從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)放大、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及顯示五個(gè)部分，詳述電子秤系統(tǒng)的基本原理及設(shè)計(jì)方案。

1.引言

稱重計(jì)量是人類社會(huì)活動(dòng)中不可缺少的部分，隨著國(guó)際交流的發(fā)展，稱重計(jì)量的國(guó)際間的統(tǒng)一顯得越來(lái) 越重要。電子稱重技術(shù)是現(xiàn)代稱重計(jì)量和控制系統(tǒng)工程的重要基礎(chǔ)之一。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代科技進(jìn)步，電子 稱重技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，電子秤在計(jì)量領(lǐng)域中也占有越來(lái)越重要的地位。尤其是商用電子衡器，以 其準(zhǔn)確度高、反應(yīng)靈敏、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，便于與電子計(jì)算機(jī)結(jié)合而實(shí)現(xiàn)稱重計(jì)量與過 程控制自動(dòng)化等特點(diǎn)，而被廣泛用于工商貿(mào)易、能源交通、冶金礦山、輕工食品、醫(yī)藥衛(wèi)生、航空航天等領(lǐng) 域。目前，我國(guó)政府規(guī)定將逐步取消機(jī)械秤，推廣使用電子秤，這更加促使我們加深這方面的研究。

與傳統(tǒng)杠桿式機(jī)械秤相比，傳感器式電子秤具有響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。此外， 由于它沒有復(fù)雜的多聯(lián)杠桿系統(tǒng)、支撐刀和刀承等結(jié)構(gòu)，所以還具有穩(wěn)定性和可靠性好、機(jī)械磨損小、壽命 長(zhǎng)和維修方便等特點(diǎn)。尤其是不少稱重傳感器的密封性能好，從而可以在機(jī)械秤或機(jī)電結(jié)合秤無(wú)法勝任的工 作現(xiàn)場(chǎng)或惡劣環(huán)境下工作。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

電子秤是一種利用力一電變化原理將非電量的重量轉(zhuǎn)換為電量并加以顯示的稱量設(shè)備，也就是一種裝有 電子裝置的衡器。一臺(tái)電子秤，實(shí)際上就是一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。當(dāng)重物放到衡器上時(shí)，壓力傳感器輸出響 應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，通過放大電路將輸出信號(hào)放大，而后送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換），再將 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量D送給單片機(jī)，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換成為質(zhì)量信息W顯示出來(lái)。 其原理框圖如圖1所示。

由上圖可知，本設(shè)計(jì)從原理上看包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)放大、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及顯示四個(gè)部分。

2. 1數(shù)據(jù)采集

本設(shè)計(jì)選用的是高精度的橋式壓力傳感器——YZC單點(diǎn)式稱重傳感器。其量程為5kg，精度為0.01%，滿 量程時(shí)誤差為0.0002kg。此稱重傳感器屬于力敏感傳感器的范疇，通常采用金屬電阻應(yīng)變片作為檢測(cè)力的一 種變換器件。它的基本原理是將應(yīng)變片安裝在受力的變形體上，將變形體產(chǎn)生的變形由應(yīng)變片變換為電量， 電量的大小在變形體結(jié)構(gòu)類型和材料確定的前提下，僅與材料受力的大小有關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)力和電量之間的轉(zhuǎn) 換。右圖為四片金屬電阻應(yīng)變片構(gòu)成的惠更斯電橋電路，它將應(yīng)變引起的電阻變化變換成電壓變化。由電橋 電路原理，推導(dǎo)出應(yīng)變片電壓輸出e。的大小是與外界所加電壓五、應(yīng)變片系數(shù)及應(yīng)變量大小e成正比的，即

e0 = Ek0e11。直接測(cè)量當(dāng)重物放到衡器上時(shí)，傳感器輸出響應(yīng)的模擬電壓信號(hào)。三次測(cè)量重量從0g到4000g變化的60組物體，用數(shù)據(jù)采集結(jié)果作傳感器輸出電壓信號(hào)與重量關(guān)系曲線如圖3所示。其中，藍(lán)色曲線以第 一次測(cè)量結(jié)果為縱坐標(biāo)，紅色曲線以第二次測(cè)量結(jié)果為縱坐標(biāo)，綠色曲線以第三次測(cè)量結(jié)果為縱坐標(biāo)。

很明顯，三次測(cè)量結(jié)果都表明傳感器輸出電壓信號(hào)與重量基本成線性關(guān)系，作一擬合直線一黑色直 線，得到傳感器輸出電壓信號(hào)與重量關(guān)系擬合直線參數(shù)表，見表1。由表1可知，傳感器輸出電壓信號(hào)F(mV) 與重量妒(g)的關(guān)系可以表達(dá)為V=-0.120 11+0.004 92W。

2. 2數(shù)據(jù)放大

由于傳感器輸出的模擬信號(hào)比較微弱，因此必須通過一個(gè)模擬放大電路對(duì)其進(jìn)行放大，才能滿足A/D轉(zhuǎn) 換器對(duì)輸入信號(hào)電平的要求。本設(shè)計(jì)米用運(yùn)算放大器NE5534對(duì)傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大。由于傳感器 的輸出電壓信號(hào)范圍為0?30mV，而A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓變化范圍是-2V?+2V，故放大倍數(shù)設(shè)定為100倍。 NE5534接成100倍的放大電路后，還需接上調(diào)零電路和濾波電路。

同樣三次測(cè)量重量從0g到4000g變化的60組物體放到衡器上時(shí)，傳感器輸出響應(yīng)的模擬電壓信號(hào)經(jīng)運(yùn)算 放大電路放大后的電壓信號(hào)，數(shù)據(jù)基本也成線性變化。這是由于NE5534是線性器件，線性應(yīng)用后，放大器輸 出電壓信號(hào)F(V)與重量W(g)仍呈線性關(guān)系，其關(guān)系表達(dá)式為F =-0.012 011+0.000 492W。

2.3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

本設(shè)計(jì)有較嚴(yán)格的精度要求，故所使用A/D轉(zhuǎn)換器需要很高的精度。由傳感器量程和精度的分析可知， 需選用14位的A/D轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)的電子秤系統(tǒng)，對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度要求并不高，但要求其具有較 強(qiáng)的抗干擾能力，故采用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135，從而大大降低對(duì)濾波電路的要求。

2.4數(shù)據(jù)處理及顯示

2. 4. 1硬件部分

重物經(jīng)過傳感器得出的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量D并不是重物的實(shí)際重量值W，W需要 由數(shù)字量D在顯示器內(nèi)部經(jīng)過一系列的運(yùn)算一數(shù)據(jù)處理才能得到。這一系列的運(yùn)算是由裝在電子秤中的微 型計(jì)算機(jī)來(lái)完成的；不僅如此，電子秤的整個(gè)工作過程也都是在微型計(jì)算機(jī)的控制下有條不紊地進(jìn)行。而 近年來(lái)，隨著大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，單片機(jī)更加廣泛的應(yīng)用在各種智能化儀表中。在電子秤中使用 單片機(jī)可使電子秤的性能提高，成本降低，具有明顯的優(yōu)越性。因此選用了單片機(jī)AT89C52作為微處理機(jī)部 分的主控器件。

本設(shè)計(jì)的目的是通過一系列器件把質(zhì)量信息W顯示出來(lái)，其中包括重量數(shù)值和單位，LED數(shù)碼管和LCD液 晶顯示器都符合要求。但LED需要占用單片機(jī)大量I/O口，限制了擴(kuò)展功能。而使用LCD的串行模式只需要占用單片機(jī)的兩個(gè)I/O口，且顯示位數(shù)多，并能顯示漢字，尤為方便。最終選用了ST7920 LCD作為顯示器件，并使用其串行工作模式，使得其與單片機(jī)的接口電路十分簡(jiǎn)單。

2.4.2軟件部分

軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖4所示。

數(shù)據(jù)處理部分主要是實(shí)現(xiàn)把從A/D轉(zhuǎn)換器出來(lái)的數(shù)字量D轉(zhuǎn)換成為質(zhì)量信息WdA/D轉(zhuǎn)換器所選取的時(shí) 鐘頻率值為125kHz，故一個(gè)轉(zhuǎn)換周期為1/125kHz=8us，由A/D轉(zhuǎn)換器的性能可知，它是隔200個(gè)周期掃描 一位的，利用這個(gè)特點(diǎn)，就可以只檢測(cè)萬(wàn)位信號(hào)，然后隔200個(gè)周期就自動(dòng)掃描到千位信號(hào)，依此類推，而 不需每個(gè)位信號(hào)都作檢測(cè)。為了防止開始時(shí)信號(hào)的不穩(wěn)定，在每位信號(hào)的第100個(gè)周期處讀出其值，即第100 個(gè)周期處讀萬(wàn)位、第300個(gè)周期處讀千位、第500個(gè)周期處讀百位、第700個(gè)周期處讀十位、第900個(gè)周期處讀個(gè)位。讀取各位后就可進(jìn) 行數(shù)據(jù)處理。所以定時(shí)器定時(shí)為8usX200/2=800us。

數(shù)據(jù)處理包括以下幾個(gè)步驟：

①在讀取位數(shù)值后，計(jì)算數(shù)值D。

D=B5X10 000+B4X1 000+B3X100+B2X10+B1。

②把數(shù)值D轉(zhuǎn)換成電壓W_v。

w_v=DXC。其中C為A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度：C=1V/214=0.000 061。

③把w_v轉(zhuǎn)換成重量W。

由于放大器輸出電壓信號(hào)w_v(v)與重量W(g)的關(guān)系表達(dá)為 w_v=-0.012011+0.000 492W=b+kXW,故W=(w_v-b)/k。

數(shù)據(jù)顯示在編程中主要體現(xiàn)為LCD顯示程序，主要包括初始化、寫 命令、寫數(shù)據(jù)等模塊。本設(shè)計(jì)欲顯示“物體重量：XX.XXX Kg”字樣， 包括文字、重量數(shù)值和單位的顯示。其中文字（物體重量：）、小數(shù)點(diǎn) (.)和單位（Kg)都以字符形式定義并顯示，而重量數(shù)值用上面處理 得出的重量灰取各位得出。

3.電子秤的發(fā)展前景與趨勢(shì)

本設(shè)計(jì)的電子秤只是一個(gè)單一的稱重裝置，但它有很大的發(fā)展空間，它能發(fā)展成為一個(gè)集稱重計(jì)量、自 動(dòng)控制和信息處理等部分組成的綜合性稱重系統(tǒng)。近年來(lái)，我國(guó)的衡器行業(yè)的發(fā)展已取得了較好的成績(jī)，但 電子秤的研究與應(yīng)用，電子衡器行業(yè)的總體水平還跟不上國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展步伐。因此，中國(guó)衡器協(xié)會(huì)提出“到 2010年，電子衡器和稱重傳感器生產(chǎn)廠家的技術(shù)裝備和檢測(cè)試驗(yàn)手段要基本達(dá)到當(dāng)代國(guó)際水平”。就產(chǎn)品的 品種、技術(shù)水平和質(zhì)量而言，目前動(dòng)態(tài)電子軌道衡、電子汽車衡、電子地上衡、電子皮帶秤、電子計(jì)價(jià)秤、 中小容量的電子吊秤等，基本達(dá)到了國(guó)家同類產(chǎn)品的水平。但自動(dòng)衡器中的電子定量包裝稱、非連續(xù)和連續(xù) 稱量自動(dòng)稱、重量檢驗(yàn)稱、重量分選稱等，還與國(guó)際水平有一定差距。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的需求，目前電子秤的總發(fā)展趨勢(shì)是小型化、模塊化、集成化、智能化；其速度趨勢(shì)是 速度高、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨勢(shì)是趨向于綜合性和組合性。