基于单片机的电子称重系统设计方案

随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。

本文设计的电子秤以单片机为主要部件，用C语言进行软件设计，硬件则以桥式传感器为主，称重范围0～9.999公斤，随时可改变上限阈值，并达到阈值报警的功能。称重传感器输出的电量是模拟量，数值比较小达不到A/D转换接收的电压范围。所以送A/D转换之前要对其进行前端放大、整形滤波等处理。然后，A/D转换的结果才能送单片机进行数据处理并显示。其数据显示部分采用LCD显示，成本低且能很好地实现所要求的功能。本设计的全部控制功能，包括基本的称重功能、累计计费功能、去皮功能以及显示购物清单的功能，可以设定10种商品的单价，由于系统资源丰富，还可以方便的扩展其应用。

1 方案设计

1.1 设计思路

该系统可实现：电子秤的称重基本功能，对采集到的代表重量的信号能同时显示重量、金额和单价;重量的单位为公斤，最大称重为9.999公斤;单价和总价的单位为元，最大数值为9999.99元;具有去皮功能和总额累加计算功能。自拟10种商品名称，能显示购物清单，清单内容包括：商品名称，数量，单价，金额，本次购物总金额、购货日期、收银员编号和售货单位名称，具有中文显示功能。总体结构框图如图1所示。

图1：系统总体框图

 
1.2 器件选型

1)传感器

称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由下式给出：
 

L-PSIII型传感器，量程20 kg，精度为0.01%，满量程时误差0.002kg。可以满足本系统的精度要求。其原理如图2所示。
 

图2：传感器电路

 
2)A/D转换器

由上面对传感器量程和精度的分析可知：A/D转换器误差应在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

考虑到其他部分所带来的干扰，12位A/D无法满足系统精度要求。所以我们需要选择14位或者精度更高的A/D。

ICL7135双积分型A/D转换器精度高，但速度较慢，具有精确的差分输入，输入阻抗高(大于103MΩ)，可自动调零，超量程信号，全部输出于TTL电平兼容，抗干扰能力强。对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50 Hz的工频干扰抑制能力较强，对高于工频干扰有良好的滤波作用。只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。故而采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。作为电子秤，系统对AD的转换速度要求并不高，精度上14位的AD足以满足要求。

2 系统硬件设计

2.1 前端信号处理

压力传感器输出的电压信号为毫伏级，所以对运算放大器要求很高。系统中采用专用仪表放大器芯片INA126。该芯片内部采用差动输入，共模抑制比高、差模输入阻抗大、增益高、线性度好，并且外部接口电路简单。放大器增益G=5+80kΩ/RG，通过改变RG的大小来改变放大器的增益。INA126构成的放大器及滤波电路。
 

图3：放大和滤波电路

 
通过调节的阻值来改变放大倍数。微弱信号Vi1和Vi2被分别放大后从INA126的第6脚输出。A/D转换器ICL7135的输入电压变化范围是-2～+2 V，传感器的输出电压信号在0～20 mv左右，因此放大器的放大倍数在200～300左右，可将接成的滑动变阻器。由于ICL7135对高频干扰不敏感，所以滤波电路主要针对工频及其低次谐波引入的干扰。因为压力信号变化十分缓慢，所以滤波电路可以把频率做得很低。

2.2 模数转换电路

ICL7135的时钟频率典型值为200 kHz最高允许为1200 kHz，时钟频率越高，转换速度越快。每输出一位BCD码的时间为200个时钟周期，选通脉冲位于数据脉冲的中部，如果时钟频率太高，则数据的接受程序还没有接受完毕，数据就已经消失了。考虑到此系统频率要求不是太高，ICL7135需要外接振荡器，时钟频率取200 kHz。
 

图4：模数转换电路

 
此外ICL7135外部还需要外接积分电阻、积分电容，由于A/D转换器精度与外接的积分电阻、积分电容的精度无关，因而可以降低对元件质量的要求。ICL7135当精度要求较高时，应采用外接基准源。一般接其典型值1 V。

2.3 键盘输入和显示输出

本系统采用16按键矩阵组来实现，分为10个数字键0～9及6个控制键。考虑到需要显示汉字，选用带有中文字库的液晶显示器LCD12864。其中键盘说明如表1所示。
 

表1：4*4键盘功能说明

 
3 软件设计

软件的整体设计主要包括：数据采集和处理、模数转换子程序、键盘程序、显示程序等几个模块。主程序的流程图如图5所示。
 

图5：系统程序流程框图

 
4 结论

本设计基本上满足设计要求，但很大程度上仍需较大的改进。首先，数模转换只能作为演示程序以实现功能之用，而要使精度达到要求，至少要使用14位或以上的AD;其次，程序比较冗杂，仍需优化。再次，通过此次设计，深感一个团队的重要性。由于组队仓促，再加上相互间了解不多，以至同组队员中途放弃。个人之力总有局限，难以完成所有要求。

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