針對傳統(tǒng)的桌面秤在節(jié)能省電，操作方式等方面存在的一些缺陷，設(shè)計了一種基于STC89C516RD+的數(shù)字式電子桌面秤； 主要介紹了電子桌面秤的硬件系統(tǒng)框架及其關(guān)鍵功能模塊；硬件電路采用層次式設(shè)計模式，使硬件系統(tǒng)模塊化程度和可讀性增強(qiáng)。數(shù)字 式桌面秤的最大量程為30 kg，最小檢定分度值為10 g等；根據(jù)《固定式電子秤GB/T 7723 — 2002》的測試和標(biāo)定結(jié)果表明，整個系統(tǒng) 不僅架構(gòu)簡單、操作靈活、巧妙節(jié)能，而且具有較強(qiáng)的電磁兼容性，所有稱重技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)III級等級。

0.引言

數(shù)字式電子桌面秤是機(jī)械、電子以及計算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合 的新型稱重儀器，因其較傳統(tǒng)的機(jī)械秤而言具有準(zhǔn)確、快捷、 結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的特點，因而被廣泛應(yīng)用于各種場合。但 目前的桌面秤在節(jié)能、省電方面存在缺陷，而且界面不直觀, 操作不靈活。本文介紹了一種基于STC89C516RD+的數(shù)字式 電子桌面秤的硬件系統(tǒng)設(shè)計方案，系統(tǒng)中采用了合理的節(jié)能、 省電方法，使系統(tǒng)功耗大幅降低；使用數(shù)字液晶顯示，操作靈 活，使用方便；針對系統(tǒng)中可能存在的干擾因素，采取了有效 的抗干擾措施。

1.硬件設(shè)計思想及其系統(tǒng)框架

—般地，硬件電路設(shè)計包括平坦式（Flat)和層次式 (Hierarchical)兩種思想和方法。在平坦式電路設(shè)計中，硬件 系統(tǒng)中各個電路模塊被布置在同一張或多張原理圖中，各個原 理圖通過網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號相連接。本系統(tǒng)中，為突出電路原理圖的可 閱讀性、易維護(hù)性和提高開發(fā)效率，依據(jù)層次式方法將硬件系 統(tǒng)按功能模塊分類，并以方框圖代替實際硬件電路，其中各個 功能模塊之間的連接關(guān)系由各個方塊圖之間的端口連接來實 現(xiàn)。這種層次式的電路設(shè)計會使硬件系統(tǒng)框架變得清晰。

分析數(shù)字式電子桌面秤的功能要求，加之考慮其經(jīng)濟(jì)性、 可靠性等因素，硬件系統(tǒng)主要由稱重傳感器、信號調(diào)理電路、 A/D轉(zhuǎn)換電路、控制器、液晶顯示與鍵盤電路、存儲器、串 口通信電路、聲光報警電路、系統(tǒng)供電等功能模塊組成，如圖1所示。

圖1數(shù)字式電子桌面秤硬件系統(tǒng)模塊框架 本系統(tǒng)以ALtium Designer 6. 9為硬件設(shè)計平臺，自上而 下地設(shè)計系統(tǒng)硬件電路，其頂層電路如圖2所示。

如圖2所示，稱重傳感器感測作用在桌面秤上的質(zhì)量信 號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，此電信號經(jīng)過信號調(diào)理電路 后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路；A/D轉(zhuǎn)換電路將放大后的模擬信號轉(zhuǎn) 換成單片機(jī)可識別的數(shù)字信號，并且送入控制器；控制器對 A/D轉(zhuǎn)換后的信號進(jìn)行處理后進(jìn)行顯示，然后通過串口通信 電路送入計算機(jī)進(jìn)行更深入的數(shù)據(jù)分析；鍵盤電路負(fù)責(zé)處理用 戶的輸入，從而對桌面秤的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與修改；存儲電路用 來保存用戶設(shè)置的信息以及軟件運行所需的附加信息；當(dāng)質(zhì)量 超過系統(tǒng)的最大稱重時，系統(tǒng)通過聲光報警電路進(jìn)行提示；系 統(tǒng)供電電路主要用來提供稱重傳感器的激勵電壓、A/D轉(zhuǎn)換 電路的基準(zhǔn)參考電壓以及其它電路所需的工作電壓。

2.硬件系統(tǒng)主要功能模塊

2.1稱重傳感器及測量電路

數(shù)字式電子桌面秤的核心是稱重傳感器，它的優(yōu)劣直接 決定了稱重的精度以及非線性誤差等技術(shù)指標(biāo)。本系統(tǒng)中設(shè)計 一種鋁合金材質(zhì)的雙孔彈性梁作為其彈性敏感元件。這種雙孔 彈性梁具有良好的抗偏載特性，即傳感器的輸出結(jié)果與所加載 荷在橫軸上的位置無關(guān)。如圖3所示，應(yīng)變片R1、R2、R3、 R4 (R1 =R2 =R3 =R4 =R)粘貼在如圖3所示的位置。

2.2信號調(diào)理電路與A/D轉(zhuǎn)換電路

在測量時，稱重傳感器輸出的信號可能受到不同頻率的噪 聲干擾，所以必須采取有效措施進(jìn)行抑制或消除。

在如圖5所示數(shù)字式電子桌面秤的信號調(diào)理電路中，電阻R22與電容C32、電阻R24與電容C34分別構(gòu)成了低通濾波器， 可以有效抑制高頻信號。該電路中，如果忽略信號源的內(nèi)阻， 則低通濾波器的輸出電壓為U。與輸入電壓為u，之間具有如 下關(guān)系：

電壓信號經(jīng)過上述低通濾波電路后，由儀表放大器 AD623進(jìn)行放大。AD623外接電阻時，增益范圍1?1000，具 有優(yōu)良的直流性能，增益精度高。當(dāng)增益增加時，可減小誤 差，并且可以抑制電源噪聲與電源諧波。信號經(jīng)八D623 放大后，由LTC1864進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如圖6所示。

如圖⑴）所示，LTC1864是一種16位串行高速A/D轉(zhuǎn) 換器，其分辨率為可達(dá)1/65535，當(dāng)量程為30 kg，因此最小 可分辨30000 g/65535 = 0. 458 g的質(zhì)量，而本桌面秤的最小檢 度值為10 g，因此LTC1864不僅滿足精度要求，而且擁有足 夠的裕量。另外LTC1864正常供電電流僅為850 pA，而在轉(zhuǎn) 換速率為1 ksps時可自動將供電電流減至2 pA。

在該模塊中，采用高精密基準(zhǔn)電壓源芯片八D780輸出的 3V電壓作為LTC1864的參考電壓。這種設(shè)計可以避免八/D 轉(zhuǎn)換器的參考電壓易于受到外部干擾，造成一定程度的波動， 從而極大地保證了 A/D轉(zhuǎn)換器輸出結(jié)果的穩(wěn)定性。

2. 3控制器

根據(jù)對數(shù)字式桌面秤功能要求的分析，硬件系統(tǒng)采用 STC89系列單片機(jī)STC89C516RD+作為控制器，該單片機(jī)擁 有64 kB Flash存儲器以及1280字節(jié)的RAM，由于其內(nèi)部的 供電系統(tǒng)、I/O 口、復(fù)位電路、時鐘電路、看門狗都增加了可 靠性和穩(wěn)定性處理，具有良好的抗干擾性能和節(jié)能性能， 而且相比其它種類的單片機(jī)，價格更便宜，其性能完全滿足本 系統(tǒng)的要求。

2.4顯示與鍵盤電路

為了降低硬件系統(tǒng)的功耗，使系統(tǒng)更加節(jié)能、省電， 采用液晶顯示器代替LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。系統(tǒng)選用以 KS0108為控制器的128X 64液晶，從而增加了待機(jī)時間，而 且豐富了顯示信息，使操作更加靈活，其顯示電路如圖7所 示。為了便于對顯示電路的控制，液晶的全部可控制引腳通過 一定方式接至單片機(jī)。

傳統(tǒng)的矩陣鍵盤一般通過并行方式將I/O 口線直接與單片 機(jī)相連，使用這種方式連接的鍵盤，其掃描速度比較快，在很 多場合仍被廣泛使用，但是它占用了大量的單片機(jī)I/O資源， 使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的擴(kuò)展變得很不方便。因此，在單片機(jī)I/O 口資源比較緊張的情況下不宜采用并行方式擴(kuò)展矩陣鍵盤。本 系統(tǒng)采用I/O 口擴(kuò)展芯片PCF8574擴(kuò)展4X4矩陣鍵盤，如圖 8所示。PCF8574通過I2C總線接口與單片機(jī)相連，只需要串 行數(shù)據(jù)線（SDA)與串行時鐘線（SCL)，即可輕松實現(xiàn)與單 片機(jī)的數(shù)據(jù)交互。

2.5串口通信電路

在本系統(tǒng)中，為了方便與計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，也為系 統(tǒng)測試以及后期數(shù)據(jù)處理便捷起見，設(shè)計了獨立的串口通信電 路，如圖9所示。

在圖9中，MAX232是用于RS232接口電路中的電源轉(zhuǎn) 換芯片，使用+ 5V即可供電。

3.數(shù)字式電子桌面秤系統(tǒng)實現(xiàn)

將層次式架構(gòu)硬件系統(tǒng)植入整個稱重系統(tǒng)，開發(fā)出數(shù)字式 電子桌面秤的樣機(jī)。樣機(jī)中的稱重傳感器量程為40 kg、精度 等級為C3級，其輸出靈敏度為2±0. 15mV/V，接線方式為 紅輸入（+ )、綠輸入（一）、白輸出（+ )、黑輸出（一）四 根線，通過將其焊接到排座上的方法與電路板上的排針相連， 從而方便插拔。本系統(tǒng)供電方式為：八C220V/50HZ。

為了進(jìn)一步提高稱重的精確度，在本系統(tǒng)中，除了設(shè)計精 度較高的稱重傳感器、使用高分辨率的八/D轉(zhuǎn)換器以及在硬 件電路中合理處理好電磁兼容性外，還在軟件中做了濾波處 理。鑒于大量的調(diào)試發(fā)現(xiàn)八/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量呈上下波 動較為均勻的特點，本系統(tǒng)中采用了算術(shù)平均法進(jìn)行數(shù)字濾 波，從而使得經(jīng)過濾波后的A/D轉(zhuǎn)換器輸出曲線變得平滑很 多，且數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。在調(diào)試時，通過RS232接口接到計算 機(jī)可以清晰地觀測到軟件濾波的功用。如圖10中所示，上下 波動較大的曲線為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)未經(jīng)軟件濾波的波形，中間 一條平滑曲線為A/D數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件濾波后的波形。

本系統(tǒng)的最大量程為30 kg，最小檢定分度值為10g。根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《固定式電子秤GB/T 7723— 2002》，對本系統(tǒng)的開發(fā)樣機(jī)進(jìn)行了置零準(zhǔn)確度、稱量性能、 除皮、偏載、鑒別力、重復(fù)性等項目的測定，部分測定結(jié)果如 表1所示。由表可知，本系統(tǒng)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)III級等級。

4.結(jié)論

設(shè)計了一種基于STC89C516RD+的數(shù)字式電子桌面秤的 硬件系統(tǒng)。主要特點為：

1)采用層次式設(shè)計模式，根據(jù)功能將硬件系統(tǒng)進(jìn)行模塊 分類，以方框圖代替實際電路。很高的模塊化程度增強(qiáng)了系統(tǒng) 架構(gòu)的清晰度，突出了電路原理圖的可讀性和易維護(hù)性，提高 了硬件系統(tǒng)的開發(fā)效率。

2)盡量采用低功耗芯片，加之軟件設(shè)計中所提供的用戶 待機(jī)時間設(shè)置，從而可大大節(jié)約能耗，延長待機(jī)時間。

3)充分考慮模擬信號與數(shù)字信號之間的相互影響，系統(tǒng) 設(shè)計使用分別接地，并且單獨供電。

4)設(shè)計獨立的串口通信電路，既方便系統(tǒng)與計算機(jī)之間 的通信，也便于系統(tǒng)測試和數(shù)據(jù)后期處理。

5)采用數(shù)字液晶代替數(shù)碼管，豐富了顯示界面，拓展了 功能，使操作更加靈活。

測試和標(biāo)定表明，本系統(tǒng)設(shè)計科學(xué)，架構(gòu)合理，不僅具有 較高的靈敏度與精確度，符合《固定式電子秤GB/T7723 — 2002》III級等級，而且具有良好的電磁兼容性。