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电子称的设计汇总
摘要
电子秤是称重技术中的一种新型仪表，广泛应用于各种场合。
它采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，才能满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动”称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。
本课程设计的电子秤是51系列单片机AT89C51为控制核心，实现电子秤的基本控制功能。
在设计系统时，为了更好地采用模块化设计法，分步的设计各个单元功能模块，系统的硬件部分可以分为最小系统、数据采集、数码显示和系统电源四大部分。
最小系统部分主要包括AT89C51和扩展的外部数据存储器；数据采集部分由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成，包括运算放大器LM358和A/D转换器ADC0808。
软件部分应用单片机C语言进行编程，实现了该设计的全部控制功能。
该电子秤可以实现基本的称重功能（称重范围为0～9.999Kg，重量误差不大于±0.005Kg）
关键词：
传感器、A/D转换、数码显示、电子称
第一章系统总体设计方案比较与论证
在设计系统时，针对各个模块实现的功能来设计电子秤的方案有以下几种：
方案一数码管显示：
结构简图如下：
图1.1数码管显示方案
此方案利用数码管显示物体重量，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机。
由此设计出的电子秤系统，硬件部分简单，接口电路易于实现，并且在编程时大大减少程序量，在电路结构上只有简单的输出输入关系。
缺点是：
硬件部分简单，虽然可以实现电子称基本的称重功能，不能实现外部数据的输入，无法根据实际情况灵活地设定各种控制参数。
因为采用了具有模数转换功能的单片机，系统电路过于简单，系统硬件的扩展必受到限制，电子秤的功能过于单一。
方案二在前一种方案的基础上进行扩展，增加一键盘输入装置，增加外界对单片机内部的数据设定，使电子称实现称重计价的功能。
结构简图如下图所示：
图1.2带有键盘输入的结构简图
此方案设计的电子秤，可以实现称物计价功能，但是局限于数码管的功能，在显示时只能显示单价、购物总额以及简单的货物代码等。
在显示重量时，如果数码管没有足够的位数，那么称量物体重量的精度必受到限制，所以此方案需要较多的数码管接入电路中。
这样在处理输入输出接口时需要另行扩展足够多的I/O接口供数码管使用，比较麻烦。
方案三
↑Fx→传感器→OP放大→A/D转换→CPU→显示驱动→显示屏幕
工作流程说明：
当物体放在秤盘上时，压力施给传感器，该传感器发生形变，使激励电压发生变化，输出一个变化的模拟信号。
该信号经滤波后，至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。
基本工作原理框图如下
图1.3自感式电子称结构简图
由于现实中各方面的考虑，我们在设计时，采用了第三种设计方案。
第二章稳压电源方案
稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成。
鉴于以上考虑，本设计的电源方框及波形图如图2-1。
图2-1电源方框及波形图
其工作原理如下：
A、整流和滤波电路：
整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。
滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。
B、稳压电路：
由于得到的输出电压U4受负载、输入电压和温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压U0。
C、电压变极性电路：
由于系统需要有负电压供电给放大器进行滤波运算，故需要将+9V电压通过变极性电路得到-9V幅值的电压。
电源电路如下
图2.2电源电路示意图
第三章传感器的选择方案
在电子称的设计中，传感器的选择有两种：
第一种是电阻应变式传感器测量压力；第二种是电感式传感器测量压力。
应变式传感器的工作原理：
将被测量的变化转换成电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。
优点：
结构简单、使用方便、性能稳定、可靠、灵敏度高和测量速度快等。
电感式传感器分为自感式和互感式。
具体如下所示：
1、基本变间隙自感式传感器结构如下图3.1所示。
工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气间隙长度发生变化。
由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。
图3.1变间隙自感式传感器
2、差动变间隙式传感器如图所示为差动变间隙式电感传感器的结构原理图。
差动形式输出的总电感变化量近似为
电感相对变化量为
则电感相对增量灵敏度K为
3、螺管型电感式传感器如图所示为螺管型电感式传感器的结构图。
螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也随之变化，线圈电感量的大小与衔铁位置有关，线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度x保持线性关系。
以上都是自感式传感器。
互感式传感器分为下面两种：
1、螺线管式传感器其工作原理等效电路如图所示：
2、变间隙式差动变压器传感器如图所示为变间隙式差动变压器传感器原理图，它具有灵敏度较高的优点，但测量范围小，一般用于测量几微米到几百微米的位移。
本次设计中，选择的是自感式传感器中的差动变间隙式传感器。
理由是，差动式比单线圈式的灵敏度高一倍；差动式的线性度得到明显改善。
放大电路的设计
方案一
三运放大电路，主要的元件就是三运放大器。
在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。
图5三运放大电路结构图
传感器输出电压为毫伏级，而A/D转换器所能处理的电压是0～5V，所以必须在A/D转换器前加入一个前置差动放大电路以实现电压的放大，放大倍数为100～200倍，使输出电压为0～5V。
由于单运放在应用中要求外围电路匹配精度高、增益调整不便、差动输入阻抗低，故采用三运放结构。
三运放结构具有差动输入阻抗高、共膜抑制比高、偏置电流低等优点，且有良好的温度稳定性，低噪单端输出和和增益调整方便，适于在传感器电路中应用。
方案二
差动放大电路，主要的元件就是差动放大器。
在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。
仪表仪器放大器的选型很多，我们这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大器，就是典型的差动放大器。
它只需高精度LM358和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放大器。
广泛应用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量等数字采集的系统中。
本设计中差动放大电路仿真图如下：
推导过程：
I=
Vo=（R8+R7+R8）I
=（1+
）Vi，
则Avf=1+
本设计中放大电路部分选择方案二。
放大电路所用的芯片为LM358，其内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。
其特性为:
1、内部频率补偿；
2、直流电压增益高（约100dB）；
3、单位增益频带宽（约1MHz）；
4、电源电压范围宽：
单电源（3—30V）；
5、双电源（±1.5一±15V）；
6低功耗电流，适合于电池供电；
7、低输入偏流，低输入失调电压和失调电流；
8、共模输入电压范围宽，包括接地；
9、差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；LM358内部示意图
10、输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）。
A/D转换电路设计
根据设计的要求，A/D转换器才用四通道的ADC0808芯片。
芯片介绍如下：
ADC0808是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。
1.ADC0808的内部逻辑结构
由下图可知，ADC0808由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据
2．ADC0808引脚结构
ADC0808各脚功能如下：
D7-D0：
8位数字量输出引脚。
IN0-IN7：
8位模拟量输入引脚。
VCC：
+5V工作电压。
GND：
地。
REF（+）：
参考电压正端。
REF（-）：
参考电压负端。
START：
A/D转换启动信号输入端。
ALE：
地址锁存允许信号输入端。
（以上两种信号用于启动A/D转换）.
EOC：
转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。
OE：
输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。
CLK：
时钟信号输入端（一般为500KHz）。
A、B、C：
地址输入线。
ADC0808引脚图
ADC0808对输入模拟量要求：
信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
地址输入和控制线：
4条ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。
当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。
A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。
通道选择表如下表所示。
C
B
A
选择的通道
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
数字量输出及控制线：
11条
VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。
3．ADC0808应用说明
（1）．ADC0808内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。
（2）．初始化时，使ST和OE信号全为低电平。
（3）．送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。
（4）．在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。
（5）．是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。
（6）．当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。
4．
（1）．进行A/D转换时，采用查询EOC的标志信号来检测A/D转换是否完毕，若完毕则把数据通过P0端口读入，经过数据处理之后在数码管上显示。
（2）．进行A/D转换之前，要启动转换的方法：
ABC＝110选择第三通道
ST＝0，ST＝1，ST＝0产生启动转换的正脉冲信号.
AD0808时序图
单片机的设计
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
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AT89C51是一种高效微控制器AT89C51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
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