從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)放大、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及顯示五個部分，詳述電子秤系統(tǒng)的基本原理及設(shè)計方案。

1.引言

稱重計量是人類社會活動中不可缺少的部分，隨著國際交流的發(fā)展，稱重計量的國際間的統(tǒng)一顯得越來 越重要。電子稱重技術(shù)是現(xiàn)代稱重計量和控制系統(tǒng)工程的重要基礎(chǔ)之一。近年來，隨著現(xiàn)代科技進步，電子 稱重技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展，電子秤在計量領(lǐng)域中也占有越來越重要的地位。尤其是商用電子衡器，以 其準確度高、反應(yīng)靈敏、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單，環(huán)境適應(yīng)性強，便于與電子計算機結(jié)合而實現(xiàn)稱重計量與過 程控制自動化等特點，而被廣泛用于工商貿(mào)易、能源交通、冶金礦山、輕工食品、醫(yī)藥衛(wèi)生、航空航天等領(lǐng) 域。目前，我國政府規(guī)定將逐步取消機械秤，推廣使用電子秤，這更加促使我們加深這方面的研究。

與傳統(tǒng)杠桿式機械秤相比，傳感器式電子秤具有響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、體積小和重量輕等優(yōu)點。此外， 由于它沒有復(fù)雜的多聯(lián)杠桿系統(tǒng)、支撐刀和刀承等結(jié)構(gòu)，所以還具有穩(wěn)定性和可靠性好、機械磨損小、壽命 長和維修方便等特點。尤其是不少稱重傳感器的密封性能好，從而可以在機械秤或機電結(jié)合秤無法勝任的工 作現(xiàn)場或惡劣環(huán)境下工作。

2.系統(tǒng)設(shè)計方案

電子秤是一種利用力一電變化原理將非電量的重量轉(zhuǎn)換為電量并加以顯示的稱量設(shè)備，也就是一種裝有 電子裝置的衡器。一臺電子秤，實際上就是一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。當(dāng)重物放到衡器上時，壓力傳感器輸出響 應(yīng)的模擬電壓信號，通過放大電路將輸出信號放大，而后送入A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換），再將 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量D送給單片機，單片機接收數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行處理，將其轉(zhuǎn)換成為質(zhì)量信息W顯示出來。 其原理框圖如圖1所示。

由上圖可知，本設(shè)計從原理上看包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)放大、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及顯示四個部分。

2. 1數(shù)據(jù)采集

本設(shè)計選用的是高精度的橋式壓力傳感器——YZC單點式稱重傳感器。其量程為5kg，精度為0.01%，滿 量程時誤差為0.0002kg。此稱重傳感器屬于力敏感傳感器的范疇，通常采用金屬電阻應(yīng)變片作為檢測力的一 種變換器件。它的基本原理是將應(yīng)變片安裝在受力的變形體上，將變形體產(chǎn)生的變形由應(yīng)變片變換為電量， 電量的大小在變形體結(jié)構(gòu)類型和材料確定的前提下，僅與材料受力的大小有關(guān)，從而實現(xiàn)力和電量之間的轉(zhuǎn) 換。右圖為四片金屬電阻應(yīng)變片構(gòu)成的惠更斯電橋電路，它將應(yīng)變引起的電阻變化變換成電壓變化。由電橋 電路原理，推導(dǎo)出應(yīng)變片電壓輸出e。的大小是與外界所加電壓五、應(yīng)變片系數(shù)及應(yīng)變量大小e成正比的，即

e0 = Ek0e11。直接測量當(dāng)重物放到衡器上時，傳感器輸出響應(yīng)的模擬電壓信號。三次測量重量從0g到4000g變化的60組物體，用數(shù)據(jù)采集結(jié)果作傳感器輸出電壓信號與重量關(guān)系曲線如圖3所示。其中，藍色曲線以第 一次測量結(jié)果為縱坐標，紅色曲線以第二次測量結(jié)果為縱坐標，綠色曲線以第三次測量結(jié)果為縱坐標。

很明顯，三次測量結(jié)果都表明傳感器輸出電壓信號與重量基本成線性關(guān)系，作一擬合直線一黑色直 線，得到傳感器輸出電壓信號與重量關(guān)系擬合直線參數(shù)表，見表1。由表1可知，傳感器輸出電壓信號F(mV) 與重量妒(g)的關(guān)系可以表達為V=-0.120 11+0.004 92W。

2. 2數(shù)據(jù)放大

由于傳感器輸出的模擬信號比較微弱，因此必須通過一個模擬放大電路對其進行放大，才能滿足A/D轉(zhuǎn) 換器對輸入信號電平的要求。本設(shè)計米用運算放大器NE5534對傳感器輸出的電壓信號進行放大。由于傳感器 的輸出電壓信號范圍為0?30mV，而A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓變化范圍是-2V?+2V，故放大倍數(shù)設(shè)定為100倍。 NE5534接成100倍的放大電路后，還需接上調(diào)零電路和濾波電路。

同樣三次測量重量從0g到4000g變化的60組物體放到衡器上時，傳感器輸出響應(yīng)的模擬電壓信號經(jīng)運算 放大電路放大后的電壓信號，數(shù)據(jù)基本也成線性變化。這是由于NE5534是線性器件，線性應(yīng)用后，放大器輸 出電壓信號F(V)與重量W(g)仍呈線性關(guān)系，其關(guān)系表達式為F =-0.012 011+0.000 492W。

2.3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

本設(shè)計有較嚴格的精度要求，故所使用A/D轉(zhuǎn)換器需要很高的精度。由傳感器量程和精度的分析可知， 需選用14位的A/D轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計的電子秤系統(tǒng)，對于A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度要求并不高，但要求其具有較 強的抗干擾能力，故采用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135，從而大大降低對濾波電路的要求。

2.4數(shù)據(jù)處理及顯示

2. 4. 1硬件部分

重物經(jīng)過傳感器得出的模擬電壓信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量D并不是重物的實際重量值W，W需要 由數(shù)字量D在顯示器內(nèi)部經(jīng)過一系列的運算一數(shù)據(jù)處理才能得到。這一系列的運算是由裝在電子秤中的微 型計算機來完成的；不僅如此，電子秤的整個工作過程也都是在微型計算機的控制下有條不紊地進行。而 近年來，隨著大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，單片機更加廣泛的應(yīng)用在各種智能化儀表中。在電子秤中使用 單片機可使電子秤的性能提高，成本降低，具有明顯的優(yōu)越性。因此選用了單片機AT89C52作為微處理機部 分的主控器件。

本設(shè)計的目的是通過一系列器件把質(zhì)量信息W顯示出來，其中包括重量數(shù)值和單位，LED數(shù)碼管和LCD液 晶顯示器都符合要求。但LED需要占用單片機大量I/O口，限制了擴展功能。而使用LCD的串行模式只需要占用單片機的兩個I/O口，且顯示位數(shù)多，并能顯示漢字，尤為方便。最終選用了ST7920 LCD作為顯示器件，并使用其串行工作模式，使得其與單片機的接口電路十分簡單。

2.4.2軟件部分

軟件設(shè)計的流程圖如圖4所示。

數(shù)據(jù)處理部分主要是實現(xiàn)把從A/D轉(zhuǎn)換器出來的數(shù)字量D轉(zhuǎn)換成為質(zhì)量信息WdA/D轉(zhuǎn)換器所選取的時 鐘頻率值為125kHz，故一個轉(zhuǎn)換周期為1/125kHz=8us，由A/D轉(zhuǎn)換器的性能可知，它是隔200個周期掃描 一位的，利用這個特點，就可以只檢測萬位信號，然后隔200個周期就自動掃描到千位信號，依此類推，而 不需每個位信號都作檢測。為了防止開始時信號的不穩(wěn)定，在每位信號的第100個周期處讀出其值，即第100 個周期處讀萬位、第300個周期處讀千位、第500個周期處讀百位、第700個周期處讀十位、第900個周期處讀個位。讀取各位后就可進 行數(shù)據(jù)處理。所以定時器定時為8usX200/2=800us。

數(shù)據(jù)處理包括以下幾個步驟：

①在讀取位數(shù)值后，計算數(shù)值D。

D=B5X10 000+B4X1 000+B3X100+B2X10+B1。

②把數(shù)值D轉(zhuǎn)換成電壓W_v。

w_v=DXC。其中C為A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度：C=1V/214=0.000 061。

③把w_v轉(zhuǎn)換成重量W。

由于放大器輸出電壓信號w_v(v)與重量W(g)的關(guān)系表達為 w_v=-0.012011+0.000 492W=b+kXW,故W=(w_v-b)/k。

數(shù)據(jù)顯示在編程中主要體現(xiàn)為LCD顯示程序，主要包括初始化、寫 命令、寫數(shù)據(jù)等模塊。本設(shè)計欲顯示“物體重量：XX.XXX Kg”字樣， 包括文字、重量數(shù)值和單位的顯示。其中文字（物體重量：）、小數(shù)點 (.)和單位（Kg)都以字符形式定義并顯示，而重量數(shù)值用上面處理 得出的重量灰取各位得出。

3.電子秤的發(fā)展前景與趨勢

本設(shè)計的電子秤只是一個單一的稱重裝置，但它有很大的發(fā)展空間，它能發(fā)展成為一個集稱重計量、自 動控制和信息處理等部分組成的綜合性稱重系統(tǒng)。近年來，我國的衡器行業(yè)的發(fā)展已取得了較好的成績，但 電子秤的研究與應(yīng)用，電子衡器行業(yè)的總體水平還跟不上國家經(jīng)濟的發(fā)展步伐。因此，中國衡器協(xié)會提出“到 2010年，電子衡器和稱重傳感器生產(chǎn)廠家的技術(shù)裝備和檢測試驗手段要基本達到當(dāng)代國際水平”。就產(chǎn)品的 品種、技術(shù)水平和質(zhì)量而言，目前動態(tài)電子軌道衡、電子汽車衡、電子地上衡、電子皮帶秤、電子計價秤、 中小容量的電子吊秤等，基本達到了國家同類產(chǎn)品的水平。但自動衡器中的電子定量包裝稱、非連續(xù)和連續(xù) 稱量自動稱、重量檢驗稱、重量分選稱等，還與國際水平有一定差距。

根據(jù)國內(nèi)外市場的需求，目前電子秤的總發(fā)展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化；其速度趨勢是 速度高、準確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨勢是趨向于綜合性和組合性。