針對傳統的桌面秤在節能省電，操作方式等方面存在的一些缺陷，設計了一種基于STC89C516RD+的數字式電子桌面秤； 主要介紹了電子桌面秤的硬件系統框架及其關(guān)鍵功能模塊；硬件電路采用層次式設計模式，使硬件系統模塊化程度和可讀性增強。數字 式桌面秤的最大量程為30 kg，最小檢定分度值為10 g等；根據《固定式電子秤GB/T 7723 — 2002》的測試和標定結果表明，整個(gè)系統 不僅架構簡(jiǎn)單、操作靈活、巧妙節能，而且具有較強的電磁兼容性，所有稱(chēng)重技術(shù)指標均達到國家標準III級等級。

0.引言

數字式電子桌面秤是機械、電子以及計算機技術(shù)有機結合 的新型稱(chēng)重儀器，因其較傳統的機械秤而言具有準確、快捷、 結構簡(jiǎn)單、性能穩定的特點(diǎn)，因而被廣泛應用于各種場(chǎng)合。但 目前的桌面秤在節能、省電方面存在缺陷，而且界面不直觀(guān), 操作不靈活。本文介紹了一種基于STC89C516RD+的數字式 電子桌面秤的硬件系統設計方案，系統中采用了合理的節能、 省電方法，使系統功耗大幅降低；使用數字液晶顯示，操作靈 活，使用方便；針對系統中可能存在的干擾因素，采取了有效 的抗干擾措施。

1.硬件設計思想及其系統框架

—般地，硬件電路設計包括平坦式（Flat)和層次式 (Hierarchical)兩種思想和方法。在平坦式電路設計中，硬件 系統中各個(gè)電路模塊被布置在同一張或多張原理圖中，各個(gè)原 理圖通過(guò)網(wǎng)絡(luò )標號相連接。本系統中，為突出電路原理圖的可 閱讀性、易維護性和提高開(kāi)發(fā)效率，依據層次式方法將硬件系 統按功能模塊分類(lèi)，并以方框圖代替實(shí)際硬件電路，其中各個(gè) 功能模塊之間的連接關(guān)系由各個(gè)方塊圖之間的端口連接來(lái)實(shí) 現。這種層次式的電路設計會(huì )使硬件系統框架變得清晰。

分析數字式電子桌面秤的功能要求，加之考慮其經(jīng)濟性、 可靠性等因素，硬件系統主要由稱(chēng)重傳感器、信號調理電路、 A/D轉換電路、控制器、液晶顯示與鍵盤(pán)電路、存儲器、串 口通信電路、聲光報警電路、系統供電等功能模塊組成，如圖1所示。

圖1數字式電子桌面秤硬件系統模塊框架 本系統以ALtium Designer 6. 9為硬件設計平臺，自上而 下地設計系統硬件電路，其頂層電路如圖2所示。

如圖2所示，稱(chēng)重傳感器感測作用在桌面秤上的質(zhì)量信 號，并將其轉換成相應的電信號，此電信號經(jīng)過(guò)信號調理電路 后進(jìn)入A/D轉換電路；A/D轉換電路將放大后的模擬信號轉 換成單片機可識別的數字信號，并且送入控制器；控制器對 A/D轉換后的信號進(jìn)行處理后進(jìn)行顯示，然后通過(guò)串口通信 電路送入計算機進(jìn)行更深入的數據分析；鍵盤(pán)電路負責處理用 戶(hù)的輸入，從而對桌面秤的參數進(jìn)行設置與修改；存儲電路用 來(lái)保存用戶(hù)設置的信息以及軟件運行所需的附加信息；當質(zhì)量 超過(guò)系統的最大稱(chēng)重時(shí)，系統通過(guò)聲光報警電路進(jìn)行提示；系 統供電電路主要用來(lái)提供稱(chēng)重傳感器的激勵電壓、A/D轉換 電路的基準參考電壓以及其它電路所需的工作電壓。

2.硬件系統主要功能模塊

2.1稱(chēng)重傳感器及測量電路

數字式電子桌面秤的核心是稱(chēng)重傳感器，它的優(yōu)劣直接 決定了稱(chēng)重的精度以及非線(xiàn)性誤差等技術(shù)指標。本系統中設計 一種鋁合金材質(zhì)的雙孔彈性梁作為其彈性敏感元件。這種雙孔 彈性梁具有良好的抗偏載特性，即傳感器的輸出結果與所加載 荷在橫軸上的位置無(wú)關(guān)。如圖3所示，應變片R1、R2、R3、 R4 (R1 =R2 =R3 =R4 =R)粘貼在如圖3所示的位置。

2.2信號調理電路與A/D轉換電路

在測量時(shí)，稱(chēng)重傳感器輸出的信號可能受到不同頻率的噪 聲干擾，所以必須采取有效措施進(jìn)行抑制或消除。

在如圖5所示數字式電子桌面秤的信號調理電路中，電阻R22與電容C32、電阻R24與電容C34分別構成了低通濾波器， 可以有效抑制高頻信號。該電路中，如果忽略信號源的內阻， 則低通濾波器的輸出電壓為U。與輸入電壓為u，之間具有如 下關(guān)系：

電壓信號經(jīng)過(guò)上述低通濾波電路后，由儀表放大器 AD623進(jìn)行放大。AD623外接電阻時(shí)，增益范圍1?1000，具 有優(yōu)良的直流性能，增益精度高。當增益增加時(shí)，可減小誤 差，并且可以抑制電源噪聲與電源諧波。信號經(jīng)八D623 放大后，由LTC1864進(jìn)行轉換，如圖6所示。

如圖⑴）所示，LTC1864是一種16位串行高速A/D轉 換器，其分辨率為可達1/65535，當量程為30 kg，因此最小 可分辨30000 g/65535 = 0. 458 g的質(zhì)量，而本桌面秤的最小檢 度值為10 g，因此LTC1864不僅滿(mǎn)足精度要求，而且擁有足 夠的裕量。另外LTC1864正常供電電流僅為850 pA，而在轉 換速率為1 ksps時(shí)可自動(dòng)將供電電流減至2 pA。

在該模塊中，采用高精密基準電壓源芯片八D780輸出的 3V電壓作為LTC1864的參考電壓。這種設計可以避免八/D 轉換器的參考電壓易于受到外部干擾，造成一定程度的波動(dòng)， 從而極大地保證了 A/D轉換器輸出結果的穩定性。

2. 3控制器

根據對數字式桌面秤功能要求的分析，硬件系統采用 STC89系列單片機STC89C516RD+作為控制器，該單片機擁 有64 kB Flash存儲器以及1280字節的RAM，由于其內部的 供電系統、I/O 口、復位電路、時(shí)鐘電路、看門(mén)狗都增加了可 靠性和穩定性處理，具有良好的抗干擾性能和節能性能， 而且相比其它種類(lèi)的單片機，價(jià)格更便宜，其性能完全滿(mǎn)足本 系統的要求。

2.4顯示與鍵盤(pán)電路

為了降低硬件系統的功耗，使系統更加節能、省電， 采用液晶顯示器代替LED數碼管進(jìn)行顯示。系統選用以 KS0108為控制器的128X 64液晶，從而增加了待機時(shí)間，而 且豐富了顯示信息，使操作更加靈活，其顯示電路如圖7所 示。為了便于對顯示電路的控制，液晶的全部可控制引腳通過(guò) 一定方式接至單片機。

傳統的矩陣鍵盤(pán)一般通過(guò)并行方式將I/O 口線(xiàn)直接與單片 機相連，使用這種方式連接的鍵盤(pán)，其掃描速度比較快，在很 多場(chǎng)合仍被廣泛使用，但是它占用了大量的單片機I/O資源， 使單片機應用系統的擴展變得很不方便。因此，在單片機I/O 口資源比較緊張的情況下不宜采用并行方式擴展矩陣鍵盤(pán)。本 系統采用I/O 口擴展芯片PCF8574擴展4X4矩陣鍵盤(pán)，如圖 8所示。PCF8574通過(guò)I2C總線(xiàn)接口與單片機相連，只需要串 行數據線(xiàn)（SDA)與串行時(shí)鐘線(xiàn)（SCL)，即可輕松實(shí)現與單 片機的數據交互。

2.5串口通信電路

在本系統中，為了方便與計算機之間的數據傳輸，也為系 統測試以及后期數據處理便捷起見(jiàn)，設計了獨立的串口通信電 路，如圖9所示。

在圖9中，MAX232是用于RS232接口電路中的電源轉 換芯片，使用+ 5V即可供電。

3.數字式電子桌面秤系統實(shí)現

將層次式架構硬件系統植入整個(gè)稱(chēng)重系統，開(kāi)發(fā)出數字式 電子桌面秤的樣機。樣機中的稱(chēng)重傳感器量程為40 kg、精度 等級為C3級，其輸出靈敏度為2±0. 15mV/V，接線(xiàn)方式為 紅輸入（+ )、綠輸入（一）、白輸出（+ )、黑輸出（一）四 根線(xiàn)，通過(guò)將其焊接到排座上的方法與電路板上的排針相連， 從而方便插拔。本系統供電方式為：八C220V/50HZ。

為了進(jìn)一步提高稱(chēng)重的精確度，在本系統中，除了設計精 度較高的稱(chēng)重傳感器、使用高分辨率的八/D轉換器以及在硬 件電路中合理處理好電磁兼容性外，還在軟件中做了濾波處 理。鑒于大量的調試發(fā)現八/D轉換器輸出的數字量呈上下波 動(dòng)較為均勻的特點(diǎn)，本系統中采用了算術(shù)平均法進(jìn)行數字濾 波，從而使得經(jīng)過(guò)濾波后的A/D轉換器輸出曲線(xiàn)變得平滑很 多，且數據較為穩定。在調試時(shí)，通過(guò)RS232接口接到計算 機可以清晰地觀(guān)測到軟件濾波的功用。如圖10中所示，上下 波動(dòng)較大的曲線(xiàn)為A/D轉換數據未經(jīng)軟件濾波的波形，中間 一條平滑曲線(xiàn)為A/D數據經(jīng)過(guò)軟件濾波后的波形。

本系統的最大量程為30 kg，最小檢定分度值為10g。根據中華人民共和國國家標準《固定式電子秤GB/T 7723— 2002》，對本系統的開(kāi)發(fā)樣機進(jìn)行了置零準確度、稱(chēng)量性能、 除皮、偏載、鑒別力、重復性等項目的測定，部分測定結果如 表1所示。由表可知，本系統達到國家標準III級等級。

4.結論

設計了一種基于STC89C516RD+的數字式電子桌面秤的 硬件系統。主要特點(diǎn)為：

1)采用層次式設計模式，根據功能將硬件系統進(jìn)行模塊 分類(lèi)，以方框圖代替實(shí)際電路。很高的模塊化程度增強了系統 架構的清晰度，突出了電路原理圖的可讀性和易維護性，提高 了硬件系統的開(kāi)發(fā)效率。

2)盡量采用低功耗芯片，加之軟件設計中所提供的用戶(hù) 待機時(shí)間設置，從而可大大節約能耗，延長(cháng)待機時(shí)間。

3)充分考慮模擬信號與數字信號之間的相互影響，系統 設計使用分別接地，并且單獨供電。

4)設計獨立的串口通信電路，既方便系統與計算機之間 的通信，也便于系統測試和數據后期處理。

5)采用數字液晶代替數碼管，豐富了顯示界面，拓展了 功能，使操作更加靈活。

測試和標定表明，本系統設計科學(xué)，架構合理，不僅具有 較高的靈敏度與精確度，符合《固定式電子秤GB/T7723 — 2002》III級等級，而且具有良好的電磁兼容性。