鄭尚真 吳琦 王壯

（沈陽理工大學(xué) 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(xué) 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

0 前言

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(xué)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。

1 系統(tǒng)設(shè)計

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(fù)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。控制器還可以通過對擴展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。

2 稱重傳感器的基本工作原理

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，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(dāng)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。

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計

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(fēng)險題。經(jīng)過一輪輪的比拼，最后東華大學(xué)奪得桂冠，榮獲一等獎；上海海關(guān)學(xué)院、上海師范大學(xué)獲得二等獎；上海交通大學(xué)、上海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院、上海第二工業(yè)大學(xué)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。

4 結(jié)語

本次設(shè)計的主要技術(shù)指標(biāo)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(xué)學(xué)報(自然科學(xué)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(xué),2008.

G322

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1007-6344（2016）10-0215-01

鄭尚真（1995.09--）男，吉林省長春市人，本科學(xué)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(xué)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(xué)歷，專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化。