基于51单片机的电子秤的设计.docx

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基于51单片机的电子秤的设计

摘要

本设计是基于单片机的称重仪，它的硬件电路设计包括单片机最小系统、A/D转换器、称重传感器、语音电路、LED显示电路、±5V稳压电源电路等几部分设计内容。

其中压力传感器输出响应的模拟电压信号，经过模/数转换（A/D变换）后就得到数字量D。

但是，数字量D并不是重物的实际重量值W，W需要由数字量D在控制器内部经过一系列的运算——即数据处理才能得到。

整个设计系统由Atmel公司生产51系列89S51单片机进行控制；软件实现功能开机检测，主要是开机后自动逐个扫描LED数码管，以防止某段数码管损坏造成视觉误差；出于人性化考虑我们还可以增加语音电路，实现自动语音播报重量。

关键词：

称重仪；单片机；LED

目　录

第1章绪论

1.1课题背景

称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。

电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。

称重装置不仅是提供重量数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，推进了工业生产的自动化和管理的现代化，它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。

称重装置的应用已遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效益。

因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。

50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。

60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过40多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。

现今电子衡器制造技术及应用得到了新发展。

电子称重技术从静态称重向动态称重发展：

计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。

通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。

电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。

1.2课题研究目的与意义

随着自动化测试技术的发展，传统的称重系统在功能、精度、性价比等方面已难以满足人们的需要，尤其在智能化、便捷式、对微小质量的测量方面更显得力不从心。

笔者采用以AT89S51单片机为控制核心，结合高敏度的电阻式应变式压力传感器和高精度的A/D转换器，设计称重系统的总体结构及软件、硬件。

实现物体质量、控制及显示报告的电气化与智能化。

称重仪是电子衡器的一种，电子衡器是自动化称重控制和贸易计量的重要手段,对加强企业管理、严格生产、贸易结算、交通运输、港口计量和科学研究都起到了重要作用。

电子衡器具有反应速度快、测量范围广、应用面广、结构简单、使用操作方便、信号远传便于计算机控制等特点，被广泛应用于煤炭、石油、化工、电力、轻工、冶金、矿山、交通运输、港口建筑机械制造和国防等各个领域。

在工业现场和环境中干扰源是各种各样的，如噪音干扰、工频干扰等，抗工频干扰能力成为衡量电子衡器性能的重要指标。

为了具备这一性能，市场上的电子衡器的电路普遍较复杂，相对地，成本也较高。

而本产品电路简单，成本低，抗工频干扰强，具有很好的推广价值。

1.3称重仪的国内外发展现状

1.3.1国内外称重仪现状

50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。

60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过40多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。

我国电子衡器的技术装备和检测试验手段基本达到国际90年代中期的水平,少数产品的技术已处于国际领先水平。

国内的电子秤市场中,1009左右量程的电子秤精度一般为0.019即10mg。

在研究方法上,电子称重系统的工作原理一般是将作用在承载器上的质量或力的大小,通过压力传感器转换为电信号,并通过控制电路来处理该电信号。

电子衡器制造技术及应用得到了新发展。

电子称重技术从静态称重向动态称重发展：

计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。

在国际上,一些发达国家在电子称重力一面已经达到了较高的水平。

特别是在准确度和可靠性等方面有了很大的提高。

在称重传感器方面,国外电子秤产品的品种和结构又有创新,技术功能和应用范围不断扩大,成果举例如下:

（l）美国Revere公司研制出PUS型具有大气压力补偿功能的拉压两用的称重传感器,用于高准确度检验平台,称重平台,准确度可达5000d。

（2）德国HBM公司研制成功C2A、C16A两种不同结构的1-100t具有耐压外壳保护的防爆称重传感器,其防爆性能符合欧洲EN50014和EN50018d级标准。

（3）美国斯凯梅公司研制出新一代高准确度不锈钢F6Ox系列5-5000kg称重传感器,准确度6000d。

用于湿度大,腐蚀性强的环境中,而且防水。

（4）德国塞特内尔公司研制出以被青铜为弹性体材料,快速称重用200型称重传感器。

其特点是线性好,固有频率高,动态响应快。

独创油阻尼装置与过载保护装置一体化,保证称量时速度快,工作寿命长。

组装3一30kg电子平台秤,准确度可达4000d。

但就总体而言，我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。

1.3.1称重仪的发展趋势

台式电子计价秤具在商业贸易中的使相当普遍,但应用场所受到制约。

电子秤产品的应用性能趋向上更综合性和组合性。

（1）小型化

新研制的电子平台秤结构充分体现了体积小、高度低、重量轻（即小、薄、轻）的发展方向。

对于低容量的电子平台秤和电子轮轴秤,可采用薄型或超薄型的圆形称重传感器,这样不但降低了成本,而且提高了稳定性和可靠性[4]。

对中等或较大容量的电子平台秤、电子地上衡,已经出现了采用方形或长方形闭合截面的薄壁型钢焊接成秤体,这是一种很有发展一前途的秤体结构。

对于大型电子平台秤,可利用有限单元法进行等强度和刚度计算,采用抗弯刚度大的型材和轻型波纹夹心钢板等。

（2）模块化

对于大型或超大型的承载器结构,如大型静动态电子汽车衡等,己开始采用几种长度的标准结构的模块,经过分体组合,而产生新的品种和规格。

这种结构,不仅提高了产品的通用性、互换性和可靠性,而且也大大地提高了生产效率和产品质量。

同时还降低了成本,增强了企业的市场竞争力。

（3）集成化

小型电子平台秤、专用秤、便携式静动态电子轮轴秤、静动态电子轨道衡等,都可以实现秤体与称重传感器,钢轨与称重传感器,轨道衡秤体与铁路线路一体化。

（4）智能化

电子秤的称重显示控制器与电子计算机组合,利用电子计算机的智能来增加称重显示控制器的功能。

使电子秤在原有功能的基础上,增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织等功能,这就是当今市场上采用微机化称重显示控制器的电子秤与采用智能化称重显示控制器的电子秤的根本区别[5]。

（5）综合性

电子称重技术的发展规律是不断的加强基础研究并扩大应用,扩展新技术领域,向相邻学科和行业渗透,综合各种技术去解决称重计量、自动控制、信息处理等问题。

例如在流量计量专业,如果采用称重法即质量流量法,只要将重量和时间测量准确,大流量的测量问题就迎刃而解了。

现代商业系统还要求商用电子计价秤能提供各种销售信息,把称重与管理自动化紧密结合,实现管理自动化。

这就要求电子计价秤能与电子计一算机联网,把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统。

（6）组合性

在工业称重计量过程或工艺流程中,不少称重计量系统还要求具有可组合性,即测量范围等可以任意设定;硬件功能向软件方向发展;软件能按一定的程序进行修改和扩展;输入输出数据与指令可以使用不同的语一言和条形码,并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。

我国衡器行业使用面最广、产销量最大的计量产品是非自动衡器。

国际法制计量组织76号国际建议OIMLR76一非自动衡器（它是目前国际上唯一的非自动衡器通用国际标准）中,明确规定非自动衡器按大类分为非自动天平与非自动秤。

目前我国产品标准中列入的十大类衡器已实现了电子化

1.4题设计要求

1、设计出硬件电路。

2、称量范围0~5kg,精度为±1%。

3、LED显示要显示的内容。

本章小结

本章主要是介绍现在生活中的称重仪的历史和国际现状，以及本设计的称重仪与过去的先进之处与它的应用领域，并提出了设计的技术要求。

第2章称重仪的总体方案设计

2.1称重仪的基本工作原理

电子秤的工作原理以电子元件:

称重传感器，放大电路,AD转换电路，单片机电路，显示电路，通讯接口电路，稳压电源电路等电路组成。

当物体放在秤盘上时，压力施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，同时使用激励电压发生变化，输出一个变化的模拟信号。

该信号经放大电路放大输出到模数转换器。

转换成便于处理的数字信号输出到CPU运算控制。

CPU根据程序将这种结果输出到显示器，直至显示这种结果。

2.2称重仪的系统总体框图

按照本设计功能的要求，系统由5个部分组成：

控制器部分、信号采集部分、报警部分、数据显示部分、和电路电源部分，系统设计总体方案框图如图2.1所示。

图2.1总系统体框图

信号采集部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设计为电压信号），而后经处理电路（如滤波电路，差动放大电路，）处理后，送A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出。

控制器部分接受来自A/D转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号，并将其存储到存储单元中。

控制器还可以通过对扩展I/O的控制，对键盘进行扫描，而后通过键盘散转程序，对整个系统进行控制。

数据显示部分根据需要实现显示功能。

电路电源部分主要是为电路提供稳定方便的电源，将工频电压直接转换成所需的±5伏电压。

报警部分只要是在超重时对使用者发出警告声。

2.3称重仪的主控制系统设计

2.3.1称重仪的主控制系统工作原理

该系统选用AT89S51单片机为主控制器，主要是先进行数据采集，采集由前级放大器把压力传感器获取的电压信号放大的模拟信号，在经过A/D转换器转换成的数字信号。

此信号在单片机内经过数据处理及各种运算把所感知的二进制信号转换成十进制，并送进显示模块显示出来。

此外，当单片机感知测量对象超出系统测量范围时，单片机会向报警模块发出指令，启动声光报警装置，设计中为了安全起见，留有较大的过负载能力，因此系统报警时的负载并不会对测量器件造成损坏。

2.3.2称重仪的主控制系统结构

（一）主控制系统具备的功能

该系统采用单片机作为主控制系统，主要目的在于称重之后的数字化显示和实现精确的测量，故系统应该具有单片机工作所需的稳定的+5V直流电源，又考虑到数字化显示所用到的数码管中会出现某段被损坏而不被点亮的情况，系统应该具有开机自检功能，就是开机后自动逐个扫描每一个晶体管，用来检查数码管各段是否完好，可以依靠软件编程实现。

除此之外还有超重报警功能，防止超重物对传感器件造成损坏。

（二）单片机控制系统结构框图如图2-2所示：

图2-2单片机控制系统结构框图

2.4称重仪各模块的方案选型

整个硬件系统由五大模块组成，下面以控制系统结构为依据就针对各模块做具体的方案设计。

2.4.1电源模块方案选型

为了使称重仪的供电方便，这里把电源设计成用220V的交流电经过变压器后输出±9的电压，经整流滤波电路后，通过LM7805和LM7905进行DC/DC变换得到±5V供压力传感器器和系统的其他芯片使用。

2.4.2数据采集模块方案选型

数据采集模块分为3个部分：

称重传感器、前级放大器和A/D转换器。

（一）称重传感器

首先这里传感器选用金钟电子衡器股份有限公司生产的L-PSII-10型压力传感器，为双孔悬臂梁形式，是电子计价秤的专用产品。

这里说下传感器的选型方法，可具体参考以下步骤：

1.计算并确定转换系数（f），转换系数（f）是表明每一个检定分度值（V）中有多少个示值单位，是用于把全部示值单位转换为“V”的，它是由初始公称试验温度20℃时，进程负荷试脸下试脸效据平均值确定的。

2.计算参比示值，所谓“参比值”即是“理论示值”或“理想示值“。

3.计算各试验点EL。

4.各试验点误差与最后一列最大允许误差相比较。

5.将计算结果与系统对传感器的要求做出比较，以确定选型是否成功。

（二）前级放大器

其次前级放大器的设计有以下几种方案可以采用：

方案一、利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。

普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。

由于A/D转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。

所以，此中方案不宜采用。

方案二、由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。

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（如OP07）做成一个差动放大器。

实际测量，每一级运放都会引入较大噪声。

对精度会有较大影响。

方案三、采用专用仪表放大器，如：

INA126，INA121等。

此类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，精度也非常好，且外部接口简单，且放大器的增益是可以改变的。

基于以上分析，我们决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器INA126

（三）A/D转换器

然后按设计要求：

电子称最大称重为5公斤，重量误差不能大于1%0。

我们的理解是满刻度时，只能有±5g的误差，精度要求较高。

同样也有以下几种方案采用

方案一：

采用V/F变换芯片LM331

该方案是使用压频变换器件，把电压信号转化为频率信号，单片机通过计数获得重物的重量，此方案，可不用A/D，但需要比较复杂的小信号放大、调理电路，并且LM331外围电路较繁琐，参数配置相对严格，故未采用。

方案二：

选用12位逐次比较式ADC，此方案经小信号放大、调理电路，可直接连接单片机，也可以可满足精度要求，故采用此方案。

2.4.3主控制器模块方案选型

根据本设计与主控制系统的功能要求，以及性价比的最大化这里选用51单片机。

而且以单片机为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。

2.4.4数据显示模块方案选型

本设计只需要显示出所称实物的实际重量，由于LED耗电省、使用寿命长、成本低、亮度高等优点，再加上驱动简单，容易利用单片机对其进行控制和编程等特点选用LED显示。

2.4.5报警模块方案选型

报警电路只在实物超出人为设定的值时，才被单片机驱动。

在这就是对使用者有个提醒作用，人为使用普通的声光报警就可以。

我们选用蜂鸣器与发光二极管来设计报警电路。

本章小结

本章主要是阐述系统的总框图及其各大模块的方案设计，并且为各方案的选型做了一一的讲解。

第3章称重仪的各单元电路硬件设计

3.1　AT89S51单片机的简介

AT89S51是一种低功耗，高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的8位COMS微控制器，使用高密度，非易失存储技术制造，并且与80C51引脚和指令系统完全兼容。

芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对存储器重复编程。

AT89S51（以下简称89S51）将具有多种功能的8位CPU与FPEROM结合在一个芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又便宜的方案，其性能价格比远高于8751。

由于片内带EPROM的87S51价格偏高，而片内带FPEROM的89S51价格低且与80C51兼容，这就显示出了89S51的优越性。

AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89S单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

3.1.1单片机的最小系统设计

中央处理单元选用我们熟悉的单片机，即最后电路的核心采用最常用、好用和廉价的ATEMAL公司的AT89S51。

设计者必须仔细选择晶振频率，确保标准的通讯波特率（1200、4800、9600、19.2K等）。

不妨先列出可供选择的晶振所能产生的波特率，然后根据需要的波特率和系统要求选择晶振。

有时也不必过分考虑晶振问题，因为可以定制晶振。

当晶振频率超过20M时，必须确保总线上的其它器件能够在这种频率下工作。

当工作频率增加时，功耗也会增加，这点在使用电池作为电源的系统中应充分考虑。

单片机采用89S51单片机，它有4K的程序存储空间和256B的数据存储空间，可以满足编程的要求。

P0口和P2口用于LED数码管的显示。

用12Mhz的晶振，时钟周期为1us。

采用按键复位。

其最小系统的外围电路图如图3-1所示：

图3-1单片机最小系统

3.2　电源电路设计

本时钟电源采用整流滤波电路和三端稳压电路LM7805和LM7905。

LM7805CT芯片输入端电压约为9V,输出端电压为5V，LM7905芯片输入端电压约为-9V,输出端电压为-5V，输入端和输出端的压差绝对值都应大于2.5V,否则会失去稳压能力。

同时考虑到功耗问题,此压差又不易太大,太大则增加7805与7905本身的功率消耗,增加芯片的升温,不利于安全。

根据变压器副边电压与经过滤波后输出电压关系可知,副边电压约为±9V,据此确定变压器原副边匝数比这样即可得到系统所需要的±5V电源，电源设计图如图3-2所示。

图3-2电源设计图

3.3称重传感器的基本工作原理

传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。

用传感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确使用传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。

因此传感器外围电路的抗干扰能力是数据采集部分电路设计的关键环节。

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，输出信号电压可由式（3-1）给出：

（3-1）

电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：

弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相0应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。

由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。

下面就这三方面简要论述。

（一）电阻应变片

电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。

他的一个重要参数是灵敏系数K。

我们来介绍一下它的意义。

设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。

当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：

R=ρL/S（Ω）（3—2）

当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。

设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。

此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。

对式（3--2）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。

我们有：

ΔR=ΔρL/S+ΔLρ/S–ΔSρL/S2（3—3）

用式（3--2）去除式（3--3）得到

ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L–ΔS/S（3—4）

另外，我们知道导线的横截面积S=πr2，则Δs=2πr*Δr，所以

ΔS/S=2Δr/r（3—5）

从材料力学我们知道

Δr/r=-μΔL/L（3—6）

其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。

μ是表示材料横向效应泊松系数。

把式（3—5）式（3—6）代入式（3--4），有

ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L+2μΔL/L

=（1+2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L

=K*ΔL/L（3—7）

其中

K=1+2μ+（Δρ/ρ）/（ΔL/L）（3—8）

式3-7说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。

需要说明的是：

灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。

在材料力学中ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便。

常常把它的百万分之一作为单位，记作με。

这样，式（3—7）常写作：

ΔR/R=Kε（3—9）

（二）弹性体

弹性体是一个有特殊形状的结构件。

它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变电信号的转换任务。

（三）检测电路　　

检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。

因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。

因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。

3.4前级放大器电路设计

称重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。

我们已考虑可以采用第三种方案。

所采用的专用仪表放大器我们选用INA126，其接口如图3-3所示：

图3-3INA126接口电路

3.5A/D转换器电路设计

考虑到本系统中对物体重量的测量和使用的场合，精度要挺苛刻，转换速率要求不太，本设计采用MAXIM推出的MAX18。

3.5.1A/D转换器原理

A/D转换器的原理图如图3-4所示：

图3-4A/D转换原理图

在A/D转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续量，而输出的数字信号代码是离散量，所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间（亦即时间坐标轴上的一些规定点上）对输入的模拟信号取样，然后再把这些取样值转换为输出的数字量。

因此，一般的A/D转换过程是通过取样、保持、量化和编码这四个步骤完成的。

（一）取样定理

可以证明，为了正确无误地用取样信号vS表示模拟信号vI，必须满足：

式中fS取样频率，fimax为输入信号vI的最高频率分量的频率。

其中对输入模拟信号的采样的图如图3-5所示，所用滤波器的频率特性的图如图3-6所示。

在满足取样定理的条件下，可以用一个低通滤波器将信号vS还原为vI，这个低通滤波器的电压传输系数

在低于fimax的范围内应保持不变，而在fS－fimax以前应迅速下降为零。

因此，取样定理