高精度電子秤對藥品重量的檢測

李汝山 孫彥萍 張二吻

（山東理工大學電氣與電子工程學院，山東淄博 255049）

0 引言

稱重技術是人類生活中不可缺少的一部分，自古以來就被人們所重視，作為一種計量手段，被廣泛應用于工業、農業、貿易等各個領域。隨著現代文明和科學技術的不斷進步，人們對稱重技術的準確度要求也越來越高。電子秤產品技術水平的高低，直接影響各行各業的現代化水平和社會經濟效益。近年來，電子秤重技術取得了突飛猛進的發展，電子秤在稱重計量領域中占有越來越重要的地位，其應用領域也在不斷擴大。尤其是商用電子秤，由于其具有準確度高、反應靈敏、結構簡單等優點，被廣泛應用于工商貿易、輕工食品、醫藥衛生等領域。目前，機械秤正在逐步被電子秤取代，這就促使我們需要進一步深入研究電子秤。電子技術逐漸向著集成化、高速度、高精度、智能化的方向發展。

本文的電子秤設計選取STC89C52單片機為控制核心，以電阻應變式稱重傳感器為重量感應器件。在對感應信號處理的A/D轉換模塊中，選用ADC0832芯片，此芯片是美國國家半導體公司生產的一種8位分辨率、雙通道A/D轉換芯片。由此而設計出的高精度電子秤更好地滿足了人們的需要。

1 系統模塊的介紹

按照設計的基本要求，系統共分為5大模塊，即數據采集模塊、單片機最小系統模塊、超重報警模塊、鍵盤模塊和顯示模塊，如圖1所示。其中，數據采集模塊包括稱重傳感器和A/D轉換電路。

圖1 系統總體設計框架圖

1.1 STC89C52單片機

單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整的計算機系統，也被稱為微控制器（Micro controller），它最早被應用在工業控制領域。目前，國內外使用較多的是以51內核擴展出的單片機，即通常所說的51單片機。STC89C52單片機是51系列中的一種帶8K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（Flash Programmable and Erasable Read Only Memory，FPEROM）的低電壓、高性能的CMOS8的微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MSC-51指令集和輸出管腳相兼容。

1.2 稱重傳感器模塊

稱重傳感器實際上是一種將質量信號轉變為可測量的電信號輸出的裝置。使用傳感器應首先考慮傳感器所處的實際工作環境，這點對正確選用稱重傳感器至關重要，它關系到傳感器能否正常工作以及其安全性和使用壽命，乃至整個傳感器的可靠性和安全性。按照稱重傳感器結構型式的不同，可將其分為直接位移傳感器（包括電容式、電感式、電位計式、振弦式、空腔諧振器式等）和應變傳感器（包括電阻應變式、聲表面諧振式或是利用磁彈性、壓電和壓阻等物理效應的傳感器）。對稱重傳感器的基本要求是：輸出電量與輸入重量保持單值對應并有良好的線性關系、有較高的靈敏度、對被稱物體狀態的影響要小、能在較差的工作條件下工作、有較好的頻響特性、穩定可靠。

經實驗分析，本文最終選用的是電阻應變式稱重傳感器。在電阻應變式稱重傳感器中，當電阻絲在外力作用下發生機械形變時，其電阻值也隨之發生變化，這就是電阻應變效應。描述電阻應變效應的關系式為：

式中 ΔR/R——電阻絲電阻的相對變化；

K——應變靈敏系數；

ε——電阻絲長度相對變化，ε=ΔL/L。

金屬箔式應變片是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感組件，通過它轉換被測部位受力狀態的變化，電橋的作用是完成電阻到電壓的比例變化，電橋電路的輸出電壓反映了相應的受力狀態。在全橋測量電路中，將受力性質相同的兩應變片接入電橋對邊，不同的接入鄰邊，應變片初始阻值為R1=R2=R3=R4，當其變化值為ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4時，其橋路輸出電壓U=EK。

圖2為壓力傳感器的測量電路，主要作用是將傳感器的輸出電壓放大。R8是電橋的調零電阻，R22是整個放大電路的調零電阻，R9、R21用來調整運放增益。

圖2 壓力傳感器測量電路圖

1.3 A/D轉換模塊

ADC0832是美國國家半導體公司生產的一種8位分辨率、雙通道A/D轉換芯片，具有體積小、兼容性強、性價比高等特點。具體參數：8位分辨率；雙通道A/D轉換；輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；5 V電源供電時輸入電壓在0～5 V之間；工作頻率為250 kHz；轉換時間為32 μs；一般功耗僅為15 mW；有8P、14P-DIP雙列直插、PICC多種封裝。

圖3為ADC0832的接口電路，正常情況下ADC0832與單片機的接口應為4條數據線，分別是CS、CLK、DO、DI，但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效，且與單片機的接口是雙向的，所以在電路設計時可以將DO與DI并聯在一根數據線上使用。

圖3 ADC0832的接口電路

1.4 鍵盤和顯示電路模塊

1.4.1 鍵盤電路的設計

本電路中采用的是4×4矩陣鍵盤，將單片機的P1.0～P1.3作為鍵盤的行線接口，P1.4～P1.7作為列線接口，列線通過電阻接+5 V。單片機檢測按鍵是否按下的依據就是檢測與該鍵對應的I/O口是否為低電平。

1.4.2 顯示電路設計

電子秤顯示部分采用了常用的1602液晶顯示，其與單片機的接口如圖4所示。

圖4 1602液晶與單片機接口圖

1.5 報警系統模塊

智能儀器一般都具有報警和通信功能，報警主要用于系統運行出錯，當測量的數據超過儀表量程或者是超過用戶設置的上下限時為提醒用戶而設置。在本系統中，設置報警的目的就是在超出電子秤測量范圍時，發出聲光報警信號，提示用戶，防止損壞儀器，同時讓工作人員對不合格產品做出合理的處理。超限報警電路是由單片機的I/O口來控制的，當稱重物體重量超過系統設計所允許的重量時，通過程序使單片機的I/O值為高電平，從而導通三極管，使蜂鳴器發出報警聲，同時使報警燈發光。圖5為報警系統原理圖。

2 工作原理的分析

2.1 系統工作原理的分析

在本系統中用于稱量的主要器件是稱重傳感器，稱重傳感器在受到壓力或拉力時會產生電信號，受到的壓力或拉力不同，產生的電信號也隨著變化，而且力與電信號的關系一般為線性關系。由于稱重傳感器一般的輸出范圍為0～20 mV，這對于A/D轉換或單片機的工作參數來說，不能滿足A/D轉換和單片機的正常工作需求，所以需要對輸出的信號進行放大。由于傳感器輸出的信號為模擬信號，所以需要利用A/D轉換將其轉換為數字信號，以便單片機接收。單片機根據稱重傳感器輸出的電信號和速度傳感器輸出的速度信號計算出物體的重量。

2.2 報警系統原理分析

當電路檢測到稱重的物體超過儀器的測量限制時，將產生一個信號給報警電路，使報警電路報警從而提醒工作人員注意。報警系統是由89C52的P2.6口來控制的，當超過設置的重量時，通過程序使P2.6口值為高電平，從而導通三極管，報警電路接通，使蜂鳴器發出報警聲，同時使報警燈發光。由于持續的聲音不能夠引起人們的關注，所以本系統的報警電路采用間斷的聲音和頻閃的燈光來實現。這一任務的實現主要靠程序來完成。

圖5 報警系統原理圖

2.3 實際流水線模擬

在制藥流水線中（圖6），當藥物原料經過一系列工序加工成成品后，就進入重量檢測模塊。如圖6所示，重量檢測系統安裝在藥品傳送帶一端，隨傳送帶傳送的藥品必須經過檢測并合格后才能繼續被傳送。為了能夠更好地對合格產品及超重產品進行分別處理，稱重檢測系統加入了2個由直流電機分別控制的2臺風扇（上風扇和下風扇）。若重量檢測合格，則單片機就會執行控制上風扇轉動的程序，將藥品吹送到下一個傳送帶繼續傳送。而當檢測時，若采集的信號經單片機處理后得到的數據超過系統預設好的重量范圍時，系統報警模塊就會啟動，同時下風扇也會被啟動，將不合格的藥品吹送到不合格藥品收集箱，由工作人員進行再加工。

3 結語

隨著集成電路和計算機技術的迅速發展，電子儀器的整體水平發生了巨大變化，傳統的儀器逐步被智能儀器所取代。智能儀器的核心部件是單片機，因其性價比極高而得到廣泛的應用與發展，從而加快了智能儀器的發展速度。而傳感器作為測控系統中對象信息的入口，越來越受到人們的關注。因此，智能電子秤的出現將會更好地滿足人們的需要，為人類社會生活提供更好的服務。

［1］王艷春，何鵬，李會.智能電子稱重系統的設計［D］：［碩士學位論文］.齊齊哈爾：齊齊哈爾大學，2007

［2］郭天祥.新概念51單片機C語言教程［M］.北京：電子工業出版社，2009

［3］魏少軒.電子稱重系統傳感器的選用技術［J］.計量與測試技術，1996（6）

［4］任格.高精度電子秤設計［D］：［學士學位論文］.淮北：淮北師范大學，2012