電子秤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

電子秤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案2.1.電子秤的組成2.1.1電子秤的基本結(jié)構(gòu)電子秤的最基本構(gòu)成原理是通過被稱物體的自身重力對壓力傳感器產(chǎn)生壓力作用，壓力傳感器將采集到的壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號；再通過將得到的電信號進(jìn)行模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換；最后通過以微處理器為核心的處理器計(jì)算得到物體的質(zhì)量。主要由以下三部分組成。(1)承重、復(fù)位系統(tǒng)當(dāng)物體通過傳感器將其轉(zhuǎn)換時(shí)，此時(shí)需要通過機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行對物體承載，當(dāng)然物體不再機(jī)械結(jié)構(gòu)上時(shí)要復(fù)位，這就需要一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。這樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)有吊掛式結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)。(2)稱重傳感器在電子秤系統(tǒng)中，物體的自身重力轉(zhuǎn)換為電量的過程中最為關(guān)鍵的就是稱重傳感器，稱重傳感器可以按結(jié)構(gòu)和性能的不同劃分為直接移位式傳感器、應(yīng)變式壓力和應(yīng)變式電阻傳感器和具有物理效應(yīng)的磁彈性傳感器。對于稱重傳感器來說，對他的最基本要求是：較高的穩(wěn)定性、較高的靈敏度、良好的線性結(jié)構(gòu)、較差的工作條件下穩(wěn)定性和靈敏度較好。(3)載荷測量顯示裝置在電子秤設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，傳感器作為物體質(zhì)量和自身壓力轉(zhuǎn)換的紐帶和連接橋梁，稱重傳感器一般作為將物體自身的壓力轉(zhuǎn)換為與其成線性關(guān)系的電量，電信號作為后續(xù)電路的處理和變換。承載在壓力傳感器的機(jī)械部件和測量顯示裝置稱為承重和測量顯示裝置。一般在電子電路中通常由以下幾個(gè)基本的環(huán)節(jié)構(gòu)成。這些環(huán)節(jié)包括；放大、濾波、變換、計(jì)算和存儲顯示。2.1.2電子秤的工作原理當(dāng)物體放于帶有秤盤結(jié)構(gòu)的傳感器時(shí)，此時(shí)傳感器將物體重力換算為與之成函數(shù)關(guān)系（一般為線性關(guān)系）電信號，再經(jīng)過放大環(huán)節(jié)、濾波環(huán)節(jié)、變換環(huán)節(jié)，這時(shí)以單片機(jī)作為核心處理器負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，最后經(jīng)過存儲環(huán)節(jié)暫時(shí)存儲。以單片機(jī)為核心的CPU不斷地掃描鍵盤開關(guān)，當(dāng)掃描到鍵盤開關(guān)按下時(shí)，CPU進(jìn)行從存儲機(jī)構(gòu)中讀數(shù)據(jù)，再通過與鍵盤輸入的值進(jìn)行計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果通過顯示機(jī)構(gòu)進(jìn)行顯示。2.2電子秤信號采集信號和處理流程電子秤中測量數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確度將是至關(guān)重要的，因此單純的靠硬件電路和傳感器技術(shù)的發(fā)展是解決不了最根本的問題的。由此引入了軟件數(shù)據(jù)處理技術(shù)。這樣可以使得總體誤差得以減小，減少了硬件設(shè)計(jì)的難度。數(shù)據(jù)處理的主要處理手段有：尺度轉(zhuǎn)換，零漂處理，數(shù)字濾波，消除無效的物理量。下面就幾種數(shù)據(jù)處理作介紹：（1）消除無效的物理量在電子秤系統(tǒng)中由于物理設(shè)備引起的物理量只能用軟件的方法來消除。在電子秤中稱重傳感器必須結(jié)合帶有機(jī)械結(jié)構(gòu)的秤盤，這就使得原有的傳感器引入了附加值。這就是引入了額外值。需要進(jìn)行改進(jìn)。但硬件無論如何改，難度特別大。這是就必須采用軟件的方式來實(shí)現(xiàn)，達(dá)到預(yù)期的效果。（2）零漂移處理零漂移就是在電子電路中一般器件是由晶體管構(gòu)成，這就使得其本身存在電子漂移，隨著溫度的發(fā)生改變，零漂移也就越來越明顯。在電子秤系統(tǒng)中零漂移對于結(jié)果的影響特別大，這就使得要采用零漂移處理。通過器件給定的漂移值將其在軟件設(shè)計(jì)中減去，達(dá)到預(yù)期的目的。（3）尺度轉(zhuǎn)換模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后得到了一些數(shù)字碼，該數(shù)字不等于物體質(zhì)量的量綱，只能轉(zhuǎn)換，才能達(dá)到預(yù)期值。一般的線性系統(tǒng)來說，通常的變換公式如（2.2.1）：（2.2.1）各個(gè)參量意義如下：Ao：測量范圍最小值A(chǔ)m：測量范圍最大值N0：Ao所對應(yīng)的數(shù)字量Nm：Am所對應(yīng)的數(shù)字量Nx：Ax所對應(yīng)的數(shù)字量Ao、Am、NO和Nm都是常數(shù)，但是這些常數(shù)對應(yīng)不同的值。尺度變換就是建立稱重物體通過稱重傳感器轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)W和模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)N的數(shù)學(xué)模型。假如承載被稱物體的秤盤和其他秤盤構(gòu)造的部件質(zhì)量為WO相應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換參量就是N，此時(shí)最大量程范圍是Wm，相應(yīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換對應(yīng)的最大量程為Nm，此時(shí)物體的凈重為Wc=W-WO,此時(shí)對應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系為（2.2.2）：（2.2.2）以上的變換中，只是簡單地做了被測物體的凈重和（A/D）模數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系之間的數(shù)學(xué)模型，這樣做忽略了精確度、分辨率等問題。由國家法規(guī)要求對電子秤系統(tǒng)的精確度、分辨率做了確切的要求。一般在硬件條件達(dá)到滿足的條件下，只能通過軟件設(shè)置分辨率、精確度，假設(shè)分辨率、精確度用d、n。它們與上式的關(guān)系為：（2.2.3）（2.2.4）（2.2.5）電子秤系統(tǒng)設(shè)計(jì)中K由調(diào)用程序來確定，K確定后將它存儲起來，每次調(diào)用來確定物體的凈重，K有時(shí)被稱為標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)，此時(shí)測量時(shí)物體的凈重為：Wc=W-W0=（N-N0）Kd（1.2.6）（5）數(shù)字濾波技術(shù)在實(shí)際生活當(dāng)中對于系統(tǒng)的影響有：外界的電磁干擾、環(huán)境的干擾，因此在處理這些問題是只能引入數(shù)字濾波器技術(shù)才能更好地處理這些問題。一般也就是在系統(tǒng)中加入RC濾波電路，這樣一來就達(dá)到了很好的效果。還可以采用多種濾波器結(jié)合達(dá)到預(yù)期的愿望。2.3設(shè)計(jì)要求(1)稱量范圍：0—9.999Kg。(2)對測量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，并進(jìn)行誤差分析計(jì)算，稱重誤差不大于正負(fù)5g。（3)注意電子秤的使用場合，力求實(shí)現(xiàn)電子秤的性價(jià)比最優(yōu)，這些提到的性價(jià)比包括功耗、人性化和成本。(4)通過LCD顯示，顯示內(nèi)容包括物體的質(zhì)量、單價(jià)和總價(jià)格。2.4基本思路按照設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能和性能分析，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖2-4所示。圖2-1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.5單片機(jī)的選型在單片機(jī)的選型中我將單片機(jī)和目前市場流行的FPGA進(jìn)行了比較和選取。目前就這兩種來說有以下幾方面的優(yōu)缺點(diǎn)。如果使用基于FPGA等編程芯片作為電子秤的核心處理器，考慮到FPGA硬件編程芯片可以做并行運(yùn)算，但靈活性查，因此只能適合做高速但重復(fù)性強(qiáng)的、管理高速的硬件部件。FPGA主要應(yīng)用于通信、數(shù)字圖像處理，更加偏向于硬件電路，而單片機(jī)更偏向于軟件，無論是成本還是控制方面，單片機(jī)顯示出更好的優(yōu)越性。綜合考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)來說主要用到的是計(jì)算和數(shù)據(jù)處理和采集方面。選取單片機(jī)作為核心部分最具有優(yōu)勢。2.6數(shù)據(jù)采集模塊電子秤通過數(shù)據(jù)采集模塊將物體的重力信號轉(zhuǎn)換為電量，通常數(shù)據(jù)采集模塊主要有稱重傳感器、處理器電路。數(shù)據(jù)采集模塊的選取關(guān)系到最終結(jié)果的準(zhǔn)確性、關(guān)系到誤差的大小，因此選擇這部分時(shí)，關(guān)鍵在于考慮是否影響到系統(tǒng)的精確度和產(chǎn)生誤差的大小。就這些考慮的因素來對于電子秤傳感器和AD模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行選擇。2.6.1電子秤傳感器的選型在電子秤系統(tǒng)中稱重傳感器關(guān)系到系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，稱重傳感器中，其主要是根據(jù)被測物體的自身重力對傳感器產(chǎn)生壓力作用，將壓力轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)關(guān)系的電量。稱重傳感器的選取指標(biāo)由以下幾部分組成：（1）總誤差總誤差是說明物體的質(zhì)量的測量和物體質(zhì)量的實(shí)際值之間的不一致性，存在差異。總誤差對于電路的精確度很重要，這就意味著在硬件設(shè)計(jì)中對于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、放大電路和濾波電路有了更高的設(shè)計(jì)要求。（2）靈敏度靈敏度就是當(dāng)輸入端有電流時(shí)，輸出端是否立即產(chǎn)生電流。靈敏度作為選取稱重傳感器的重要指標(biāo)來說關(guān)系到電子秤系統(tǒng)的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確性。漂移稱重傳感器本身由微電子技術(shù)構(gòu)成，這就意味著半導(dǎo)體器件的自由電子的漂移運(yùn)動形成電流。當(dāng)輸入信號為零時(shí)，輸出不為零。就目前來看傳感器有壓電式稱重傳感器、電阻應(yīng)變式傳感器等的傳感器。下面就這些個(gè)稱重傳感器進(jìn)行選擇性比較。（1）電容式傳感器一般穩(wěn)定性好，使用壽命長、精確度高和靈敏度高，但是對環(huán)境存在強(qiáng)的依賴性。（2）電阻應(yīng)變式稱重傳感器是主要由可以拉伸的應(yīng)變式電阻構(gòu)成，當(dāng)電阻發(fā)生形變時(shí)，電阻阻值也就相應(yīng)的發(fā)生變化，這就使得產(chǎn)生差動信號電阻應(yīng)變式傳感器一般穩(wěn)定性好、使用壽命長和靈敏度高，對環(huán)境不存在依賴性。（3）壓電式壓力傳感器是由于稱重物體帶動平板電容，使平板電容的兩極之間的距離發(fā)生改變，這樣使得平板電容的電容量發(fā)生改變。壓電式壓力傳感器精確度、穩(wěn)定性、靈敏度都具有很好的優(yōu)勢，但是大量程的壓電式壓力傳感器還存在問題，需要進(jìn)一步研究。由以上的分析得出結(jié)論：應(yīng)變式壓力傳感器最具有優(yōu)勢。應(yīng)變式壓力傳感器有四個(gè)可拉伸電阻構(gòu)成，當(dāng)被測物體放在秤盤的時(shí)候由惠更斯電橋組成的電路的電阻阻值將會發(fā)生變化，打破原有的平衡，產(chǎn)生差動信號。經(jīng)過后續(xù)電路的濾波、放大將其傳給后面的采集處理模塊進(jìn)行處理?；莞闺姌蚧窘Y(jié)構(gòu)如圖2-6所示：圖2-2惠更斯電橋典型的惠更斯電橋具有兩個(gè)可變電橋臂的4電阻結(jié)構(gòu)的電橋。當(dāng)沒有稱重物體時(shí)，電阻將不會發(fā)生形變，電橋保持平衡。當(dāng)被測物體對傳感器產(chǎn)生壓力作用時(shí)，電阻發(fā)生形變，電阻阻值發(fā)生了改變。下面就惠更斯電橋的各個(gè)參量作簡單的介紹：R1、R2、R3、R4分別為四個(gè)應(yīng)變式電阻，在惠更斯電橋中，核心也就是這四個(gè)電阻了，主要原理就是這四個(gè)電阻值發(fā)生變化失去平衡達(dá)到目的。Rm為溫度補(bǔ)償電阻，負(fù)責(zé)當(dāng)溫度對其產(chǎn)生影響時(shí)，自動使得電阻平衡。e為輸入激勵(lì)輸入電壓，V為響應(yīng)輸出電壓，也就是轉(zhuǎn)換后的輸出的差動信號。在忽略溫度補(bǔ)償電阻Rm時(shí)，電橋的輸出電壓是（2.6.1）：（2.6.1）由于沒有稱重物體此時(shí)R1=R2=R3=R4=R,此時(shí)輸出電壓V=0。當(dāng)有稱重物體時(shí)此時(shí)的電橋中的電阻的阻值將變?yōu)樵瓉砘A(chǔ)上的電橋的輸出電壓變?yōu)椋?.6.2）：（2.6.2）通過簡化輸出電壓變?yōu)椋?.6.3）：（2.6.3）有上式可以看出，此時(shí)的輸出的電壓當(dāng)量和電阻的變化一般成正比關(guān)系。當(dāng)被測物體位于秤盤時(shí)，就會給下面的傳感器產(chǎn)生壓力作用，此時(shí)R1、R3被拉伸發(fā)生形變，電阻阻值發(fā)生改變，阻值將增大，R2、R4被壓縮發(fā)生形變，電阻阻值也會發(fā)生變化，阻值將會減小。若考慮Rm，則電橋輸出電壓變?yōu)椋?2.6.4)(2.6.5)令，則,此時(shí)的SU在電子秤設(shè)計(jì)系統(tǒng)中稱為靈敏度。電阻應(yīng)變式傳感器的使用必須結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)的承重部件，這就使得傳感器有了一定的誤差。為了減小這部分的誤差，一般采取的方法就是運(yùn)用軟件方法去改善。2.6.2A/D轉(zhuǎn)換模塊的選型考慮到電子秤的精度方面，如果選用ADC0809，ADC0809不僅占用過多的I/O口，而且ADC0809是8位的AD轉(zhuǎn)換芯片，誤差太大滿足不了設(shè)計(jì)要求。增加I/O口就必須加鎖存，在功耗方面增加了負(fù)擔(dān)?？紤]到電子秤的功耗、性能要求，所以選擇HX711作為模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換模塊及放大電路選擇模塊。HX711是24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部具有放大電路，該芯片與其他類型芯片相比較表現(xiàn)出了優(yōu)越性和簡易型。HX711芯片內(nèi)部繼承了片內(nèi)時(shí)鐘震蕩電路、穩(wěn)壓電源等，此外該芯片響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)。在與后端的電路接口中與后續(xù)MCU芯片的接口和軟件設(shè)計(jì)比較簡單。2.7人機(jī)交換模塊設(shè)計(jì)選型由于系統(tǒng)要求人機(jī)交互給人一種更加直觀的交互界面，選擇人機(jī)交互模塊時(shí)應(yīng)注意直觀和方便兩方面的考慮。電子秤是一種低功耗的電子設(shè)備，在考慮人機(jī)交互時(shí)還需注意功耗方面。2.7.1鍵盤輸入模塊鍵盤輸入主要是為了當(dāng)稱出物體的質(zhì)量時(shí)，方便人們計(jì)算總價(jià)格的一種人機(jī)交換方式。考慮到本設(shè)計(jì)中按鍵的數(shù)量多和使用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)信息采集模塊，4*4鍵盤可以提高單片機(jī)的I/O的利用率，一般矩陣鍵盤使用行線和列線來控制，這樣一來就是的I/O口的利用率大大提高。方便STC89C52作為核心處理器來控制。2.7.2輸出顯示模塊在本設(shè)計(jì)要求中提到注意系統(tǒng)功耗和性價(jià)比方面，如果系統(tǒng)顯示模塊采用數(shù)碼管，就會占用單片機(jī)過多的I/O口，I/O口的利用率大大降低，此外還需要引用兩片MAX7219。由于電子秤顯示的物體的質(zhì)量，當(dāng)輸入單價(jià)時(shí)，必須顯示物體的總價(jià)格。因此采用其它的顯示方式不能達(dá)到預(yù)期的效果。液晶顯示更加直觀的顯示出信息，考慮到電子秤必須要考慮功耗，還考慮到設(shè)計(jì)中必須以中文顯示才能直觀的被人們所接受。采用數(shù)碼管或者LED系列的顯示方式不能滿足要求，因此采用液晶顯示可以既滿足人們的感官需求又可以滿足低功耗。在電子秤設(shè)計(jì)中，有兩方面的考慮本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求和性價(jià)比，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)必須要注意這兩方面。因此再選用液晶的時(shí)候必須注意，出于對這些方面的考