從數據采集、數據放大、數據轉換、數據處理及顯示五個(gè)部分，詳述電子秤系統的基本原理及設計方案。

1.引言

稱(chēng)重計量是人類(lèi)社會(huì )活動(dòng)中不可缺少的部分，隨著(zhù)國際交流的發(fā)展，稱(chēng)重計量的國際間的統一顯得越來(lái) 越重要。電子稱(chēng)重技術(shù)是現代稱(chēng)重計量和控制系統工程的重要基礎之一。近年來(lái)，隨著(zhù)現代科技進(jìn)步，電子 稱(chēng)重技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，電子秤在計量領(lǐng)域中也占有越來(lái)越重要的地位。尤其是商用電子衡器，以 其準確度高、反應靈敏、性能穩定、結構簡(jiǎn)單，環(huán)境適應性強，便于與電子計算機結合而實(shí)現稱(chēng)重計量與過(guò) 程控制自動(dòng)化等特點(diǎn)，而被廣泛用于工商貿易、能源交通、冶金礦山、輕工食品、醫藥衛生、航空航天等領(lǐng) 域。目前，我國政府規定將逐步取消機械秤，推廣使用電子秤，這更加促使我們加深這方面的研究。

與傳統杠桿式機械秤相比，傳感器式電子秤具有響應速度快、結構簡(jiǎn)單、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。此外， 由于它沒(méi)有復雜的多聯(lián)杠桿系統、支撐刀和刀承等結構，所以還具有穩定性和可靠性好、機械磨損小、壽命 長(cháng)和維修方便等特點(diǎn)。尤其是不少稱(chēng)重傳感器的密封性能好，從而可以在機械秤或機電結合秤無(wú)法勝任的工 作現場(chǎng)或惡劣環(huán)境下工作。

2.系統設計方案

電子秤是一種利用力一電變化原理將非電量的重量轉換為電量并加以顯示的稱(chēng)量設備，也就是一種裝有 電子裝置的衡器。一臺電子秤，實(shí)際上就是一個(gè)數據采集系統。當重物放到衡器上時(shí)，壓力傳感器輸出響 應的模擬電壓信號，通過(guò)放大電路將輸出信號放大，而后送入A/D轉換器進(jìn)行模數轉換(A/D轉換），再將 轉換后的數字量D送給單片機，單片機接收數據后，對數據進(jìn)行處理，將其轉換成為質(zhì)量信息W顯示出來(lái)。 其原理框圖如圖1所示。

由上圖可知，本設計從原理上看包括數據采集、數據放大、數據轉換、數據處理及顯示四個(gè)部分。

2. 1數據采集

本設計選用的是高精度的橋式壓力傳感器——YZC單點(diǎn)式稱(chēng)重傳感器。其量程為5kg，精度為0.01%，滿(mǎn) 量程時(shí)誤差為0.0002kg。此稱(chēng)重傳感器屬于力敏感傳感器的范疇，通常采用金屬電阻應變片作為檢測力的一 種變換器件。它的基本原理是將應變片安裝在受力的變形體上，將變形體產(chǎn)生的變形由應變片變換為電量， 電量的大小在變形體結構類(lèi)型和材料確定的前提下，僅與材料受力的大小有關(guān)，從而實(shí)現力和電量之間的轉 換。右圖為四片金屬電阻應變片構成的惠更斯電橋電路，它將應變引起的電阻變化變換成電壓變化。由電橋 電路原理，推導出應變片電壓輸出e。的大小是與外界所加電壓五、應變片系數及應變量大小e成正比的，即

e0 = Ek0e11。直接測量當重物放到衡器上時(shí)，傳感器輸出響應的模擬電壓信號。三次測量重量從0g到4000g變化的60組物體，用數據采集結果作傳感器輸出電壓信號與重量關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示。其中，藍色曲線(xiàn)以第 一次測量結果為縱坐標，紅色曲線(xiàn)以第二次測量結果為縱坐標，綠色曲線(xiàn)以第三次測量結果為縱坐標。

很明顯，三次測量結果都表明傳感器輸出電壓信號與重量基本成線(xiàn)性關(guān)系，作一擬合直線(xiàn)一黑色直 線(xiàn)，得到傳感器輸出電壓信號與重量關(guān)系擬合直線(xiàn)參數表，見(jiàn)表1。由表1可知，傳感器輸出電壓信號F(mV) 與重量妒(g)的關(guān)系可以表達為V=-0.120 11+0.004 92W。

2. 2數據放大

由于傳感器輸出的模擬信號比較微弱，因此必須通過(guò)一個(gè)模擬放大電路對其進(jìn)行放大，才能滿(mǎn)足A/D轉 換器對輸入信號電平的要求。本設計米用運算放大器NE5534對傳感器輸出的電壓信號進(jìn)行放大。由于傳感器 的輸出電壓信號范圍為0?30mV，而A/D轉換器輸入電壓變化范圍是-2V?+2V，故放大倍數設定為100倍。 NE5534接成100倍的放大電路后，還需接上調零電路和濾波電路。

同樣三次測量重量從0g到4000g變化的60組物體放到衡器上時(shí)，傳感器輸出響應的模擬電壓信號經(jīng)運算 放大電路放大后的電壓信號，數據基本也成線(xiàn)性變化。這是由于NE5534是線(xiàn)性器件，線(xiàn)性應用后，放大器輸 出電壓信號F(V)與重量W(g)仍呈線(xiàn)性關(guān)系，其關(guān)系表達式為F =-0.012 011+0.000 492W。

2.3數據轉換

本設計有較嚴格的精度要求，故所使用A/D轉換器需要很高的精度。由傳感器量程和精度的分析可知， 需選用14位的A/D轉換器。本設計的電子秤系統，對于A/D轉換器轉換速度要求并不高，但要求其具有較 強的抗干擾能力，故采用雙積分型A/D轉換器ICL7135，從而大大降低對濾波電路的要求。

2.4數據處理及顯示

2. 4. 1硬件部分

重物經(jīng)過(guò)傳感器得出的模擬電壓信號經(jīng)過(guò)A/D轉換后得到數字量D并不是重物的實(shí)際重量值W，W需要 由數字量D在顯示器內部經(jīng)過(guò)一系列的運算一數據處理才能得到。這一系列的運算是由裝在電子秤中的微 型計算機來(lái)完成的；不僅如此，電子秤的整個(gè)工作過(guò)程也都是在微型計算機的控制下有條不紊地進(jìn)行。而 近年來(lái)，隨著(zhù)大規模集成電路的飛速發(fā)展，單片機更加廣泛的應用在各種智能化儀表中。在電子秤中使用 單片機可使電子秤的性能提高，成本降低，具有明顯的優(yōu)越性。因此選用了單片機AT89C52作為微處理機部 分的主控器件。

本設計的目的是通過(guò)一系列器件把質(zhì)量信息W顯示出來(lái)，其中包括重量數值和單位，LED數碼管和LCD液 晶顯示器都符合要求。但LED需要占用單片機大量I/O口，限制了擴展功能。而使用LCD的串行模式只需要占用單片機的兩個(gè)I/O口，且顯示位數多，并能顯示漢字，尤為方便。最終選用了ST7920 LCD作為顯示器件，并使用其串行工作模式，使得其與單片機的接口電路十分簡(jiǎn)單。

2.4.2軟件部分

軟件設計的流程圖如圖4所示。

數據處理部分主要是實(shí)現把從A/D轉換器出來(lái)的數字量D轉換成為質(zhì)量信息WdA/D轉換器所選取的時(shí) 鐘頻率值為125kHz，故一個(gè)轉換周期為1/125kHz=8us，由A/D轉換器的性能可知，它是隔200個(gè)周期掃描 一位的，利用這個(gè)特點(diǎn)，就可以只檢測萬(wàn)位信號，然后隔200個(gè)周期就自動(dòng)掃描到千位信號，依此類(lèi)推，而 不需每個(gè)位信號都作檢測。為了防止開(kāi)始時(shí)信號的不穩定，在每位信號的第100個(gè)周期處讀出其值，即第100 個(gè)周期處讀萬(wàn)位、第300個(gè)周期處讀千位、第500個(gè)周期處讀百位、第700個(gè)周期處讀十位、第900個(gè)周期處讀個(gè)位。讀取各位后就可進(jìn) 行數據處理。所以定時(shí)器定時(shí)為8usX200/2=800us。

數據處理包括以下幾個(gè)步驟：

①在讀取位數值后，計算數值D。

D=B5X10 000+B4X1 000+B3X100+B2X10+B1。

②把數值D轉換成電壓W_v。

w_v=DXC。其中C為A/D轉換器的轉換精度：C=1V/214=0.000 061。

③把w_v轉換成重量W。

由于放大器輸出電壓信號w_v(v)與重量W(g)的關(guān)系表達為 w_v=-0.012011+0.000 492W=b+kXW,故W=(w_v-b)/k。

數據顯示在編程中主要體現為LCD顯示程序，主要包括初始化、寫(xiě) 命令、寫(xiě)數據等模塊。本設計欲顯示“物體重量：XX.XXX Kg”字樣， 包括文字、重量數值和單位的顯示。其中文字（物體重量：）、小數點(diǎn) (.)和單位（Kg)都以字符形式定義并顯示，而重量數值用上面處理 得出的重量灰取各位得出。

3.電子秤的發(fā)展前景與趨勢

本設計的電子秤只是一個(gè)單一的稱(chēng)重裝置，但它有很大的發(fā)展空間，它能發(fā)展成為一個(gè)集稱(chēng)重計量、自 動(dòng)控制和信息處理等部分組成的綜合性稱(chēng)重系統。近年來(lái)，我國的衡器行業(yè)的發(fā)展已取得了較好的成績(jì)，但 電子秤的研究與應用，電子衡器行業(yè)的總體水平還跟不上國家經(jīng)濟的發(fā)展步伐。因此，中國衡器協(xié)會(huì )提出“到 2010年，電子衡器和稱(chēng)重傳感器生產(chǎn)廠(chǎng)家的技術(shù)裝備和檢測試驗手段要基本達到當代國際水平”。就產(chǎn)品的 品種、技術(shù)水平和質(zhì)量而言，目前動(dòng)態(tài)電子軌道衡、電子汽車(chē)衡、電子地上衡、電子皮帶秤、電子計價(jià)秤、 中小容量的電子吊秤等，基本達到了國家同類(lèi)產(chǎn)品的水平。但自動(dòng)衡器中的電子定量包裝稱(chēng)、非連續和連續 稱(chēng)量自動(dòng)稱(chēng)、重量檢驗稱(chēng)、重量分選稱(chēng)等，還與國際水平有一定差距。

根據國內外市場(chǎng)的需求，目前電子秤的總發(fā)展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化；其速度趨勢是 速度高、準確度高、穩定性高、可靠性高；其功能趨勢是趨向于綜合性和組合性。