家用智能電子秤設計

太原工業學院□程麗霞 吳 璞

1 引言

早在原始社會末期，中國古代計量學已經開始出現，隨著生產力的逐漸發展，人們對長度、容量、重量和時間的測量需求也逐步增加。秤是日常生活中使用十分廣泛的測量器具，也是實現商品交換的重要途徑。在 《國內外電子衡器結構創新與應用分析》（劉九卿等，2016） 中提到，自從 1960 年以來，機械設備與電子產品相結合式的儀器出現，經過多年的研究和發展，全電子型、智能型成為了電子衡器新的發展方向，告別了初期的生產階段。在《電子稱重技術現狀和發展趨勢》（邵樹春等，2011） 中提到，在科學技術高速發展的今天，電子產品開始向小型化、智能化、模塊化發展，具有反應迅速、可測量的范圍寬泛、涉及的類型多樣、構造相對簡單、信號可實現遠距離傳送等特點。本文設計了一種智能電子秤，它的控制芯片采用了AT89S52 單片機，稱量壓力傳感器、A/D 轉換器、液晶顯示器等構成其主要部分。稱重傳感器的類型選擇了電阻應變式傳感器，在顯示質量的同時還可以在超量程的情況下實現報警的功能，附加的過載報警功能可以更好地保護設備。

2 智能電子秤總體設計

電子稱重技術是將多門學科有機結合的綜合性技術，是機電、材料、信息等的統一，是一項系統工程，這是在 《展望21 世紀初電子稱重技術的發展》（劉九卿等，2011） 中提到的。機械衡器是由機械構件組成的衡器，依靠構件的受力平衡和人為改變一些數據彌補誤差的方法實現稱量。在充分了解了稱重技術的發展、電子秤的分類后，選擇了電阻式應變傳感器，它具有多重優點，能夠適應動態和靜態兩種測量環境，且小型化，構成簡單，靈敏度高。在工作過程中，多應用于測量力等物理量參數。本文設計的智能電子秤選取了AT89S52 作為微控制器，AD0832作為A/D 轉換電路芯片，LCD1602 作為液晶顯示器，系統結構圖如圖1。本設計采用了protues 軟件進行仿真，使其具有高準確度的稱重功能、實時顯示稱重結果，并能夠進行自我診斷與檢測，同時可以在后期超過量程時進行報警提醒用戶。

圖1 系統結構圖

3 稱重模塊硬件設計

電子秤的主要構成部分有：電源、A/D 轉換部分、傳感部分、顯示部分以及報警部分等。電源模塊負責整個系統的供電，一部分用于激勵源供電，維持應變傳感器式測量電橋的穩定，一部分用于系統其他部分供電。A/D 轉換器是將模擬量轉換為數字量，之后單片機才能夠進行數據處理。這里選用了AD0832 作為A/D 轉換電路的芯片，它由雙通道構成，5V 電源供電、分辨率有8 位，輸入輸出電平可以和多種晶體管兼容，時鐘頻率為 250kHz，芯片轉換的時間只有 32μs，模擬電壓輸入在0～5V 之間，能夠滿足系統的要求。

稱重壓力傳感器是電子衡器的核心，它的選擇至關重要，最終選定了應變式傳感器。其關鍵組成部分是電阻應變片，由電阻絲、基片、覆蓋層和引線構成，能夠把應變的變化最終轉換為電阻的變化，我們又將電阻的變化轉換成電壓的變化，應變片在電橋中有不同的接法，我們采用了雙臂半橋式應變電橋接法，測量電路如圖2 所示。

圖2 測量電路

半橋差動電路的輸出電壓為：

若電橋初始時是平衡的，ΔR1＝ΔR2成立，在對稱情況下，R1＝R2，R3＝R4，式（1） 可化簡為：

此時無非線性誤差，電橋電壓靈敏度KU=E/2，是單臂工作時的兩倍。

LCD1602 是單片機系統中最常見且市場普及度很高的一種字符型液晶顯示模塊，不僅耗電少而且尺寸小，典型工作電壓為5V，引腳包含八條數據線、三條控制線和三條電源線。蜂鳴器報警模塊用于對一些預設的錯誤提出警告信號。

4 控制系統軟件設計

家用智能電子秤需要具備以下功能：1） 稱重功能；2） 實時顯示功能；3） 故障檢測與報警功能。這里采用了單片機AT89S52 作為控制芯片。開始工作后，系統上電復位，微控制器對每個模塊進行初始化設置，為后續程序處理做準備，并執行故障自我檢測，如若在此檢測中存在故障，就會發出故障警告。除此以外，可根據模式的狀態變量輸入不同模式。在進入稱量階段，通過傳感器受力，模擬電壓信號送到控制芯片AT89S52 之后，A/D 轉換器完成相關的處理，將被測量物體的重量信息由模擬量轉換為數字量，單片機經過濾波，誤差補償等方式，根據所使用壓力傳感器的型號選取所適用的公式進行換算處理數據，然后對LM06L 進行寫操作，最后根據用戶需求將結果在顯示屏上實現輸出。系統的軟件流程圖如圖3 所示。

系統的相關程序如下：

圖3 系統軟件流程圖

5 仿真測試

電源接通后，各部分模塊開始協同工作，按照特定的程序完成稱量工作。這里我們采用Protues 軟件進行仿真，它能夠將電路設計與實物仿真及印制電路板設計相結合，可以在其界面上利用軟件提供的各類電子元器件進行電路繪制，之后加載正確的代碼最終可以實現仿真并進行分析。Keil C51 是一種可以兼容單片機C 語言軟件的開發系統，操縱相對簡單。當程序運行時，傳感器向單片機輸入模擬電壓信號，經過A/D 轉換后，根據技術手冊提供的公式進行換算，最后將結果顯示在LCD1602 的液晶顯示屏上。在仿真過程中，先在編譯軟件中生成.hex文件，然后將.hex 文件裝載到Protues 軟件中的AT89C52 中，輸入合理的數值后，LCD1602 中將會顯示數值，如果輸入數值超過上限，則會顯示規定的數值并進行報警提醒。

6 小結

本文設計的家用智能電子秤采用了AT89S52單片機、A/D0832 轉換器以及LCD1602 液晶顯示屏等作為其主要構成部分，并通過prutues 軟件對其高精度稱重、實時顯示以及超量程報警的功能進行了仿真，仿真結果說明該電子秤是一種便捷、準確、實用性強的智能電子秤。