基于51单片机的商业用智能电子秤的设计与开发

基于51单片机的商业用智能电子秤的设计与开发内容摘要：

DHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF。 DS 第三章 系统硬件电路设计 传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 通常传感器由敏感元件和转换元件组成。 其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。 现代科技的快速发展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取 、传输和处理，而传感器处于自动检测与控 制系统之首，是感知获取与检测信息的窗口；传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号。 因此，传感器的地位与作用特别重要。 称重传感器在电子秤中占有十分重要的位置，被喻为电子秤的心脏部件，它的性能好坏很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。 通常称重传感器产生的误差约占电子秤整机误差的 50%~70%。 若在环境恶劣的条件下（如高低温、湿热），传感器所占的误差比例就更大，因此，在人们设计电子秤时，正确地选用称重传感器非常重要。 称重传感器的种类很多 ，根据工作原理来分常用的有以下几种： 电阻应变式、电容式、压电式等。 一 压电传感器 压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。 其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。 压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。 目前多用于加速度和动态力或压力的测量。 压电器件的弱点：高内阻、小功率。 功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。 二 电容式传感器 电容式传感器是 将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。 它有结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。 电容传感器可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。 电容传感器的基本工作原理可用最普通的平行极板电容器来说明。 两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，其电容量为 DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF。 DS dAC or （ ） 式（ ）中 d —— 两极板间的距离； A—— 两平行极板相互覆盖的有效面积； r —— 介质的相对介电常数； o —— 真空中介电常数。 若被测量的变化使式中 d 、 A、 r 三个参量中任一个发生变化，都会引起电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出 [4]。 虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素： （ 1）小功率、 高阻抗。 受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法至几十皮法。 因 C 太小，故容抗 CX =1/ C 很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因其视在功率 P= 2ou  C ， C很小，则 P 也很小。 故易受外界干扰，信号需经放大，并采取抗干扰措施。 （ 2）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。 三 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是 一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。 电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。 导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。 电阻应变片把机械应变信号转换为△ R/R 后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。 因此，要采用转换电路把应变片的△ R/R 变化转换成电压或电流变化。 其转换电路常用测量电桥。 直流电桥的特点是信号不会受各元件和导 线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。 下图为一直流供电的平衡电阻电桥， inE 接直流电源 E： DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF。 DS )( 43 421 1 RR RRR RE ))(( 4321 4231 RRRR RRRRE     )()()()( )()( 22 RRRRRRRR ERRRRuo  ERR 图 传感器结构原理图 当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。 当忽略电源的内阻时，由分压原理有： ADABBDo uuuu  = （ ） 当满足条件 R1R3=R2R4时，即 3421 RRRR  （ ） ou =0，即电桥平衡。 式（ ）称平衡条件。 应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。 若差动 工作，即 R1=R△ R,R2=R+△ R,R3=R△ R， R4=R+△ R,按式（ ），则电桥输出为 Ek () 应变片式传感器有如下特点： （ 1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。 DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF。 DS （ 2）分辨力和灵敏度高，精度较高。 （ 3）结构轻小，对试件影响小， 对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。 （ 4）商品化 ，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。 通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第三种方案。 题目要求称重范围 0～ ,分辨率为 1g，考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定称重。 我们选择的是电阻应变片压力传感器，量程为 5Kg，精度为% ，满足本系统的精度要求。 经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低；经由电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行信号转换。 为此，测量电路中常设有模拟放大环 节。 这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。 放大器的输入信号一般是由传感器输出的。 传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。 因此，一般对放大器有如下一些要求： 输入阻抗应远大于信号源内阻。 否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。 抗共模电压干扰能力强。 在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。 从而保证放大器输出性能稳定。 能附加一些适应特定要求的电路。 如放大器增益的外接电阻调整、方 便准确的量程切换、极性自动变换等。 综合以上要求，我们采用了最为简单的反相比例运算电路来实现放大的功能。 反相比例运算电路 （ 1）电路的组成 DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF。 DS 图 反相比例电路 反向比例运算电路的组成如图 所示。 由图可见，输入电压 ui通过电阻 R1加在运放的反向输入端。 Rf是沟通输出和输入的通道，是电路的反馈网络。 同向输入端所接的电阻 RP为电路的平衡电阻，该电阻等于从运放的同向输入端往外看除源以后的等效电阻，为了保证运放电路工作在平衡的状态下， 同相输入端的电阻应该取 RP =R1//Rf （ 2）电 压放大倍数 图 反相比例运算电路 理想运算放大器组成的反相比例运算电路见图 ，显然是一个电压并联负反馈电路。 在输入信号作用下，输入端有电流 iI、 i′ I 、 if。 根据虚断的特性有 i39。 I 0 （ ） 于是 iI  if （ ） 根据虚短的特性，有 u+  u （ ） DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF。 DS 所以 （ ） 放大倍数 Au 为 （ ） （ 3）反向比例运算电路的输入电阻 （ ） 为了保证运放电路工作在平衡的状态下， 同相输入端的电阻应该取 RP =R1//Rf （ 4）由于反向比例运算电路具有虚地的特点。 所以共模输入电压为 （ ） 反相比例运算电路由于具有“虚地”的特点，运放的同相输入端和反相输入端均为 0 电位，所以反相比例运算电路的 共模输入电压等于 0。 前级放大电路 图 放大电路图 1fiou RRuuA fo1I RuRu 1IIIIi 0 RiuiuR DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF JHFJK HFKSD JKFJDSKJF DSJF。 DS A/D 转换器 方案比较 A/D 转换部分是整个设计的关键，这一部分处理不好，会使得整个设计毫无意义。 目前，世界上有多种类型的 ADC，有传统的并行、逐次逼近型、积分型 ADC，也有近年来新发展起来的 ∑ Δ 型和流水线型 ADC， 多种类型的 ADC 各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求。 目前， ADC集成电路主要有以下几种类型 ： （ 1） 并行比较 A/D 转换器： 如 ADC080 ADC0809等。 并行比较 ADC 是现今速度最快的模 /数转换器，采样速率在 1GSPS 以上，通常称为 “ 闪烁式 ” ADC。 它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分组成。 这种结构的 ADC 所有位的转换同时完成，其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。 (2） 逐次逼近型 A/D 转换器：如： ADS780 ADS7804 等。 逐次逼近型 ADC 是应用非常广泛的模 /数转换方法，这一类型 ADC的优点：高速，采样速率可达 1MSPS；与其它 ADC 相比，功耗相当低；在分辨率低于 12 位时，价格较低。 缺点：在高于 14 位分辨率情况下，价格较高；传感器产生的信号在进行模 /数转换之前需要进行 调理，包括增益级和滤波，这样会明显增加成本。 (3） 积分型 A/D 转换器：如： ICL713 ICL710 ICL154 MC14433 等。 积分型 ADC 又称为双斜率或多斜率 ADC， 是应用比较广泛的一类转换器。 它的基本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。 与此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现 A/D 转换。 积分 型 ADC 两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定，因此所得到的表达式与时钟频率无关，其转换精度只取决于参考电压 VR。 此外，由于输入端采用 了积分器，所以对交流噪声的干扰有很强的抑制能力。 若把积分器定时积分的时间取为工频信号的整数倍，可把由工频噪声引起的误差减小到最小，从而有效地抑制电网的工频干扰。 这类 ADC 主要应用于低速、精密测量等领域，如数字电压表。 其优点是：分辨率高，可达 22 位；功耗低、成本低。 缺点是：转换速率低，转换速率在 12位时为 100～ 300SPS。 (4)压频变换型 ADC： 其优点是：精度高、价格较低、功耗较低。 缺点是：类似于积分型ADC，其转换速率受到限制， 12位时为 100～ 300SPS。 考虑到本系 统中对物体重量的测量和使用的场合，精度要求不是很苛刻，转换速率要求也不高。 因此首先考虑常用的数模转换芯片 ADC0809，由于本设计只需采集仪一路数据，DSJKFHJKDH FJDHJKFH KDSJH JKDHF JKDS HKJ HGFDSJHF。