基于单片机的便携式电子称设计Word格式文档下载.docx
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2.5电源部分......................................................................................................................10
4LabVIEW仿真.........................................................................................................................13
1引言
1.1课题的背景和意义
随着科学技术的发展，时代的进步，人们对在生产和生活着对秤的要求越来越高，在有些方面需要量程比较大的秤，而在有些地方则需要量程小，精度高的秤。
目前，台式电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍，但存在较大的局限性：
体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。
现有的便携秤为杆秤或以弹簧压缩、拉伸变形来实现计量的弹簧秤，居民用户使用的是国家已经明令淘汰的杆秤。
随着时代的发展，人们一直希望能够有携带方便，精度高，功耗小的便携式电子秤。
1.2本论文主要工作
本文主要是向大家介绍一种新型的便携式电子秤，该电子秤的量程0~5kg，最小分辨率可达到0.1g。
本文详细介绍了该系统的各部分组成。
包括传感器，硬件电路，输出显示，超重报警。
本系统主要由AT89C51单片机来控制，测量物体重量部分由双孔悬臂梁力传感器测量，经过差动放大器为信号进行放大，再利用A/D转换器转换成数字信号输入至单片机中，在通过LCD将重量显示出来。
系统还设置了超重警报功能，保护仪器，防止超重对传感器的破坏。
2总体设计方案
图1系统原理框图
系统总体方案设计如图1所示，它是由悬臂梁力传感器模块，放大电路模块，A/D信号转换器模块，AT89C51单片机模块，数据显示模块，超重报警模块构成。
该电子秤还设有一个电源开关按键。
2.1传感器
由于本系统要求称重在0至5kg范围内，且最小分辨率为0.1g。
因此传感器部分主要是用双孔悬臂梁力传感器进行测量重量如图1所示，它是一种高精度，性能优良，适合小量程的称重测力传感器，采用弹性梁和应变片作转换元件。
当力作用在弹性元件（梁）上时，金属与应变片一起变形使应变片的电阻变化。
图1双孔悬臂梁力传感器原理图
在传感器的测量电路方面，本系统要求的最小分辨率为0.1g，因此采用全桥差动电路。
它不仅能消除非线性误差，而且还使电桥的输出灵敏度是单臂工作时灵敏度的四倍，同时还具有温度补偿的作用。
单臂电桥工作时，
半桥差动电路工作时，
全桥差动电路工作时，
由上可知，全桥差动电路是最适合传感器测量电路。
如图2所示
图2全桥差动电路
2.2信号放大器
该系统的传感器输出电压幅值范围0～30mV。
而A/D转换器的输入电压要求为0～3V，因此该放大电路的增益必须为100左右。
对放大环节的要求是增益可调的（80～130倍），根据本设计的实际情况增益设为100倍即可，零点和增益的温度漂移和时间漂移极小。
因此放大电路主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器，而构成的前级处理电路；
差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放OP07做成一个差动放大器。
如图3所示。
图3差动放大电路
2.3A/D转换
目前，世界上有多种类型的ADC，有传统的并行、逐次逼近型、积分型ADC，也有近年来新发展起来的∑-Δ型和流水线型ADC，多种类型的ADC各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求。
该系统中对物体重量测量的量程为0至5kg，精度为0.1g，精度要求不高，仪器使用的场合要求不高，A/D转换的速率要求也不高，而双积分型A/D转换器精度高，具有精确的差分输入，重要的是输入阻抗高，有自动调零功能，有超量程信号输出，全部输出于TTL电平兼容。
且双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。
对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50Hz的工频干扰抑制能力较强，对高于工频干扰已有良好的滤波作用。
只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。
因此综上所述，根据系统的精度要求以及综合的分析其优点和缺点，该系统采用了12位A/D转换器AD574。
电路连接如图7所示
图7A/D转换电路
2.4单片机系统
该系统采用MCS-51系列的AT89C51单片机，AT89C51单片机有4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
单片机的引脚图如图4所示
图4单片机引脚图
2.4.1LCD显示
该系统采用LCD来显示重量，由于是便携式电子秤，因此需要耗能低的组件，而利用LED数码管显示的话，它的功耗比较高，因此使用LCD来做显示电路，可以节省电能消耗。
LCD电路与单片机的电路连接如图5所示。
图5系统显示电路
2.4.2超重报警
对于电子秤而言，超重报警是必不可少的部分，因为如果测量的物体长期超过传感器所承受的范围内，可能会导致传感器无法复原，产生严重的偏差，最终导致测量结果不准确。
因此在超重报警中，通过A/D转换器转换进来的信号，在单片机内部进行比较，如果超过量程5kg范围内，则在单片机的P2.0口输出高电平，在报警电路中有发光二极管，蜂鸣器，NPN三极管，限流电阻。
当P2.0为高电平时，三极管导通，蜂鸣器想起，发光二极管发亮。
具体原理如图6所示。
图6报警电路
2.5电源部分
该系统的传感器部分需要12V的直流电压，其余芯片单片机之类的需要5V的直流电压。
因此本系统通过接入220V的交流电，经过变压器降压，通过整流滤波电路将交流电变成直流电，再通过稳压二极管来控制电压，输出正负12V，正负5V的直流电压。
具体电路如图8所示。
图8电源电路
3传感器选型
根据本系统的设计方案，在市场上发现有两款传感器，第一款是由蚌埠恒远传感器有限公司生产的HYXB-021小量程悬臂梁传感器。
第二款是由博林公司生产的BL801平行梁传感器。
两款传感器在内部参数上都非常的接近，但是在外形上，第一款传感器的体积要比第二款传感器要小，由于该系统设计的是便携式传感器，因此，我们就选择了第一款由蚌埠恒远传感器有限公司生产的HYXB-021小量程悬臂梁传感器。
传感器介绍如下：
HYXB-021小量程悬臂梁传感器
如图11传感器实物图
图12传感器外形图
额定负荷
1，2，5（kg）
额定输出
1.0±
0.15mV/V
非线性
0.03%F.S
滞后
重复性
蠕变（5分钟）
输出温度影响
0.01%F.S/℃
零点温度影响
0.05%F.S/℃
零点平衡
±
0.1000mV/V
输入阻抗
1115±
10%Ω
输出阻抗
1000±
绝缘阻抗
≥1000MΩ
安全过载率
150%F.S
极限过载率
200%F.S
工作温度范围
-20~60℃
推荐工作电压
5~12VDC
最大工作电压
15VDC
材质
铝合金
防护等级
IP65
电缆
φ0.8×
25cm
台面尺寸
150×
150mm
接线方式
红：
电源+，黑：
电源-，绿：
信号+，白：
信号-
传感器尺寸：
80x2.7x12.7mm
规格：
1kg2kg5kg
满量程输出电压=激励电压x灵敏度1.0mv/v
例如：
供电电压是5v乘以灵敏度1.0mv/v=满量程5mv
接线:
红线输入电压+黑线输入电压-
绿线输出信号+白线输出信号-
4LabVIEW仿真
该系统利用随机数产生0--8之间的数来模拟物体的重量，包括了超重部分，当产生的数字超过5时会发出警报并将重量显示置0，系统中还有一个总开关进行控制。
因此该系统能够形,象的模拟出生活中的各种状况。
图9Labview前面板
图10labview程序框图
5总结与展望
便携式电子秤一共涉及到传感器，电源供电，信号放大及转换，利用单片机来控制整个系统，再显示在LCD液晶显示屏，超重报警等方面，该产品属于新型的便携式电子秤，在精确度方面相比以前提高了很多，该产品的精确度为0.1g。
如果按照我们的方案来设计生产该产品，一定能够满足市场需求。
而且该产品的价格低廉，携带方便，结构简单。
但是产品的不足之处是无法调节产品的量程，由于传感器是5kg的量程，因此电子秤也不能为用户提供量程转换功能。
今后通过继续努力研究与学习，利用更好的传感器来解决该问题，则可以满足更多的用户来使用该产品。
参考文献
[1]马修水，钟伟红，陈琢等传感器与检测技术[M]．浙江：
浙江大学出版社，
2009
[2]李林功，吴飞青，王兵等．单片机原理与应用[M]．北京：
机械工业出版社，2007:
96-120
[3]刘刚，王立香，张连俊．LabVIEW8.20中文版编程及应用[M]．北京：
电子工业出版社，2007
附录
产品介绍说明：
使用说明：
接入220v的家庭用电，打开电源开关即可使用，使用时注意请勿渗入水，可能会引起产品短路。
请勿在载物台上放置超过5kg量程的物体。
使用完毕后请关闭电源，节约能源。
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