基于電阻應變片式傳感器的電子秤設計

王來志+王小平

摘 要：給出了采用AT89S52單片機作為微控制器，結合電阻應變片式傳感器、A/D轉換器、鍵盤/開關、LCD顯示器、報警電路等部分設計的一種智能自動稱量電子秤的實現方法。本電子稱具有體積小、成本低、精確度和可靠性高等特點。

關鍵詞：傳感器；單片機；AT89S52；電子秤

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）02-0058-03

0 引 言

稱重裝置目前已經普遍應用到國民經濟的各個領域，并且對稱重儀表的要求也越來越高，例如儀表要求具有更高的抗干擾能力和更高的精度[1]，早期電子秤一般是通過模擬電路來實現的，隨著電子技術的發展和數字芯片價格的逐漸降低，模擬控制已經慢慢被數字控制替代，而電子秤設計的模式也大多轉變為以處理器為核心的模式，其精度與可靠性也都有明顯的提高[2]。

本文以電阻式應變片傳感器為信號采集單元、AT98S52單片機為控制，設計一款重量輕、計量準確、讀數直觀、價格低廉的便攜式智能電子秤系統。

1 智能電子秤的基本組成單元

電子秤是利用物體的重力作用來確定物體質量的測量儀器，也可用來確定與質量相關的其它量大小、參數或特征。其基本組成單元主要有以下三個：

（1）稱重、傳力復位系統：它是被稱物體與轉換元件之間的機械、傳力復位系統，一般包括承受被稱物體載荷的承載器、秤橋結構、吊掛連接部件和限位減振結構等。

（2）稱重傳感器：即非電量轉換成電量的轉換元件，對其要求是：輸出電量與輸入重量保持單值對應，有良好的線性度，有較高的靈敏度，對被稱物體的狀態影響小，能在較差工作條件下工作，穩定性好。

（3）測量顯示和數據輸出的載荷測量裝置：測量顯示和數據輸出的載荷測量裝置主要包括處理稱重傳感器信號的電子線路（包括放大器、模數轉換、補償元件、調節器等）和指示部件。

2 智能電子秤設計方案

2.1 系統總體設計

本系統主要由控制、測量、報警、數據顯示、鍵盤和電源等6個部分組成，其設計框圖如圖1所示。

圖1 系統設計框圖

2.2 智能電子秤工作原理

測量部分是利用電阻應變片式稱重傳感器測量壓力信號，當被稱物體放置在秤體的秤臺上時，應變片發生形變，傳感器隨之產生力-電效應，將物體的重量轉換成與被稱物體重量成一定函數關系（線性關系）的模擬電信號（電流或電壓）。此電信號一般比較微弱，經過放大電路放大、濾波后再由模數（A/D）轉換成為數字信號，再送入CPU處理，CPU不斷掃描鍵盤和各種功能開關，根據鍵盤輸入內容和各種功能開關的狀態進行必要的判斷、分析，由儀表的軟件來控制各種運算，將數字信號轉換為物體的實際重量信號。運算結果送到內存，需要顯示時，CPU發出命令，從內存中讀出送到顯示器顯示，或送到打印機打印。

3 硬件電路設計

3.1 控制部分電路

控制部分選用內部帶有8 KB的AT89S52單片機，其電路框圖如圖2所示。

3.2 傳感器電路

數據采集部分包括稱重傳感器、處理電路和A/D轉換電路。傳感器選用具有過載保護的SP20C-G501，內部惠斯頓電橋具有抑制溫度變化的影響、抑制干擾等優點。稱重傳感器工作原理圖如圖3所示，其輸出信號電壓為：

圖2 控制電路框圖 圖3 稱重傳感器原理圖

3.3 放大電路

傳感器輸出電壓范圍為0～20 mV。而A/D轉換的輸入電壓要求0～20 mV，因此放大環節要有100倍左右的增益。采用INA128放大器設計的電路如圖4所示。

圖4 基于INA128放大器的放大電路

圖4的放大電路中，前級采用運放A1和A2組成并聯型差動放大器。阻容耦合電路放在前級放大器和后級放大器之間，這樣可以為后級放大器提高增益，進而提高電路的共模抑制比。同時，由于前置放大器的輸出阻抗很低，又采用共模抑制技術，避免了阻容耦合電路中的阻、容元件參數不對稱（匹配）導致的共模干擾轉換成差模干擾的情況發生。后級電路采用廉價的儀器放大器，將雙端信號轉換為單端信號輸出。由于阻容耦合電路的隔直作用，后級放大器可以做到很高的增益，進而得到很高的共模抑制比。

3.4 A/D轉換和鍵盤電路

本設計采用精度高、價格低廉、功耗較低的12位A/D轉換器AD754來設計A/D轉換。

由于電子秤需要設置單價（10個數字鍵），還具有確認、刪除等功能，包括復位鍵公17個。16個按鍵采用4×4矩陣式鍵盤，圖5所示是其電路圖，其中復位鍵使用獨立式按鍵實現。

3.5 顯示和數據輸出載荷測量裝置設計

系統采用LCD液晶顯示來設計。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I/O值為高電平，三極管導通，使蜂鳴器發出報警聲，同時報警燈D1發光。其報警電路如圖6所示。

圖5 4×4矩陣式鍵盤電路圖 圖6 報警電路

3.6 電源電路設計

由于傳感器需要+12 V的電源，而系統其他芯片使用+5V電源，因此，本設計采用的電源電路如圖7所示。

220 V交流電經過變壓器后輸出15 V交流電壓，經整流電路變直流，通過LM7812和LM7905進行DC/DC變換得到+12 V和+5 V電壓。變壓器原邊加入熔斷保護裝置和MFC網絡，使得系統獲得的電壓更穩定，且電路短路時，熔斷裝置迅速切斷電源，保護其他電路元件不被損壞。

4 系統軟件設計

軟件系統設計的基本思想是充分利用單片機控制的優勢，實現稱重過程的一系列要求，提高系統的可靠性[3]。系統軟件由6個模塊構成，分別是主程序模塊、A/D轉換模塊、數制轉換模塊、鍵盤掃描控制模塊、顯示模塊和報警模塊。其中主程序模塊主要完成芯片初始化及按需要調用子程序；A/D轉換模塊主要完成在系統開始運行時，把傳感器傳遞過來的模擬信號轉換成數字信號并傳遞到單片機所涉及到的程序設計；數制轉換模塊主要完成數制的轉換；鍵盤掃描控制模塊主要是判斷按鍵編碼，然后根據編碼將鍵盤代表的數值送到相應的存儲單元，再進行功能選擇或數據處理。顯示模塊主要判斷是否需要顯示，以及如何去顯示。報警模塊主要是比較設定值與實時顯示值，設定值比較小時，則將P1.0置1，將二極管點亮，蜂鳴器發出報警聲音。

5 結 語

基于電阻應變片式電子秤集微處理技術、傳感器技術和數字顯示技術等于一體，靈活性好、準確度高、使用簡單方便。本設計來源于學生實訓制作，因此是很好的教學案例，并且稍加擴展，就能夠具有更廣泛的推廣和應用價值。

參 考 文 獻

[1] 任治斌. MCS51單片機在電子皮帶自動化中的應用[J]. 現代電子技術，2005，28（14）：73-74.

[2] 陳安. PIC單片機在超市收銀臺自動傳送帶中的應用[J]. 工業控制計算機，2004，17（8）：43-44 .

[3] 馮秀彥.基于單片機的智能電子秤的設計與實現[J].計算機光盤軟件與應用，2012（9）：136.

[4] 王峰. 基于單片機控制的電子秤的設計[J].科技創新與應用，2013（15）：26.

[5] 章蔚中，王穎. 基于LabVIEW的智能電子秤設計[J]. 南昌工程學院學報，2007（6）：70-72.

Design of electronic scales based resistance strain gauge sensor

WANG Lai-zhi， WANG Xiao-ping

（Chongqing City Management College， Chongqing 401331， China）

Abstract： An intelligent automatic weighing electronic scale is provided which uses AT89S52 as microcontroller， combines with resistance strain gauge sensor， A/D converter， keyboard/switches， LCD displayer， alarm circuit and so on. The electronic scale has the features of small size， low cost， high accuracy and high reliability.

Keywords： Sensor； MCU； AT89S52； electronic scale

5 結 語

基于電阻應變片式電子秤集微處理技術、傳感器技術和數字顯示技術等于一體，靈活性好、準確度高、使用簡單方便。本設計來源于學生實訓制作，因此是很好的教學案例，并且稍加擴展，就能夠具有更廣泛的推廣和應用價值。

參 考 文 獻

[1] 任治斌. MCS51單片機在電子皮帶自動化中的應用[J]. 現代電子技術，2005，28（14）：73-74.

[2] 陳安. PIC單片機在超市收銀臺自動傳送帶中的應用[J]. 工業控制計算機，2004，17（8）：43-44 .

[3] 馮秀彥.基于單片機的智能電子秤的設計與實現[J].計算機光盤軟件與應用，2012（9）：136.

[4] 王峰. 基于單片機控制的電子秤的設計[J].科技創新與應用，2013（15）：26.

[5] 章蔚中，王穎. 基于LabVIEW的智能電子秤設計[J]. 南昌工程學院學報，2007（6）：70-72.

Design of electronic scales based resistance strain gauge sensor

WANG Lai-zhi， WANG Xiao-ping

（Chongqing City Management College， Chongqing 401331， China）

Abstract： An intelligent automatic weighing electronic scale is provided which uses AT89S52 as microcontroller， combines with resistance strain gauge sensor， A/D converter， keyboard/switches， LCD displayer， alarm circuit and so on. The electronic scale has the features of small size， low cost， high accuracy and high reliability.

Keywords： Sensor； MCU； AT89S52； electronic scale

5 結 語

基于電阻應變片式電子秤集微處理技術、傳感器技術和數字顯示技術等于一體，靈活性好、準確度高、使用簡單方便。本設計來源于學生實訓制作，因此是很好的教學案例，并且稍加擴展，就能夠具有更廣泛的推廣和應用價值。

參 考 文 獻

[1] 任治斌. MCS51單片機在電子皮帶自動化中的應用[J]. 現代電子技術，2005，28（14）：73-74.

[2] 陳安. PIC單片機在超市收銀臺自動傳送帶中的應用[J]. 工業控制計算機，2004，17（8）：43-44 .

[3] 馮秀彥.基于單片機的智能電子秤的設計與實現[J].計算機光盤軟件與應用，2012（9）：136.

[4] 王峰. 基于單片機控制的電子秤的設計[J].科技創新與應用，2013（15）：26.

[5] 章蔚中，王穎. 基于LabVIEW的智能電子秤設計[J]. 南昌工程學院學報，2007（6）：70-72.

Design of electronic scales based resistance strain gauge sensor

WANG Lai-zhi， WANG Xiao-ping

（Chongqing City Management College， Chongqing 401331， China）

Abstract： An intelligent automatic weighing electronic scale is provided which uses AT89S52 as microcontroller， combines with resistance strain gauge sensor， A/D converter， keyboard/switches， LCD displayer， alarm circuit and so on. The electronic scale has the features of small size， low cost， high accuracy and high reliability.

Keywords： Sensor； MCU； AT89S52； electronic scale