集模塊包括稱重傳感器和A/D轉(zhuǎn)換電路；最小系統(tǒng)模塊由AT89S51單片機及其外圍電路組成；鍵盤由4×4位矩陣鍵盤組成，可以控制顯示商品種類和價錢等信息；顯示局部采用LM4229液晶顯示，顯示當(dāng)前商品的名稱、單價、重量及總價等信息。軟件局部由C語言編程，實現(xiàn)對各局部的控制。該電子秤可以實現(xiàn)顯示商品的名稱、單價、重量、總價等功能。其稱重范圍為0～5Kg，分度值為0.001g。在擴展功能上，本設(shè)計增加了一個超重報警提示。其總體設(shè)計的框圖如圖2-1所示：圖2-1總體設(shè)計方框圖系統(tǒng)工作原理：把所稱物體放到秤臺上，物體的重力通過秤體傳給稱重傳感器，傳感器受到壓力使電阻發(fā)生變化引起電壓變化，再將電壓值送到A/D轉(zhuǎn)換電路，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送至單片機進行處理，并顯示結(jié)果。單片機最小系統(tǒng)由AT89S51和外圍的時鐘電路及復(fù)位電路組成。顯示電路設(shè)計采用LM4229液晶顯示，對各局部的控制由采用C語言編程的軟件來實現(xiàn)。系統(tǒng)各局部設(shè)計方案論證電子秤分度數(shù)的設(shè)定當(dāng)前，一些單位為了提高Ⅲ級商貿(mào)秤的準(zhǔn)確度，嘗試改小電子秤的分度值，擴大電子秤的分度數(shù)，以便到達高精度稱量的目的。這樣做非但不能進行高精度稱量，還會破壞電子秤原有的計量性能，降低電子秤的準(zhǔn)確度，有損電子秤的可靠性，使電子秤出現(xiàn)更多的計量誤差?，F(xiàn)在我國已經(jīng)完全與OIML規(guī)定接軌，衡器計量檢定規(guī)程完全按OIML規(guī)定而來。表2-2為Ⅲ級商業(yè)秤誤差要求。表2-2Ⅲ級數(shù)字顯示商用衡器允差表允差e〔檢定分度值〕檢定要求使用中要求m<500e±0.5e±1.0e500e<m≤2000e±1.0e±2.0e2000e<m≤Max±1.5e±3.0e由表2-2可知，它的整個稱量范圍允差規(guī)定是變化的，誤差是從大到小再變大，最高準(zhǔn)確度在中間。從0～500分度數(shù)為低精度稱量段，到高于3000個分度數(shù)之后的實際稱量精度逐漸變低，實際誤差不斷加大。分度數(shù)再高其允差也是不變的。從國外電子秤的準(zhǔn)確度和分度數(shù)設(shè)置、國內(nèi)原先衡器的檢定標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)在我們統(tǒng)計的電子秤分度數(shù)的準(zhǔn)確度以及OIML對Ⅲ級秤的允差規(guī)定看，說明現(xiàn)有Ⅲ級商業(yè)秤的分度數(shù)設(shè)置為2000～3000是比擬理想的，屬于最正確分度數(shù)。這樣設(shè)置決定了電子秤的準(zhǔn)確度首檢為±0.05%，使用中為±0.1%的正確性、合理性與必要性。稱重傳感器的選定稱重傳感器在電子秤中占有十分重要的位置，被喻為電子秤的心臟部件，它的性能好壞很大程度上決定了電子秤的精確度和穩(wěn)定性?？紤]到不同使用地點的重力加速度和空氣浮力對轉(zhuǎn)換的影響，稱重傳感器的性能指標(biāo)主要有線性誤差、滯后誤差、重復(fù)性誤差、蠕變、零點溫度特性和靈敏度溫度特性等。在各種衡器和質(zhì)量計量系統(tǒng)中，通常用綜合誤差帶來綜合衡量傳感器準(zhǔn)確度，并將綜合誤差帶與衡器誤差帶聯(lián)系起來，以便選用對應(yīng)于某一準(zhǔn)確度衡器的稱重傳感器。國際法制計量組織(OIML)規(guī)定，傳感器的誤差帶δ占衡器誤差帶Δ的70％，稱重傳感器的線性誤差、滯后誤差以及在規(guī)定溫度范圍內(nèi)由于溫度對靈敏度的影響所引起的誤差等的總和不能超過誤差帶δ。假設(shè)在環(huán)境惡劣的條件下〔如上下溫、濕熱〕，傳感器所占的誤差比例就更大，因此，在人們設(shè)計電子秤時，正確地選用稱重傳感器非常重要。1．常用各種稱重傳感器稱重傳感器按轉(zhuǎn)換方法分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動式、陀螺儀式、電阻應(yīng)變式等8類，以電阻應(yīng)變式使用最廣。光電式傳感器包括光柵式和碼盤式兩種。光柵式傳感器利用光柵形成的莫爾條紋把角位移轉(zhuǎn)換成光電信號。光柵有兩塊，一為固定光柵，另一為裝在表盤軸上的移動光柵。加在承重臺上的被測物通過傳力杠桿系統(tǒng)使表盤軸旋轉(zhuǎn)，帶動移動光柵轉(zhuǎn)動，使莫爾條紋也隨之移動。利用光電管、轉(zhuǎn)換電路和顯示儀表，即可計算出移過的莫爾條紋數(shù)量，測出光柵轉(zhuǎn)動角的大小，從而確定和讀出被測物質(zhì)量。碼盤式傳感器的碼盤是一塊裝在表盤軸上的透明玻璃，上面帶有按一定編碼方法編定的黑白相間的代碼。加在承重臺上的被測物通過傳力杠桿使表盤軸旋轉(zhuǎn)時，碼盤也隨之轉(zhuǎn)過一定角度。光電池將透過碼盤接受光信號并轉(zhuǎn)換成電信號，然后由電路進行數(shù)字處理，最后在顯示器上顯示出代表被測質(zhì)量的數(shù)字。光電式傳感器曾主要用在機電結(jié)合秤上。液壓式傳感器：在受被測物重力P作用時，液壓油的壓力增大，增大的程度與P成正比。測出壓力的增大值，即可確定被測物的質(zhì)量。液壓式傳感器結(jié)構(gòu)簡單而牢固，測量范圍大，但準(zhǔn)確度一般不超過1/100。電磁力式傳感器：它利用承重臺上的負(fù)荷與電磁力相平衡的原理工作。當(dāng)承重臺上放有被測物時，杠桿的一端向上傾斜；光電件檢測出傾斜度信號，經(jīng)放大后流入線圈，產(chǎn)生電磁力，使杠桿恢復(fù)至平衡狀態(tài)。對產(chǎn)生電磁平衡力的電流進行數(shù)字轉(zhuǎn)換，即可確定被測物質(zhì)量。電磁力式傳感器準(zhǔn)確度高，可達1/2000～1/60000，但稱量范圍僅在幾十毫克至10千克之間。電容式傳感器：工作原理是利用電容器振蕩電路的振蕩頻率f與極板間距d成正比的關(guān)系。極板有兩塊，一塊是固定不動的，另一塊是可移動的。在秤體加載重物時，兩極板間的距離發(fā)生變化，隨之，電路的振蕩頻率也改變。只要測出頻率的變化便可求出被測物的質(zhì)量。電容式傳感器耗電量少，造價低，準(zhǔn)確度為1/200～1/500。磁極變形式傳感器：原理為鐵磁元件在被測物體重力下發(fā)生形變，產(chǎn)生應(yīng)力引起導(dǎo)磁率的變化，隨之，繞在鐵磁元件兩側(cè)的次級線圈的感應(yīng)電壓也變化。這樣測出電壓的變化量便可求出加到磁極上的力，從而確定物體的質(zhì)量。磁極變形式傳感器的準(zhǔn)確度不高，一般為1/100，稱量范圍為幾十至幾萬千克。振動式傳感器彈性元件受力后，其固有振動頻率與作用力的平方根成正比。測出固有頻率的變化，即可求出被測物作用在彈性元件上的力，進而求出其質(zhì)量。振動式傳感器有振弦式和音叉式兩種。振弦式傳感器的彈性元件是弦絲。當(dāng)承重臺上加有被測物時，V形弦絲的交點被拉向下，且左弦的拉力增大，右弦的拉力減小。兩根弦的固有頻率發(fā)生不同的變化。求出兩根弦的頻率之差，即可求出被測物的質(zhì)量。振弦式傳感器的準(zhǔn)確度較高，可達1/1000～1/10000，稱量范圍為100克至幾百千克，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，造價高。音叉式傳感器的彈性元件是音叉。音叉端部固定有壓電元件，它以音叉的固有頻率振蕩，并可測出振蕩頻率。當(dāng)承重臺上加有被測物時，音叉拉伸方向受力而固有頻率增加，增加的程度與施加力的平方根成正比。測出固有頻率的變化，即可求出重物施加于音叉上的力，進而求出重物質(zhì)量。音叉式傳感器耗電量小，計量準(zhǔn)確度高達1/10000～1/200000，稱量范圍為500g～10kg。陀螺儀式傳感器，轉(zhuǎn)子裝在內(nèi)框架中，以角速度ω繞X軸穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。內(nèi)框架經(jīng)軸承與外框架聯(lián)接，并可繞水平軸Y傾斜轉(zhuǎn)動。外框架經(jīng)萬向聯(lián)軸節(jié)與機座聯(lián)接，并可繞垂直軸Z旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子軸(X軸)在未受外力作用時保持水平狀態(tài)。轉(zhuǎn)子軸的一端在受到外力(P/2)作用時，產(chǎn)生傾斜而繞垂直軸Z轉(zhuǎn)動〔進動〕。進動角速度ω與外力P/2成正比，通過檢測頻率的方法測出ω，即可求出外力大小，進而求出產(chǎn)生此外力的被測物的質(zhì)量。陀螺儀式傳感器響應(yīng)時間快(5秒)，無滯后現(xiàn)象，溫度特性好〔3ppm〕，振動影響小，頻率測量準(zhǔn)確精度高，故可得到高的分辨率(1/100000)和高的計量準(zhǔn)確度(1/30000～1/60000)。電阻應(yīng)變式傳感器利用電阻應(yīng)變片變形時其電阻也隨之改變的原理工作。主要由彈性元件、電阻應(yīng)變片、測量電路和傳輸電纜4局部組成。電阻應(yīng)變片貼在彈性元件上，彈性元件受力變形時，其上的應(yīng)變片隨之變形，并導(dǎo)致電阻改變。測量電路測出應(yīng)變片電阻的變化并變換為與外力大小成比例的電信號輸出。電信號經(jīng)處理后以數(shù)字形式顯示出被測物的質(zhì)量。電阻應(yīng)變式傳感器的稱量范圍為300g至數(shù)千Kg，計量準(zhǔn)確度達1/1000～1/10000，結(jié)構(gòu)較簡單，可靠性較好，大局部電子衡器均使用此傳感器。2．稱重傳感器的選擇傳感器種類繁多，分類方式也千差萬別，它們都有各自的特點，但在設(shè)計電子秤時，選擇一種適宜的傳感器非常重要，傳感器的性能在很大程度上決定了電子秤的精確度和穩(wěn)定性。稱重傳感器的選擇主要從以下幾個方面考慮?！?〕對傳感器數(shù)量和量程的選擇傳感器數(shù)量的選擇是根據(jù)電子秤的用途、秤體需要支撐的點數(shù)〔支撐點數(shù)應(yīng)根據(jù)使秤體幾何重心和實際重心重合的原那么而確定〕而定。一般來說，秤體有幾個支撐點就選用幾只傳感器，但是對于一些特殊的秤體，如電子吊秤，就只能采用一個傳感器，一些機電結(jié)合秤就應(yīng)根據(jù)實際情況來確定選用傳感器的個數(shù)。傳感器的量程選擇可依據(jù)秤的最大稱量值、選用傳感器的個數(shù)、秤體自重、可產(chǎn)生的最大偏載及動載因素綜合評價來決定。一般來講，傳感器的量程越接近分配到每個傳感器的載荷，其稱量的準(zhǔn)確度就越高。但是在實際的使用當(dāng)中，由于加在傳感器上的載荷除被稱物體外，還存在秤體自重、皮重、偏載及振動沖擊等載荷，因此選用傳感器時，要考慮諸多方面的因素，保證傳感器的平安和壽命。公式2-1給出了傳感器量程選擇的計算公式。 〔2-1〕式中C—單個傳感器的額定量程；W—秤體自重；Wmax一被稱物體凈重的最大值；N—秤體所采用支撐點的數(shù)量；K0—保險系數(shù)，一般取1.2～1.3之間；K1—沖擊系數(shù)；K2—秤體的重心偏移系數(shù)；K3—風(fēng)壓系數(shù)〔2〕傳感器準(zhǔn)確度等級的選擇傳感器的準(zhǔn)確度等級概括了傳感器的非線性、蠕變、蠕變恢復(fù)、滯后、重復(fù)性、靈敏度等技術(shù)指標(biāo)。稱重傳感器已按準(zhǔn)確度等級劃分，且已考慮了0.7倍誤差因子，非自動衡器稱重傳感器的準(zhǔn)確度等級要選擇與電子秤相對應(yīng)的準(zhǔn)確度等級。稱重傳感器按綜合性能分為A、B、C、D四個準(zhǔn)確度等級，分別對應(yīng)于衡器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個準(zhǔn)確度等級?！?〕各種類型傳感器的使用范圍稱重傳感器形式的選擇主要取決于稱重的類型和安裝空間，保證安裝適宜，稱重平安可靠；另一方面要考慮廠家的建議。對于傳感器制造廠家來講，它一般規(guī)定了傳感器的受力情況、性能指標(biāo)、安裝形式、結(jié)構(gòu)形式、彈性體的材質(zhì)等。譬如鋁合金懸臂梁傳感器適合于電子計價秤、平臺秤、案秤等；鋼式懸臂梁傳感器適用于電子皮帶秤、分選秤等；鋼質(zhì)橋式傳感器適用于軌道衡、汽車衡等；柱式傳感器適用于汽車衡、動態(tài)軌道衡、大噸位料斗秤等。〔4〕使用環(huán)境稱重傳感器實際上是一種將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)換成可測量的電信號輸出裝置。用傳感器首先要考慮傳感器所處的實際工作環(huán)境，這點對于正確選用傳感器至關(guān)重要，它關(guān)系到傳感器能否正常工作以及它的平安和使用壽命，乃至整個衡器的可靠性和平安性。一般情況下，高溫環(huán)境對傳感器造成涂覆材料融化、焊點開化、彈性體內(nèi)應(yīng)力發(fā)生結(jié)構(gòu)變化等問題；粉塵、潮濕對傳感器造成短路的影響；在腐蝕性較高的環(huán)境下會造成傳感器彈性體受損或產(chǎn)生短路現(xiàn)象；電磁場對傳感器輸出會產(chǎn)生干擾。相應(yīng)的環(huán)境因素下我們必須選擇對應(yīng)的稱重傳感器才能滿足必要的稱重要求。3．電阻應(yīng)變式稱重傳感器按照稱重傳感器選擇的指標(biāo)要求，以及對各種傳感器的比擬，本設(shè)計選定電阻應(yīng)變片式傳感器，下面對此類傳感器做詳細(xì)介紹。電阻應(yīng)變式稱重傳感器是把電阻應(yīng)變計粘貼在彈性敏感元件上，彈性體〔彈性元件，敏感梁〕在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他外表的電阻應(yīng)變片〔轉(zhuǎn)換元件〕也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化〔增大或減小〕，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號〔電壓或電流〕，從而完成了將外力變換為電信號的過程。電阻應(yīng)變式稱重傳感器包括兩個主要局部，一個是彈性敏感元件：利用它將被測的重量轉(zhuǎn)換為彈性體的應(yīng)變值；另一個是電阻應(yīng)變計：它作為傳感元件將彈性體的應(yīng)變，同步地轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。電阻應(yīng)變片所感受的機械應(yīng)變量一般為10-6~10-2，隨之而產(chǎn)生的電阻變化率也大約在10-6~10-2數(shù)量級之間。這樣小的電阻變化用一般測量電阻的儀表很難測出，必須采用一定形式的測量電路將微小的電阻變化率轉(zhuǎn)變成電壓或電流的變化，才能用二次儀表顯示出來。在電阻應(yīng)變式稱重傳感器中通過橋式電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。當(dāng)傳感器不受載荷時，彈性敏感元件不產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在其上的應(yīng)變片不發(fā)生變形，阻值不變，電橋平衡，輸出電壓為零；當(dāng)傳感器受力時，即彈性敏感元件受載荷P時，應(yīng)變片就會發(fā)生變形，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，有輸出電壓。圖2-2為電阻應(yīng)變式稱重傳感器橋式測量電路。圖2-2電阻應(yīng)變式稱重傳感器橋式測量電路R1、R2、R3、R4為4個應(yīng)變片電阻，組成了橋式測量電路，Rm為溫度補償電阻，e為鼓勵電壓，V為輸出電壓。假設(shè)不考慮Rm，在應(yīng)變片電阻變化以前，電橋的輸出電壓為： 〔2-2〕由于橋臂的起始電阻全等，即R1=R2=R3=R4=R，所以V=0。當(dāng)應(yīng)變片的電阻R1、R2、R3、R4變成R+△R1、R+△R2、R+△R3、R+△R4時，電橋的輸出電壓變?yōu)椋?〔2-3〕通過化簡，上式那么變?yōu)椋?〔2-4〕也就是說，電橋輸出電壓的變化與各橋臂電阻變化率的代數(shù)和成正比。如果四個橋臂應(yīng)變片的靈敏系數(shù)相同，且=Kε，那么上式又可寫成： 〔2-5〕式中K為應(yīng)變片靈敏系數(shù)，ε為應(yīng)變量。式2-5說明，電橋的輸出電壓和四個轎臂的應(yīng)變片所感受的應(yīng)變量的代數(shù)和成正比。在電阻應(yīng)變式稱重傳感器中，4個應(yīng)變片分別貼在彈性梁的4個敏感部位，傳感器受力作用后發(fā)生變形。在力的作用下，R1、R3被拉伸，阻值增大，△R1、△R3正值，R2、R4被壓縮，阻值減小，△R2、△R4為負(fù)值。再加之應(yīng)變片阻值變化的絕對值相同，即 〔2-6〕 〔2-7〕因此 〔2-8〕假設(shè)考慮Rm，那么電橋的輸出電壓變成： 〔2-9〕令，那么 〔2-10〕Su稱為傳感器系數(shù)或傳感器輸出靈敏度。對于一個高精度的應(yīng)變傳感器來說，僅僅靠4個應(yīng)變片組成橋式測量電路還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。由于彈性梁材料金相組織的不均勻性及熱處理工藝、應(yīng)變片性能及粘貼工藝、溫度變化等因素的影響，傳感器勢必產(chǎn)生一定的誤差。為了減少傳感器隨溫度變化產(chǎn)生的誤差，提高其精度和穩(wěn)定性，需要在橋路兩端和橋臂中串入一些補償元件。如：初始不平衡值的補償、零載輸出溫度補償、輸出靈敏度溫度補償?shù)?。A/D轉(zhuǎn)換器的選定在實際的測量和控制系統(tǒng)中檢測到的常是時間、數(shù)值都連續(xù)變化的模擬量，模擬量要輸入到單片機中進行處理，首先要經(jīng)過模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，單片機才能接收、處理。目前有多種類型的A/D轉(zhuǎn)換器，其類型有積分型、逐次逼近型、并行比擬型、Σ-Δ調(diào)制型、壓頻變換型等。多種類型的ADC各有其優(yōu)缺點，并能滿足不同的具體要求。1．A/D轉(zhuǎn)換器的分類：〔1〕積分型積分型ADC工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時器/計數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點是用簡單電路就能獲得高分辨率，但缺點是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。初期的單片AD轉(zhuǎn)換器大多采用積分型，現(xiàn)在逐次比擬型已逐步成為主流。〔2〕逐次逼近型逐次逼近型ADC由一個比擬器和D/A轉(zhuǎn)換器通過逐次比擬邏輯構(gòu)成，從MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出進行比擬，經(jīng)n次比擬而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點是速度較高、功耗低，在低分辯率〔<12位〕時價格廉價，但高精度〔>12位〕時價格很高。〔3〕并行比擬型/串并行比擬型并行比擬型ADC采用多個比擬器，僅作一次比擬而實行轉(zhuǎn)換，又稱Flash(快速)型。由于轉(zhuǎn)換速率極高，n位的轉(zhuǎn)換需要2n-1個比擬器，因此電路規(guī)模也極大，價格也高，只適用于視頻AD轉(zhuǎn)換器等速度特別高的領(lǐng)域。串并行比擬型AD結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比擬型之間，最典型的是由2個n/2位的并行型AD轉(zhuǎn)換器配合DA轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比擬實行轉(zhuǎn)換，所以稱為Halfflash(半快速)型。還有分成三步或多步實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換的叫做分級型ADC，而從轉(zhuǎn)換時序角度又可稱為流水線型ADC，現(xiàn)代的分級型AD中還參加了對屢次轉(zhuǎn)換結(jié)果作數(shù)字運算而修正特性等功能。這類AD速度比逐次比擬型高，電路規(guī)模比并行型小?！?〕Σ-Δ調(diào)制型Σ-Δ型AD由積分器、比擬器、1位DA轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成。原理上近似于積分型，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度)信號，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字局部根本上容易單片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測量?！?〕壓頻變換型壓頻變換型是通過間接轉(zhuǎn)換方式實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率，然后用計數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。從理論上講這種AD的分辨率幾乎可以無限增加，只要采樣的時間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數(shù)的寬度。其優(yōu)點是分辯率高、功耗低、價格低，但是需要外部計數(shù)電路共同完成AD轉(zhuǎn)換。2．A/D轉(zhuǎn)換器選用的原那么：〔1〕A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。A/D轉(zhuǎn)換器決定分辨率的上下，在系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率應(yīng)比系統(tǒng)允許引用誤差高一倍以上?！?〕A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。不同類型的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率大不相同。積分型的轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換時間從幾豪秒到幾十毫秒，只能構(gòu)成低速A/D轉(zhuǎn)換器，一般用于壓力、溫度及流量等緩慢變化的參數(shù)測試。逐次逼近型屬于中速A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為納秒級，用于個通道過程控制和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)?！?〕是否加采樣/保持器?！?〕A/D轉(zhuǎn)換器的有關(guān)量程引腳。有的A/D轉(zhuǎn)換器提供兩個輸入引腳，不同量程范圍內(nèi)的模擬量可從不同引腳輸入?！?〕A/D轉(zhuǎn)換器的啟動轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換結(jié)束。一般A/D轉(zhuǎn)換器可由外部控制信號啟動轉(zhuǎn)換，這一啟動信號可由CPU提供。轉(zhuǎn)換結(jié)束后A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部轉(zhuǎn)換結(jié)束信號觸發(fā)器置位，并輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志電平，通知微處理器讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果?！?〕A/D轉(zhuǎn)換器的晶閘管現(xiàn)象。其現(xiàn)象是在正常使用時，A/D轉(zhuǎn)換器芯片電流驟增，時間一長就會燒壞芯片。單片機型號的選定1．單片機選定準(zhǔn)那么市場上的單片機型號很多，功能也有差異，在選擇單片機型號的時候主要應(yīng)該注意以下幾個方面：〔1〕市場貨源系統(tǒng)設(shè)計者只能在市場上能夠提供的單片機中選擇，特別是作為產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的應(yīng)用系統(tǒng)，所選的單片機型號必須有穩(wěn)定、充足的貨源?！?〕單片機性能應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和各種單片機的性能，選擇最容易實現(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的型號，而且能到達較高的性能價格比。單片機性能包括片內(nèi)硬件資源、運行速度、可靠性、指令系統(tǒng)功能、體積和封裝形式等方面。影響性能價格比的因素除單片機的性能價格外，還包括硬件和軟件設(shè)計的容易程度、相應(yīng)的工作量大小，以及開發(fā)工具的性能價格比?！?〕研制周期在研制任務(wù)重、時間緊的情況下，還要考慮所選的單片機型號是否熟悉，是否能馬上著手進行系統(tǒng)的設(shè)計。與研制周期有關(guān)的另一個重要因素是開發(fā)工具，性能優(yōu)良的開發(fā)工具能加快系統(tǒng)地研制進程。2．AT89S51單片機介紹根據(jù)以上對單片機選型知識的介紹，本設(shè)計選用AT89S51單片機，下面對此型號單片機進行簡介。AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機。AT89S51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機，其指令集和傳統(tǒng)的51單片機指令集是一樣的。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89S51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。AT89S51具有如下特點：40個引腳，4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲器，128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器〔RAM〕，32個外部雙向輸入/輸出〔I/O〕口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗〔WDT〕電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。此外，AT89S51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖圖3-1為系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)方框圖，系統(tǒng)共分為三大局部：數(shù)據(jù)采集模塊、單片機控制模塊以及鍵盤和顯示模塊。各模塊所采用的主要芯片型號已于圖中有所標(biāo)示。圖3-1系統(tǒng)總體硬件設(shè)計方框圖單片機主控單元的設(shè)計單片機引腳說明AT89S51單片機芯片為40個引腳，圖3-2為單片機AT89S51引腳圖。下面簡單表達各引腳的功能。VCC/GND：電源/接地引腳；P0口：P0是一個8位漏極開路型雙向I/O端口，端口置1(對端口寫1)時作高阻抗輸入端；P0還可以用作總線方式下的地址數(shù)據(jù)復(fù)用管腳，用來操作外部存儲器。在這種工作模式下，P0口具有內(nèi)部上拉作用。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，接收指令字節(jié)、校驗程序、輸出指令字節(jié)時，要求外接上拉電阻；P1口：P1是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0端口，輸出時可驅(qū)動4個TTL。端口置1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用；另外，P1.0、P1.1可以分別被用作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入(P1.0/T2)和觸發(fā)輸入(P1.1/T2EX)；對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，接收低8位地址信息；P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0端口；輸出時可驅(qū)動4個TTL。端口置1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用；P2口在存取外部存儲器時，可作為高位地址輸出；內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，接收高8位地址和控制信息；P3口：P3是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0端口，輸出時可驅(qū)動4個TTL。端口置1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。P3引腳功能復(fù)用見表3-1所示：表3-1P3口引腳功能復(fù)用P3.0串行通訊輸入(RXD)P3.1串行通訊輸出(TXD)P3.2外部中斷0(INT0)P3.3外部中斷1(INT1)P3.4定時器0輸入(T0)P3.5定時器1輸入(T1)P3.6外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通WRP3.7外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通RDRST：在振蕩器運行時，有兩個機器周期(24個振蕩周期)以上的高電平出現(xiàn)在此管腳時，將使單片機復(fù)位。只要這個管腳保持高電平，51芯片便循環(huán)復(fù)位。復(fù)位后P0—P3口均置1，管腳表現(xiàn)為高電平，程序計數(shù)器和特殊功能存放器SFR全部清零。當(dāng)復(fù)位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，芯片為ROM的00H處開始運行程序；XTAL1、XTAL2：XTAL1是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端，XTAL2那么是輸出端，使用外部振蕩器時，外部振蕩信號應(yīng)直接加到XTAL1，而XTAL2懸空。內(nèi)部方式時，時鐘發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻，如晶振為12MHz，時鐘頻率就為6MHz。晶振的頻率可以在1MHz至24MHz內(nèi)選擇，電容取30PF左右。ALE/PROG：訪問外部存儲器時，ALE(地址鎖存允許)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)，即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以不變的頻率輸出脈沖信號(此頻率是振蕩器頻率的1/6)，在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，出現(xiàn)一個ALE脈沖；PSEN：外部程序存儲器的選通信號輸出端。當(dāng)AT89S51由外部程序存儲器取指令或常數(shù)時，每個機器周期輸出2個脈沖，即兩次有效。但訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將不會有脈沖輸出；EA/Vpp：外部訪問允許端。當(dāng)該引腳訪問外部程序存儲器時，應(yīng)輸入低電平。要使AT89S51只訪問外部程序存儲器(地址為0000H-FFFFH)，這時該引腳必須保持低電平。圖3-2單片機AT89S51引腳圖AT89S51最小系統(tǒng)設(shè)計單片機最小系統(tǒng),或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。對51系列單片機來說,最小系統(tǒng)包括:單片機、晶振電路、復(fù)位電路。其中復(fù)位電路采用上電復(fù)位。其最小系統(tǒng)電路圖見圖3-3所示：圖3-3單片機最小系統(tǒng)圖對于AT89S51單片機，其最小系統(tǒng)只需要電源、復(fù)位電路、時鐘電路就能工作。由于我們的程序存儲器〔ROM〕采用內(nèi)部Flash存儲單元，所以單片機上的EA接高。微處理器系統(tǒng)在開始工作時必須對微處理器內(nèi)部的存放器等進行復(fù)位，使各個存放器的值設(shè)為預(yù)定狀態(tài)才能順利開始工作。復(fù)位電路的好壞決定著單片機能否正常工作。復(fù)位電路根本功能是在系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。復(fù)位電路可以使用專用復(fù)位芯片，也可以用電阻電容搭建。本文從可靠性和本錢考慮最終選用電阻電容來搭建復(fù)位電路。對于51內(nèi)核的單片機，RST是復(fù)位信號輸入端，高電平有效。當(dāng)此輸入端保持兩個機器周期(24個時鐘振蕩周期)的高電平時，可以完成復(fù)位操作。數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計傳感器單元設(shè)計根據(jù)第二章對各種類型傳感器特性的介紹，本設(shè)計決定采用L-psⅢ型稱重傳感器，該傳感器為雙孔平衡梁形式，是制作電子計價秤的專用產(chǎn)品，也可用于制造由單只傳感器構(gòu)成的電子案秤、臺秤及專用衡器等。其主要技術(shù)指如表3-2所示：表3-2L-psⅢ型稱重傳感器技術(shù)指標(biāo)額定載荷Kg3,6,10,20,30,50靈敏度mV/V1.8±0.08準(zhǔn)確度等級C3最大分度數(shù)3000最小檢定分度值Fmax/10000綜合誤差%F.S.0.02重復(fù)性%F.S.0.01蠕變%F.S./30min±0.017最小靜載荷%Fmax1最大平安載荷%Fmax150極限過載荷%Fmax200輸入電阻415～445輸出電阻349～355溫度補償范圍℃-10～+50使用溫度范圍℃-20～+60接線方式輸入〔+〕:紅,輸入〔-〕:白，輸出〔+〕:綠輸出〔-〕:藍(lán)，屏蔽:黃A/D轉(zhuǎn)換單元設(shè)計根據(jù)對各種A/D轉(zhuǎn)換器的介紹與分析，本設(shè)計選定ADC0832作為本設(shè)計的A/D轉(zhuǎn)換模塊。下面對該芯片的情況進行簡要的介紹。ADC0832是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。具有體積小，兼容性強，性價比高的特點，具體參數(shù)如下：8位分辨率；雙通道A/D轉(zhuǎn)換；輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；5V電源供電時輸入電壓在0~5V之間；工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時間為32uS；一般功耗僅為15mW；8P、14P-DIP〔雙列直插〕、PICC多種封裝；商用級芯片溫寬為0℃～70℃，工業(yè)級芯片溫寬為-40℃～85℃；1、下面對ADC0832的引腳進行說明，圖3-4為該芯片的引腳圖：圖3-4ADC0832引腳圖：片選端，低電平芯片使能；CH0：模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用；CH1：模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用；GND：芯片參考零點位〔地〕；DI：數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制；DO：數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出；CLK：芯片時鐘輸入；Vcc/REF：電源輸入及參考電壓輸入〔復(fù)用〕。2、ADC0832的接口電路正常情況下，ADC0832與單片機的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI，但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設(shè)計時可以將DO與DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。單片機與ADC0832的接口電路如圖3-5所示。圖3-5單片機與ADC0832連接圖當(dāng)ADC0832未工作時其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可以任意，當(dāng)要進行A/D轉(zhuǎn)換時，須先將CS使能端置于低電平并保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK輸入時鐘脈沖，DO/DI端那么使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。鍵盤和顯示電路單元設(shè)計鍵盤電路設(shè)計在本設(shè)計中，采用的是4×4的矩陣式鍵盤，將單片機的P1.0-P1.3作為鍵盤的行線接口，P1.4-P1.7作為列線接口，列線通過電阻接+5V。商品的單價已由程序設(shè)定好，并可由鍵盤選擇各種商品的價格。顯示電路設(shè)計本設(shè)計中顯示局部采用了當(dāng)今常用的LM4229液晶顯示模塊。其與單片機的接線如圖3-6所示，為完善其功能，電路中添加了上拉電阻。圖3-6液晶顯示模塊LM4229與單片機接線圖系統(tǒng)總體原理圖在系統(tǒng)各局部的設(shè)計完成后，把各模塊根據(jù)其功能和信號處理的流程連接起來，便得到系統(tǒng)總體設(shè)計的原理圖，如圖3-7所示，為簡潔起見，其中的接線局部采用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號連接。圖3-7系統(tǒng)總體原理圖硬件抗干擾設(shè)計電子秤在使用中，常常會出現(xiàn)各種各樣的異?，F(xiàn)象，電子秤本身的質(zhì)量問題是一個方面，但更重要的方面是外界干擾和接地引起的異常。本電子稱重器的核心部件是單片機，所以我們的抗干擾措施主要是針對單片機。還用到稱重傳感器，所采用的應(yīng)變式傳感器是高阻抗器件，其絕緣性能、機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等，直接影響工作特性的穩(wěn)定。因此，應(yīng)變片傳感器的絕緣材料必須有很高的絕緣性能、足夠的機械強度、高形狀穩(wěn)定性及良好的抗?jié)裥阅?。下面重點介紹單片機的抗干擾措施。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速開展，人們對單片機測控系統(tǒng)的各種性能要求越來越高。而系統(tǒng)的可靠性更倍受人們的關(guān)注，這是因為系統(tǒng)的可靠性決定了系統(tǒng)能否到達所需要的精度。就單片機測控系統(tǒng)來講，其主要干擾是來自電源和信號傳輸通道的干擾。1、電源的抗干擾措施普通用電中含有多種高次諧波，它們很容易經(jīng)電源進入單片機系統(tǒng)，還有一些射頻發(fā)射、電磁波等也會由電源線感應(yīng)反響進入單片機系統(tǒng)造成干擾。因此，在電源電路中必需采取有效地濾波措施，來抑制這些高頻干擾的侵入。電源濾波的一般方法是在電源變壓器初、次級分別設(shè)置低通濾波器和線間電容濾波器，使50Hz市電基波通過，而抑制掉高頻信號。此外在變壓器的初、次級之間均采用屏蔽層隔離，其中初級屏蔽層接大地，次級屏蔽層接系統(tǒng)邏輯地，以減少其分布電容，提高抗共模干擾的能力。2、信號傳輸通道的抗干擾措施信號傳輸通道包括系統(tǒng)的前向通道和后向通道，其主要干擾有：雜散電磁場通過感應(yīng)和輻射方式進入通道的干擾；由于地阻抗耦合、漏電流等因素產(chǎn)生的加性干擾；以及因傳輸線衰減、阻抗失配等因素引起的乘性干擾。對于這三類干擾，可以采用以下幾種措施加以排除。〔1〕光電隔離技術(shù)光電耦合器對干擾信號具有良好的隔離性能，一是它的輸入阻抗很小，約為100fl-lldl，而干擾源內(nèi)阻那么很大，通常為105Q～108Q，因此能分壓到光電耦合器輸入端的噪聲很??；二是光電耦合器輸入局部的發(fā)光二極管是在電流狀態(tài)下工作的，即使干擾噪聲有較高的電壓幅度，但由于能量小，不能提供足夠的電流使發(fā)光二極管發(fā)光而被抑制掉；三是光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間分布電容極小，絕緣電阻很大，回路一邊的干擾很難通過光電耦合器饋送到另一邊去。因此，采用光電耦合器可將單片機與前向通道、后向通道及其他局部從電氣上隔離開來，能有效地防止干擾信號的侵入。〔2〕接地技術(shù)本系統(tǒng)既有模擬電路又有數(shù)字電路，因此數(shù)字地與模擬地要分開，最后只在一點相連，如果兩者不分，那么會互相干擾?！?〕輸入輸出信號線采用屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線對于靜電干擾和電磁干擾有很好的抑制作用，有條件的話應(yīng)盡量采用。但使用中應(yīng)注意：線纜敷設(shè)時不要過分用力或使電纜打結(jié)、防止彎曲超過900、防止過緊地纏繞電纜，以保護雙絞47線的扭絞狀態(tài)；做線時，防止損壞線纜的外皮、不要切壞線纜內(nèi)的導(dǎo)線；接線時，雙絞線的開絞長度盡量小，不要超過20mm；雙絞線的屏蔽層采用設(shè)備端單端接地方式。系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)程序使用模塊化的程序設(shè)計思想，主程序通過調(diào)用子程序以實現(xiàn)各局部功能。先進行軟件的總體設(shè)計，然后進行各功能模塊設(shè)計。主程序設(shè)計電子秤需要有數(shù)據(jù)采集、處理、存結(jié)果、送顯示的運行過程。根據(jù)這一要求，電子秤的信息采集與處理分三個階段：在微處理器的控制下，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換的電壓信號通過輸入電路送入A/D轉(zhuǎn)換器處理，存入到數(shù)據(jù)存儲器中；微處理器對采集的測量數(shù)據(jù)進行必要的數(shù)據(jù)處理，把數(shù)據(jù)信號處理為顯示所要求的信號格式，通過輸出接口電路輸出并顯示。主流程圖見圖4-1所示：圖4-1主程序流程圖LM4229液晶顯示驅(qū)動程序圖4-2LM4229液晶顯示驅(qū)動程序流程圖LM4229液晶能夠顯示比擬復(fù)雜的漢字和圖形，首先必須對其寫入控制操作字，包括圖形的顯示方式，字體的模式。然后寫入初始行地址，指針自動左移，直到寫完全部數(shù)據(jù)為止。write_data(place&0xff);//寫入地址高位write_data(place/256);//寫入地址低位write_com(0x24);//地址設(shè)置write_com(0xb0);//設(shè)置數(shù)據(jù)自動寫write_data(ASC_MSK[(c1-0x20)*16+k]);/*---例如：0的ASCII碼為0x30,在ASC_MSK中的位置為0x10*16---16字節(jié)字碼依次寫入LCD---*/write_com(0xb2);//自動復(fù)位place=place+30;ADC0832采樣程序圖4-3ADC0823采樣程序流程圖單片機通過拉低CS、拉高CLK來啟動AD