基于STC12C5AS2的電子秤設(shè)計(jì)研究

【摘要】電子秤設(shè)備采用STC12C5A和稱重傳感器，在進(jìn)行信號(hào)采集，信號(hào)處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換等電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高精度稱重設(shè)備，并給出了詳細(xì)的軟件控制方法，詳細(xì)介紹了信息轉(zhuǎn)換的方法，采樣數(shù)據(jù)處理和計(jì)算的問題，著重分析了信號(hào)處理技術(shù)和影響罌粟，整體結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，適用于公共場(chǎng)所的重量稱量和計(jì)算等。

【關(guān)鍵詞】STC12C5A;信息轉(zhuǎn)換;傳感技術(shù);數(shù)字顯示

稱重技術(shù)是廣泛應(yīng)用于工業(yè)，農(nóng)業(yè)，交通，貿(mào)易和科研等領(lǐng)域的重要技術(shù)，與社會(huì)發(fā)展、工業(yè)生產(chǎn)和人們生活息息相關(guān)，電子秤屬于電子衡器，技術(shù)水平的高低，直接影響著生產(chǎn)生活質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)展。

電子秤采用單片機(jī)處理系統(tǒng)，通過稱重傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過對(duì)采樣信號(hào)的處理和分析，實(shí)現(xiàn)重量信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換，并利用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，最后通過顯示設(shè)進(jìn)行顯示，能達(dá)到快捷，方便的重量信息顯示。電子秤設(shè)備采用數(shù)字顯示的方式，能直接進(jìn)行計(jì)算等功能，使用方便，計(jì)量準(zhǔn)確，在生活中有廣泛的影響。

1.電子秤的基本組成結(jié)構(gòu)

電子秤采用單片機(jī)系統(tǒng)和傳感器設(shè)備，根據(jù)物體的質(zhì)量來測(cè)量相關(guān)特性參數(shù)，主要有四部分構(gòu)成，分別是承重傳力系統(tǒng)、稱重傳感器、智能處理器和數(shù)字顯示設(shè)備。

承重傳力系統(tǒng)是被測(cè)量物體與電子秤之間的機(jī)械設(shè)備，主要有承載器，吊掛和減震機(jī)構(gòu)構(gòu)成。稱重傳感器是將被測(cè)量非電量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的原件，能實(shí)現(xiàn)把承受的重力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感設(shè)備，在進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過程中，要求傳感器具有較高的靈敏度、對(duì)于輸入量和轉(zhuǎn)化形成的電信號(hào)有較好的線性關(guān)系，并能適應(yīng)不同的工作環(huán)境，性能好，測(cè)量轉(zhuǎn)換結(jié)果穩(wěn)定。智能處理器是電子秤設(shè)備的核心機(jī)構(gòu)，能都實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過編碼的形式傳輸?shù)酵獠楷F(xiàn)實(shí)設(shè)備。數(shù)字顯示設(shè)備是人機(jī)交互的重要部件，主要有顯示、打印鍵盤或觸摸屏輸入等功能構(gòu)成。

2.電子秤的工作原理和設(shè)計(jì)要求

電子秤在工作過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)將物體重量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并給予顯示的能力。將物體置于電子秤承重機(jī)構(gòu)，重量傳遞到稱重傳感器，傳感器將重量信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之有一定函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)，將此電信號(hào)經(jīng)過放大、濾波轉(zhuǎn)換后，輸入到智能處理器，智能處理器掃描鍵盤和各種輸入不見設(shè)備信息，并根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行判斷和分析，實(shí)現(xiàn)用戶所需要的各種計(jì)算過程，最后將結(jié)果保存入存儲(chǔ)器，再由相關(guān)指令控制信息傳入到顯示或打印設(shè)備。

根據(jù)電子秤稱量的應(yīng)用范圍，要求電子秤測(cè)量精度高，結(jié)果準(zhǔn)確本系統(tǒng)在相關(guān)方面要求參數(shù)如下稱稱量范圍0～6000g，分度值0.1kg，精度等級(jí)II級(jí)，電源AC220V。

3.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STC12C5AS2作為智能控制器，稱重傳感器采用SP20C-G501電阻應(yīng)變式傳感器，輔助電源、按鍵和數(shù)字顯示設(shè)備。

STC12C5A60S2系列單片機(jī)，外圍電路設(shè)計(jì)簡單，在單片機(jī)外加上晶振電路和電源就能夠正常工作。

SP20C-G501電阻應(yīng)變式傳感器在進(jìn)行信號(hào)處理過程中，需要信號(hào)放大，處理。傳感器放大電路采用兩級(jí)放大電路，前級(jí)采用比例運(yùn)算電路，后級(jí)采用差動(dòng)比例運(yùn)算電路。傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過前級(jí)放大電路進(jìn)行初步放大，在放大電路處理過程中，為了提高對(duì)工模信號(hào)的抑制，在反饋電阻選擇是采用精密可調(diào)電阻。

顯示模塊采用1602液晶模塊。1602液晶能實(shí)現(xiàn)數(shù)字，圖形顯示，并能實(shí)現(xiàn)顯示對(duì)比度，能較好適用于不同的環(huán)境。

根據(jù)電子秤工作流程需要，在設(shè)計(jì)軟件程序的過程中，按照如下的流程進(jìn)行系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，檢測(cè)按鍵和設(shè)備，采集數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理器運(yùn)算，輸出進(jìn)行數(shù)字化顯示。

4.數(shù)據(jù)處理技術(shù)分析

在測(cè)量轉(zhuǎn)換的過程中，由于硬件設(shè)備的特點(diǎn)，需要采用軟件基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)進(jìn)行較好的處理，彌補(bǔ)硬件設(shè)備的缺點(diǎn)和不足，實(shí)現(xiàn)電子秤的性能提升。在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，主要采用了非線性補(bǔ)償技術(shù)、標(biāo)度變換、無效量處理、零漂處理和數(shù)字濾波等技術(shù)。

非線性補(bǔ)償技術(shù)是在檢測(cè)傳感器輸入和輸出特性的過程中，使得其相應(yīng)關(guān)系成為近似線性，在電子秤系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)輸入和輸出線性關(guān)系相對(duì)較好，采用了線性插值法，對(duì)其進(jìn)行處理。結(jié)果表明，傳感器輸入輸出具有較好的線性擬合度，達(dá)到了較好的效果。

標(biāo)度變換是在測(cè)量過程中，需要把測(cè)量檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)換成操作人員熟悉的數(shù)字量，達(dá)到較好的人機(jī)交互環(huán)境，有利于產(chǎn)品的推廣和使用，在電子秤系統(tǒng)中，需要將輸出量轉(zhuǎn)換成用戶便于查看的信息，同時(shí)在轉(zhuǎn)換過程中由于傳感器轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換后得到的是一系列的數(shù)碼，只能對(duì)應(yīng)于參數(shù)的大小，在后期處理過程中， 需要將其轉(zhuǎn)換成帶有量綱的數(shù)值進(jìn)行輸出顯示或者打印。如果涉及到計(jì)算還需要在處理器中對(duì)不同的量綱進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

無效物理量的消除是由于在傳感器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，包括稱重設(shè)備等外部的質(zhì)量也被加入到有效信號(hào)里，但是這部分是不屬于被測(cè)量的，在相應(yīng)的設(shè)計(jì)過程中， 需要采用軟件的方法消除掉相應(yīng)的信號(hào)，而這部分信號(hào)在處理過程中只能依靠軟件的方法來進(jìn)行消除。消除的方法可以采用等量替換和減去法，能夠較有效的消除相應(yīng)的影響。

零漂處理在電子秤設(shè)計(jì)過程中的影響測(cè)量精度的重要因素，由于傳感器收到溫度等因素的影響，產(chǎn)生了零位不穩(wěn)定的現(xiàn)象，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)零輸入信號(hào)卻產(chǎn)生了非零的輸出信號(hào)，這樣的誤差會(huì)導(dǎo)致測(cè)量準(zhǔn)確性嚴(yán)重降低。由于影響零漂誤差的是受到非電信號(hào)或者是硬件的影響，在處理過程中相對(duì)比較困難。系統(tǒng)中采用零位補(bǔ)償技術(shù)，在應(yīng)用過程中是將零位漂移保存起來，在測(cè)量被測(cè)量的時(shí)候用采集數(shù)據(jù)減去零位值，得到的結(jié)果就是消除零漂的準(zhǔn)確值，采用這種方法可以不用考慮引起零漂的原因，能夠較好的適用不同的工作環(huán)境。

數(shù)字濾波技術(shù)是在測(cè)量過程中需要將混雜的干擾信號(hào)進(jìn)行抑制，通過數(shù)字濾波的方式能對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行處理和濾波，通過減少干擾信號(hào)在有用信號(hào)中的比重，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可靠性和真實(shí)性。采用的數(shù)字濾波技術(shù)有平滑濾波、中值濾波和程序判斷濾波，在實(shí)際應(yīng)用中收到了較好的效果。

本系統(tǒng)采用了微處理器和傳感器作為主要器件，通過信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了電子秤的設(shè)計(jì)，并詳細(xì)闡述了數(shù)字信號(hào)處理的方法和過程，對(duì)一般產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有較好的借鑒意義。

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作者簡介：倪剛（1986—），男，永城職業(yè)學(xué)院助教，研究方向：智能系統(tǒng)研究。