基于L-PSIII的電子稱重系統的設計

朱黎

(陜西工業職業技術學院 陜西 咸陽 712000)

基于L-PSIII的電子稱重系統的設計

朱黎

(陜西工業職業技術學院 陜西 咸陽 712000)

本系統采用單片機AT89S52為控制核心,實現電子秤的基本控制功能。系統的硬件部分包括最小系統板,數據采集、人機交互界面3大部分。最小系統部分主要是擴展了外部數據存儲器,數據采集部分由壓力傳感器、信號的前級處理和A/D轉換部分組成。人機界面部分為鍵盤輸入和128*64點陣式液晶顯示,可以直觀的顯示中文,使用方便。軟件部分應用單片機C語言實現了本設計的全部控制功能,包括基本的稱重功能、累計計費功能、去皮功能以及顯示購物清單的功能,可以設定10種商品的單價,由于系統資源豐富,還可以方便的擴展其應用。

傳感器；A/D轉換；信號處理；微控制器

隨著時代科技的迅猛發展,微電子學和計算機等現代電子技術的成就給傳統的電子測量與儀器帶來了巨大的沖擊和革命性的影響［1］。常規的測試儀器儀表和控制裝置被更先進的智能儀器所取代,使得傳統的電子測量儀器在遠離、功能、精度及自動化水平定方面發生了巨大變化［2-3］,并相應的出現了各種各樣的智能儀器控制系統［4］,使得科學實驗和應用工程的自動化程度得以顯著提高。

本文設計的電子秤以單片機為主要部件［5］,用C語言進行軟件設計,硬件則以橋式傳感器為主,稱重范圍0～9.999公斤,隨時可改變上限閾值,并達到閾值報警的功能。稱重傳感器輸出的電量是模擬量,數值比較小達不到A/D轉換接收的電壓范圍。所以送A/D轉換之前要對其進行前端放大、整形濾波等處理。然后,A/D轉換的結果才能送單片機進行數據處理并顯示。其數據顯示部分采用LCD顯示,成本低且能很好地實現所要求的功能。本設計的全部控制功能,包括基本的稱重功能、累計計費功能、去皮功能以及顯示購物清單的功能,可以設定10種商品的單價,由于系統資源豐富,還可以方便的擴展其應用。

1 方案設計

1.1 設計思路

該系統可實現:電子秤的稱重基本功能,對采集到的代表重量的信號能同時顯示重量［6-8］、金額和單價；重量的單位為公斤,最大稱重為9.999公斤；單價和總價的單位為元,最大數值為9999.99元；具有去皮功能和總額累加計算功能。自擬10種商品名稱,能顯示購物清單,清單內容包括:商品名稱,數量,單價,金額,本次購物總金額、購貨日期、收銀員編號和售貨單位名稱,具有中文顯示功能。總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖Fig.1 System overrall block diagram

1.2 器件選型

1）傳感器

稱重傳感器主要由彈性體、電阻應變片電纜線等組成,內部線路采用惠更斯電橋,當彈性體承受載荷產生變形時,輸出信號電壓可由下式給出:

L-PSIII型傳感器,量程20 kg,精度為0.01﹪,滿量程時誤差0.002 kg。可以滿足本系統的精度要求。其原理如圖2所示。

圖2 傳感器電路Fig.2 The sensor circuit

2）A/D轉換器

由上面對傳感器量程和精度的分析可知:A/D轉換器誤差應在0.03﹪以下。

12位A/D精度:10 kg/4096=2.44 g 14位A/D精度: 10 kg/16384=0.61 g

考慮到其他部分所帶來的干擾,12位 A/D無法滿足系統精度要求。所以我們需要選擇14位或者精度更高的A/D。

ICL7135雙積分型A/D轉換器精度高,但速度較慢,具有精確的差分輸入,輸入阻抗高（大于 103MΩ）,可自動調零,超量程信號,全部輸出于TTL電平兼容,抗干擾能力強。對正負對稱的工頻干擾信號積分為零,所以對50 Hz的工頻干擾抑制能力較強,對高于工頻干擾有良好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零,對輸出就不產生影響。尤其對本系統,緩慢變化的壓力信號,很容易受到工頻信號的影響。故而采用雙積分型A/D轉換器可大大降低對濾波電路的要求。積分型A/D轉換器可大大降低對濾波電路的要求。作為電子秤,系統對AD的轉換速度要求并不高,精度上14位的AD足以滿足要求。

2 系統硬件設計

2.1 前端信號處理

壓力傳感器輸出的電壓信號為毫伏級,所以對運算放大器要求很高。 系統中采用專用儀表放大器芯片INA126。該芯片內部采用差動輸入,共模抑制比高、差模輸入阻抗大、增益高、線性度好,并且外部接口電路簡單。放大器增益,通過改變RG的大小來改變放大器的增益。INA126構成的放大器及濾波電路。

圖3 放大和濾波電路Fig.3 Amplifier and filter circuit

通過調節的阻值來改變放大倍數。微弱信號Vi1和Vi2被分別放大后從INA126的第6腳輸出。A/D轉換器ICL7135的輸入電壓變化范圍是-2～+2 V,傳感器的輸出電壓信號在0～20 mv左右,因此放大器的放大倍數在200～300左右,可將接成的滑動變阻器。由于ICL7135對高頻干擾不敏感,所以濾波電路主要針對工頻及其低次諧波引入的干擾。因為壓力信號變化十分緩慢,所以濾波電路可以把頻率做得很低。

2.2 模數轉換電路

ICL7135的時鐘頻率典型值為200 kHz最高允許為 1 200 kHz,時鐘頻率越高,轉換速度越快。每輸出一位BCD碼的時間為200個時鐘周期,選通脈沖位于數據脈沖的中部,如果時鐘頻率太高,則數據的接受程序還沒有接受完畢,數據就已經消失了。考慮到此系統頻率要求不是太高,ICL7135需要外接振蕩器,時鐘頻率取200 kHz。

圖4 模數轉換電路Fig.4 Analog-to-digital conversion circuit

此外ICL7135外部還需要外接積分電阻、積分電容,由于A/D轉換器精度與外接的積分電阻、積分電容的精度無關,因而可以降低對元件質量的要求。ICL7135當精度要求較高時,應采用外接基準源。一般接其典型值1 V。

2.3 鍵盤輸入和顯示輸出

本系統采用16按鍵矩陣組來實現,分為10個數字鍵0-9及6個控制鍵。考慮到需要顯示漢字,選用帶有中文字庫的液晶顯示器LCD12864。其中鍵盤說明如表1所示。

3 軟件設計

軟件的整體設計主要包括:數據采集和處理、模數轉換子程序、鍵盤程序、顯示程序等幾個模塊。主程序的流程圖如圖5所示。

4 結論

本設計基本上滿足設計要求,但很大程度上仍需較大的改進。首先,數模轉換只能作為演示程序以實現功能之用,而要使精度達到要求,至少要使用14位或以上的AD；其次,程序比較冗雜,仍需優化。再次,通過此次設計,深感一個團隊的重要性。由于組隊倉促,再加上相互間了解不多,以至同組隊員中途放棄。個人之力總有局限,難以完成所有要求。

表1 4*4鍵盤功能說明Tab.1 4*4 Keyboard function

圖5 系統程序流程框圖Fig.5 The system program flow diagram

［1］劉玉梅.高精度稱重系統的設計與研制［J］,機械工程師, 2009（1）:102-103.LIU Yu-mei.Precision weighing system design and development［J］.Mechanical Engineer，2009（1）:102-103.

［2］謝應宸.基于FS8610的網絡電子收銀秤的設計與實現［D］.蘇州:蘇州大學,2009.

［3］山東,孫吉良.紀銘20002型電子天平的電路原理與故障檢修［N］.電子報,2011.

［4］周杏鵬.傳感器與檢測技術［M］.北京:清華大學出版社,2010.

［5］周聿.電子秤使用應注意［N］.中國郵政報,2010.

［6］崔艷坤.基于單片機的電子秤的設計［J］.黑龍江科技信息, 2014(1):86.CUI Yan-kun.Design of electronic scale based on single chip microcomputer［J］.Heilongjiang Science and Technology Information,2014（1）:86.

Design of electronic weighing system based on L-PSIII

ZHU Li
（Shaanxi Polytechnic Institute,Xianyang 712000,China）

The system USES single-chip AT89S52 as the control core，realize the basic control functions of electronic scale.Hardware part includes the minimum system board，data acquisition，man-machine interface three parts.Minimum system part is mainly to expand the external data memory，data acquisition part consists of pressure sensor，signal level before treatment and A/D conversion parts.Man-machine interface part is 64 dot matrix liquid crystal display，keyboard input and 128 can be intuitive show Chinese，easy to use.Software part of the application of single chip microcomputer C language to realize the control function of the design，including basic weighing function，the total billing，peeled and display the function of the shopping list，you can set the unit price of 10 kinds of commodity，because the system resource is rich，can also convenient to expand its application.

The sensors；A/D conversion；signal processing；micro controller

TN919-34

：A

：1674-6236（2015）18-0087-03

2014-11-17稿件編號：201411122

朱 黎（1983—）,女,陜西咸陽人,碩士,講師。研究方向:信號與信息處理、計算機控制。