太原工業(yè)學院□程麗霞 吳 璞

1 引言

早在原始社會末期，中國古代計量學已經開始出現，隨著生產力的逐漸發(fā)展，人們對長度、容量、重量和時間的測量需求也逐步增加。秤是日常生活中使用十分廣泛的測量器具，也是實現商品交換的重要途徑。在 《國內外電子衡器結構創(chuàng)新與應用分析》（劉九卿等，2016） 中提到，自從 1960 年以來，機械設備與電子產品相結合式的儀器出現，經過多年的研究和發(fā)展，全電子型、智能型成為了電子衡器新的發(fā)展方向，告別了初期的生產階段。在《電子稱重技術現狀和發(fā)展趨勢》（邵樹春等，2011） 中提到，在科學技術高速發(fā)展的今天，電子產品開始向小型化、智能化、模塊化發(fā)展，具有反應迅速、可測量的范圍寬泛、涉及的類型多樣、構造相對簡單、信號可實現遠距離傳送等特點。本文設計了一種智能電子秤，它的控制芯片采用了AT89S52 單片機，稱量壓力傳感器、A/D 轉換器、液晶顯示器等構成其主要部分。稱重傳感器的類型選擇了電阻應變式傳感器，在顯示質量的同時還可以在超量程的情況下實現報警的功能，附加的過載報警功能可以更好地保護設備。

2 智能電子秤總體設計

電子稱重技術是將多門學科有機結合的綜合性技術，是機電、材料、信息等的統(tǒng)一，是一項系統(tǒng)工程，這是在 《展望21 世紀初電子稱重技術的發(fā)展》（劉九卿等，2011） 中提到的。機械衡器是由機械構件組成的衡器，依靠構件的受力平衡和人為改變一些數據彌補誤差的方法實現稱量。在充分了解了稱重技術的發(fā)展、電子秤的分類后，選擇了電阻式應變傳感器，它具有多重優(yōu)點，能夠適應動態(tài)和靜態(tài)兩種測量環(huán)境，且小型化，構成簡單，靈敏度高。在工作過程中，多應用于測量力等物理量參數。本文設計的智能電子秤選取了AT89S52 作為微控制器，AD0832作為A/D 轉換電路芯片，LCD1602 作為液晶顯示器，系統(tǒng)結構圖如圖1。本設計采用了protues 軟件進行仿真，使其具有高準確度的稱重功能、實時顯示稱重結果，并能夠進行自我診斷與檢測，同時可以在后期超過量程時進行報警提醒用戶。

圖1 系統(tǒng)結構圖

3 稱重模塊硬件設計

電子秤的主要構成部分有：電源、A/D 轉換部分、傳感部分、顯示部分以及報警部分等。電源模塊負責整個系統(tǒng)的供電，一部分用于激勵源供電，維持應變傳感器式測量電橋的穩(wěn)定，一部分用于系統(tǒng)其他部分供電。A/D 轉換器是將模擬量轉換為數字量，之后單片機才能夠進行數據處理。這里選用了AD0832 作為A/D 轉換電路的芯片，它由雙通道構成，5V 電源供電、分辨率有8 位，輸入輸出電平可以和多種晶體管兼容，時鐘頻率為 250kHz，芯片轉換的時間只有 32μs，模擬電壓輸入在0～5V 之間，能夠滿足系統(tǒng)的要求。

稱重壓力傳感器是電子衡器的核心，它的選擇至關重要，最終選定了應變式傳感器。其關鍵組成部分是電阻應變片，由電阻絲、基片、覆蓋層和引線構成，能夠把應變的變化最終轉換為電阻的變化，我們又將電阻的變化轉換成電壓的變化，應變片在電橋中有不同的接法，我們采用了雙臂半橋式應變電橋接法，測量電路如圖2 所示。

圖2 測量電路

半橋差動電路的輸出電壓為：

若電橋初始時是平衡的，ΔR1＝ΔR2成立，在對稱情況下，R1＝R2，R3＝R4，式（1） 可化簡為：

此時無非線性誤差，電橋電壓靈敏度KU=E/2，是單臂工作時的兩倍。

LCD1602 是單片機系統(tǒng)中最常見且市場普及度很高的一種字符型液晶顯示模塊，不僅耗電少而且尺寸小，典型工作電壓為5V，引腳包含八條數據線、三條控制線和三條電源線。蜂鳴器報警模塊用于對一些預設的錯誤提出警告信號。

4 控制系統(tǒng)軟件設計

家用智能電子秤需要具備以下功能：1） 稱重功能；2） 實時顯示功能；3） 故障檢測與報警功能。這里采用了單片機AT89S52 作為控制芯片。開始工作后，系統(tǒng)上電復位，微控制器對每個模塊進行初始化設置，為后續(xù)程序處理做準備，并執(zhí)行故障自我檢測，如若在此檢測中存在故障，就會發(fā)出故障警告。除此以外，可根據模式的狀態(tài)變量輸入不同模式。在進入稱量階段，通過傳感器受力，模擬電壓信號送到控制芯片AT89S52 之后，A/D 轉換器完成相關的處理，將被測量物體的重量信息由模擬量轉換為數字量，單片機經過濾波，誤差補償等方式，根據所使用壓力傳感器的型號選取所適用的公式進行換算處理數據，然后對LM06L 進行寫操作，最后根據用戶需求將結果在顯示屏上實現輸出。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3 所示。

系統(tǒng)的相關程序如下：

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

5 仿真測試

電源接通后，各部分模塊開始協(xié)同工作，按照特定的程序完成稱量工作。這里我們采用Protues 軟件進行仿真，它能夠將電路設計與實物仿真及印制電路板設計相結合，可以在其界面上利用軟件提供的各類電子元器件進行電路繪制，之后加載正確的代碼最終可以實現仿真并進行分析。Keil C51 是一種可以兼容單片機C 語言軟件的開發(fā)系統(tǒng)，操縱相對簡單。當程序運行時，傳感器向單片機輸入模擬電壓信號，經過A/D 轉換后，根據技術手冊提供的公式進行換算，最后將結果顯示在LCD1602 的液晶顯示屏上。在仿真過程中，先在編譯軟件中生成.hex文件，然后將.hex 文件裝載到Protues 軟件中的AT89C52 中，輸入合理的數值后，LCD1602 中將會顯示數值，如果輸入數值超過上限，則會顯示規(guī)定的數值并進行報警提醒。

6 小結

本文設計的家用智能電子秤采用了AT89S52單片機、A/D0832 轉換器以及LCD1602 液晶顯示屏等作為其主要構成部分，并通過prutues 軟件對其高精度稱重、實時顯示以及超量程報警的功能進行了仿真，仿真結果說明該電子秤是一種便捷、準確、實用性強的智能電子秤。