鄭尚真 吳琦 王壯
(沈陽理工大學 遼寧沈陽 110159)
基于51單片機的稱重儀系統(tǒng)設(shè)計
鄭尚真 吳琦 王壯
(沈陽理工大學 遼寧沈陽 110159)
稱重器是電子衡器的一種,在工業(yè)稱重計量過程,電子衡器是自動化稱重控制和貿(mào)易計量的重要手段。本設(shè)計是飼養(yǎng)場單體稱重器是基于單片機的稱重儀,它的硬件電路設(shè)計包括單片機最小系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換器、稱重傳感器、LED顯示電路、±5V穩(wěn)壓電源電路等幾部分設(shè)計內(nèi)容。電子秤產(chǎn)品的應(yīng)用性能趨向上更綜合性和組合性。
稱重器;單片機;稱重傳感器;LED顯示
自古以來稱重技術(shù)就被人們所重視,作為一種計量手段,廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、科研、交通、內(nèi)外貿(mào)易等各個領(lǐng)域,與人民的生活緊密相連。電子秤是電子衡器中的一種,衡器是國家法定計量器具,是國計民生、國防建設(shè)、科學研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺少的計量設(shè)備,衡器產(chǎn)品技術(shù)水平的高低,將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會經(jīng)濟效益的提高。但是隨著自動化測試技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的稱重系統(tǒng)在功能、精度、性價比等方面已難以滿足人們的需要,尤其在智能化、便捷式、對微小質(zhì)量的測量方面更顯得力不從心。本系統(tǒng)采用AT89S51單片機作為核心控制器件,結(jié)合高靈敏度的電阻式應(yīng)變式壓力傳感器和高精度的A/D轉(zhuǎn)換器,來設(shè)計稱重系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)物體質(zhì)量、控制及顯示報告的電氣化與智能化。
根據(jù)系統(tǒng)的功能要求,系統(tǒng)由 4個部分組成:控制器部分、信號采集部分、數(shù)據(jù)顯示部分、和電路電源部分,系統(tǒng)設(shè)計總體方案框圖如圖2-2所示。
圖1 總系統(tǒng)體框圖
信號采集部分是利用稱重傳感器檢測壓力信號,得到微弱的電壓信號,而后經(jīng)調(diào)理電路處理后,送A/D轉(zhuǎn)換器,將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出??刂破鞑糠纸邮軄碜訟/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號,經(jīng)過復雜的運算,將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為物體的實際重量信號,并將其存儲到存儲單元中??刂破鬟€可以通過對擴展I/O的控制,對鍵盤進行掃描,而后通過鍵盤控制程序,對整個系統(tǒng)進行控制。數(shù)據(jù)顯示部分根據(jù)需要實現(xiàn)顯示功能。電路電源部分主要是為電路提供穩(wěn)定方便的電源,將工頻電壓直接轉(zhuǎn)換成所需的±5V電壓。
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,當彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時,輸出信號電壓可由下面公式給出:
(1)
電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個原理:彈性體(彈性元件,敏感梁)在外力作用下產(chǎn)生彈性變形,使粘貼在他表面的電阻應(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)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。
由此可見,電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測電路是電阻應(yīng)變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。下面就這三方面簡要論述。
1)電阻應(yīng)變片
電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機械的分布在一塊有機材料制成的基底上,即成為一片應(yīng)變片。他的一個重要參數(shù)是靈敏系數(shù) K。我們來介紹一下它的意義。設(shè)有一個金屬電阻絲,其長度為L,橫截面是半徑為r的圓形,其面積記作S,其電阻率記作,這種材料的泊松系數(shù)是μ。當這根電阻絲未受外力作用時,它的電阻值為R:(Ω)
2) 彈性體
彈性體是一個有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個,首先是它承受稱重傳感器所受的外力,對外力產(chǎn)生反作用力,達到相對靜平衡;其次,它要產(chǎn)生一個高品質(zhì)的應(yīng)變場,使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變電信號的轉(zhuǎn)換任務(wù)。
3)檢測電路
檢測電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。因為惠斯登電橋具有很多?yōu)點,如可以抑制溫度變化的影響,可以抑制側(cè)向力干擾,可以比較方便的解決稱重傳感器的補償問題等,所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高,各臂參數(shù)一致,各種干擾的影響容易相互抵銷,所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。
該系統(tǒng)采用單片機作為主控制系統(tǒng),主要目的在于稱重之后的數(shù)字化顯示和實現(xiàn)精確的測量,故系統(tǒng)應(yīng)該具有單片機工作所需的穩(wěn)定的+5V直流電源,又考慮到數(shù)字化顯示所用到的數(shù)碼管中會出現(xiàn)某段被損壞而不被點亮的情況,系統(tǒng)應(yīng)該具有開機自檢功能,就是開機后自動逐個掃描每一個晶體管,用來檢查數(shù)碼管各段是否完好,可以依靠軟件編程實現(xiàn)。
整個硬件系統(tǒng)由四大模塊組成,下面以控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為依據(jù)就針對各模塊做具體的方案設(shè)計。
(1)主控制器模塊方案選型
決賽分三個環(huán)節(jié),分別是團隊必答題、團隊搶答題和團隊風險題。經(jīng)過一輪輪的比拼,最后東華大學奪得桂冠,榮獲一等獎;上海海關(guān)學院、上海師范大學獲得二等獎;上海交通大學、上海交通職業(yè)技術(shù)學院、上海第二工業(yè)大學獲得三等獎,其他參賽隊伍獲得優(yōu)秀獎。
根據(jù)本設(shè)計與主控制系統(tǒng)的功能要求,以及性價比的最大化這里選用51單片機。而且以單片機為主控制器的設(shè)計,可以容易地將計算機技術(shù)和測量控制技術(shù)結(jié)合在一起,組成新型的只需要改變軟件程序就可以更新?lián)Q代的“智能化測量控制系統(tǒng)”。
(3)稱重傳感器
首先這里傳感器選用L-PSII-10型壓力傳感器,為雙孔懸臂梁形式,是電子計價秤的專用產(chǎn)品。計算并確定轉(zhuǎn)換系數(shù)(f),轉(zhuǎn)換系數(shù)(f)是表明每一個檢定分度值(V)中有多少個示值單位,是用于把全部示值單位轉(zhuǎn)換為“V”的,它是由初始公稱試驗溫度20℃時,進程負荷試臉下試臉效據(jù)平均值確定的。計算參比示值,所謂“參比值”即“理論示值”。計算各試驗點EL。各試驗點誤差與最后一列最大允許誤差相比較。將計算結(jié)果與系統(tǒng)對傳感器的要求做出比較,以確定選型是否成功。
(2)電源模塊方案選型
為了使稱重儀的供電方便,這里把電源設(shè)計成用220V的交流電經(jīng)過變壓器后輸出±9的電壓,經(jīng)整流濾波電路后, 通過LM7805和LM7905進行DC/DC變換得到±5V供壓力傳感器器和系統(tǒng)的其他芯片使用。
(4)數(shù)據(jù)顯示模塊方案選型
本設(shè)計只需要顯示出所稱實物的實際重量,由于LED耗電省、使用壽命長、成本低、亮度高等優(yōu)點,再加上驅(qū)動簡單,容易利用單片機對其進行控制和編程等特點選用LED顯示。
本次設(shè)計的主要技術(shù)指標主要有以下四點:稱重范圍0~50KG、分度值0.01KG、精確度0.01KG、LED顯示。其中在實現(xiàn)電路功能中主要存在的問題就似乎稱重的分度值和精確度,涉及到信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換和放大等許多方面。其外觀通過LED顯示所有數(shù)據(jù)結(jié)果。
[1]蘇鳳,王選誠,陳政,楊海利.基于單片機的數(shù)字式稱重儀設(shè)計[J].傳感器世界,2015,12:21-25.
[2]蘇清祖,江文根,單春賢,唐平.單片機在車輛行駛稱重儀中的應(yīng)用[J].江蘇大學學報(自然科學版),2005,02:125-128.
[3]朱寧賀.裝載機智能稱重儀設(shè)計[D].西南交通大學,2008.
G322
B
1007-6344(2016)10-0215-01
鄭尚真(1995.09--)男,吉林省長春市人,本科學歷,專業(yè):測控技術(shù)與儀器。
吳琦(1995.04--)男,遼寧省沈陽市人,本科學歷,專業(yè): 測控技術(shù)與儀器。
王壯(1995.04--)男,遼寧省葫蘆島市人,本科學歷,專業(yè):機械設(shè)計制造及其自動化。