朱黎

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽(yáng) 712000)

基于L-PSIII的電子稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱黎

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽(yáng) 712000)

本系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89S52為控制核心,實(shí)現(xiàn)電子秤的基本控制功能。系統(tǒng)的硬件部分包括最小系統(tǒng)板,數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互界面3大部分。最小系統(tǒng)部分主要是擴(kuò)展了外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,數(shù)據(jù)采集部分由壓力傳感器、信號(hào)的前級(jí)處理和A/D轉(zhuǎn)換部分組成。人機(jī)界面部分為鍵盤(pán)輸入和128*64點(diǎn)陣式液晶顯示,可以直觀的顯示中文,使用方便。軟件部分應(yīng)用單片機(jī)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的全部控制功能,包括基本的稱重功能、累計(jì)計(jì)費(fèi)功能、去皮功能以及顯示購(gòu)物清單的功能,可以設(shè)定10種商品的單價(jià),由于系統(tǒng)資源豐富,還可以方便的擴(kuò)展其應(yīng)用。

傳感器；A/D轉(zhuǎn)換；信號(hào)處理；微控制器

隨著時(shí)代科技的迅猛發(fā)展,微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代電子技術(shù)的成就給傳統(tǒng)的電子測(cè)量與儀器帶來(lái)了巨大的沖擊和革命性的影響［1］。常規(guī)的測(cè)試儀器儀表和控制裝置被更先進(jìn)的智能儀器所取代,使得傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器在遠(yuǎn)離、功能、精度及自動(dòng)化水平定方面發(fā)生了巨大變化［2-3］,并相應(yīng)的出現(xiàn)了各種各樣的智能儀器控制系統(tǒng)［4］,使得科學(xué)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用工程的自動(dòng)化程度得以顯著提高。

本文設(shè)計(jì)的電子秤以單片機(jī)為主要部件［5］,用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì),硬件則以橋式傳感器為主,稱重范圍0～9.999公斤,隨時(shí)可改變上限閾值,并達(dá)到閾值報(bào)警的功能。稱重傳感器輸出的電量是模擬量,數(shù)值比較小達(dá)不到A/D轉(zhuǎn)換接收的電壓范圍。所以送A/D轉(zhuǎn)換之前要對(duì)其進(jìn)行前端放大、整形濾波等處理。然后,A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果才能送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示。其數(shù)據(jù)顯示部分采用LCD顯示,成本低且能很好地實(shí)現(xiàn)所要求的功能。本設(shè)計(jì)的全部控制功能,包括基本的稱重功能、累計(jì)計(jì)費(fèi)功能、去皮功能以及顯示購(gòu)物清單的功能,可以設(shè)定10種商品的單價(jià),由于系統(tǒng)資源豐富,還可以方便的擴(kuò)展其應(yīng)用。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn):電子秤的稱重基本功能,對(duì)采集到的代表重量的信號(hào)能同時(shí)顯示重量［6-8］、金額和單價(jià)；重量的單位為公斤,最大稱重為9.999公斤；單價(jià)和總價(jià)的單位為元,最大數(shù)值為9999.99元；具有去皮功能和總額累加計(jì)算功能。自擬10種商品名稱,能顯示購(gòu)物清單,清單內(nèi)容包括:商品名稱,數(shù)量,單價(jià),金額,本次購(gòu)物總金額、購(gòu)貨日期、收銀員編號(hào)和售貨單位名稱,具有中文顯示功能?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 System overrall block diagram

1.2 器件選型

1）傳感器

稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成,內(nèi)部線路采用惠更斯電橋,當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí),輸出信號(hào)電壓可由下式給出:

L-PSIII型傳感器,量程20 kg,精度為0.01﹪,滿量程時(shí)誤差0.002 kg?？梢詽M足本系統(tǒng)的精度要求。其原理如圖2所示。

圖2 傳感器電路Fig.2 The sensor circuit

2）A/D轉(zhuǎn)換器

由上面對(duì)傳感器量程和精度的分析可知:A/D轉(zhuǎn)換器誤差應(yīng)在0.03﹪以下。

12位A/D精度:10 kg/4096=2.44 g 14位A/D精度: 10 kg/16384=0.61 g

考慮到其他部分所帶來(lái)的干擾,12位 A/D無(wú)法滿足系統(tǒng)精度要求。所以我們需要選擇14位或者精度更高的A/D。

ICL7135雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器精度高,但速度較慢,具有精確的差分輸入,輸入阻抗高（大于 103MΩ）,可自動(dòng)調(diào)零,超量程信號(hào),全部輸出于TTL電平兼容,抗干擾能力強(qiáng)。對(duì)正負(fù)對(duì)稱的工頻干擾信號(hào)積分為零,所以對(duì)50 Hz的工頻干擾抑制能力較強(qiáng),對(duì)高于工頻干擾有良好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零,對(duì)輸出就不產(chǎn)生影響。尤其對(duì)本系統(tǒng),緩慢變化的壓力信號(hào),很容易受到工頻信號(hào)的影響。故而采用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器可大大降低對(duì)濾波電路的要求。積分型A/D轉(zhuǎn)換器可大大降低對(duì)濾波電路的要求。作為電子秤,系統(tǒng)對(duì)AD的轉(zhuǎn)換速度要求并不高,精度上14位的AD足以滿足要求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 前端信號(hào)處理

壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)為毫伏級(jí),所以對(duì)運(yùn)算放大器要求很高。 系統(tǒng)中采用專用儀表放大器芯片INA126。該芯片內(nèi)部采用差動(dòng)輸入,共模抑制比高、差模輸入阻抗大、增益高、線性度好,并且外部接口電路簡(jiǎn)單。放大器增益,通過(guò)改變RG的大小來(lái)改變放大器的增益。INA126構(gòu)成的放大器及濾波電路。

圖3 放大和濾波電路Fig.3 Amplifier and filter circuit

通過(guò)調(diào)節(jié)的阻值來(lái)改變放大倍數(shù)。微弱信號(hào)Vi1和Vi2被分別放大后從INA126的第6腳輸出。A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135的輸入電壓變化范圍是-2～+2 V,傳感器的輸出電壓信號(hào)在0～20 mv左右,因此放大器的放大倍數(shù)在200～300左右,可將接成的滑動(dòng)變阻器。由于ICL7135對(duì)高頻干擾不敏感,所以濾波電路主要針對(duì)工頻及其低次諧波引入的干擾。因?yàn)閴毫π盘?hào)變化十分緩慢,所以濾波電路可以把頻率做得很低。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

ICL7135的時(shí)鐘頻率典型值為200 kHz最高允許為 1 200 kHz,時(shí)鐘頻率越高,轉(zhuǎn)換速度越快。每輸出一位BCD碼的時(shí)間為200個(gè)時(shí)鐘周期,選通脈沖位于數(shù)據(jù)脈沖的中部,如果時(shí)鐘頻率太高,則數(shù)據(jù)的接受程序還沒(méi)有接受完畢,數(shù)據(jù)就已經(jīng)消失了?？紤]到此系統(tǒng)頻率要求不是太高,ICL7135需要外接振蕩器,時(shí)鐘頻率取200 kHz。

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路Fig.4 Analog-to-digital conversion circuit

此外ICL7135外部還需要外接積分電阻、積分電容,由于A/D轉(zhuǎn)換器精度與外接的積分電阻、積分電容的精度無(wú)關(guān),因而可以降低對(duì)元件質(zhì)量的要求。ICL7135當(dāng)精度要求較高時(shí),應(yīng)采用外接基準(zhǔn)源。一般接其典型值1 V。

2.3 鍵盤(pán)輸入和顯示輸出

本系統(tǒng)采用16按鍵矩陣組來(lái)實(shí)現(xiàn),分為10個(gè)數(shù)字鍵0-9及6個(gè)控制鍵。考慮到需要顯示漢字,選用帶有中文字庫(kù)的液晶顯示器LCD12864。其中鍵盤(pán)說(shuō)明如表1所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件的整體設(shè)計(jì)主要包括:數(shù)據(jù)采集和處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序、鍵盤(pán)程序、顯示程序等幾個(gè)模塊。主程序的流程圖如圖5所示。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)基本上滿足設(shè)計(jì)要求,但很大程度上仍需較大的改進(jìn)。首先,數(shù)模轉(zhuǎn)換只能作為演示程序以實(shí)現(xiàn)功能之用,而要使精度達(dá)到要求,至少要使用14位或以上的AD；其次,程序比較冗雜,仍需優(yōu)化。再次,通過(guò)此次設(shè)計(jì),深感一個(gè)團(tuán)隊(duì)的重要性。由于組隊(duì)倉(cāng)促,再加上相互間了解不多,以至同組隊(duì)員中途放棄。個(gè)人之力總有局限,難以完成所有要求。

表1 4*4鍵盤(pán)功能說(shuō)明Tab.1 4*4 Keyboard function

圖5 系統(tǒng)程序流程框圖Fig.5 The system program flow diagram

［1］劉玉梅.高精度稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制［J］,機(jī)械工程師, 2009（1）:102-103.LIU Yu-mei.Precision weighing system design and development［J］.Mechanical Engineer，2009（1）:102-103.

［2］謝應(yīng)宸.基于FS8610的網(wǎng)絡(luò)電子收銀秤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.蘇州:蘇州大學(xué),2009.

［3］山東,孫吉良.紀(jì)銘20002型電子天平的電路原理與故障檢修［N］.電子報(bào),2011.

［4］周杏鵬.傳感器與檢測(cè)技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社,2010.

［5］周聿.電子秤使用應(yīng)注意［N］.中國(guó)郵政報(bào),2010.

［6］崔艷坤.基于單片機(jī)的電子秤的設(shè)計(jì)［J］.黑龍江科技信息, 2014(1):86.CUI Yan-kun.Design of electronic scale based on single chip microcomputer［J］.Heilongjiang Science and Technology Information,2014（1）:86.

Design of electronic weighing system based on L-PSIII

ZHU Li
（Shaanxi Polytechnic Institute,Xianyang 712000,China）

The system USES single-chip AT89S52 as the control core，realize the basic control functions of electronic scale.Hardware part includes the minimum system board，data acquisition，man-machine interface three parts.Minimum system part is mainly to expand the external data memory，data acquisition part consists of pressure sensor，signal level before treatment and A/D conversion parts.Man-machine interface part is 64 dot matrix liquid crystal display，keyboard input and 128 can be intuitive show Chinese，easy to use.Software part of the application of single chip microcomputer C language to realize the control function of the design，including basic weighing function，the total billing，peeled and display the function of the shopping list，you can set the unit price of 10 kinds of commodity，because the system resource is rich，can also convenient to expand its application.

The sensors；A/D conversion；signal processing；micro controller

TN919-34

：A

：1674-6236（2015）18-0087-03

2014-11-17稿件編號(hào)：201411122

朱 黎（1983—）,女,陜西咸陽(yáng)人,碩士,講師。研究方向:信號(hào)與信息處理、計(jì)算機(jī)控制。