家用智能電子秤設(shè)計(jì)

太原工業(yè)學(xué)院□程麗霞 吳 璞

1 引言

早在原始社會(huì)末期，中國(guó)古代計(jì)量學(xué)已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)，隨著生產(chǎn)力的逐漸發(fā)展，人們對(duì)長(zhǎng)度、容量、重量和時(shí)間的測(cè)量需求也逐步增加。秤是日常生活中使用十分廣泛的測(cè)量器具，也是實(shí)現(xiàn)商品交換的重要途徑。在 《國(guó)內(nèi)外電子衡器結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與應(yīng)用分析》（劉九卿等，2016） 中提到，自從 1960 年以來(lái)，機(jī)械設(shè)備與電子產(chǎn)品相結(jié)合式的儀器出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展，全電子型、智能型成為了電子衡器新的發(fā)展方向，告別了初期的生產(chǎn)階段。在《電子稱(chēng)重技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)》（邵樹(shù)春等，2011） 中提到，在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，電子產(chǎn)品開(kāi)始向小型化、智能化、模塊化發(fā)展，具有反應(yīng)迅速、可測(cè)量的范圍寬泛、涉及的類(lèi)型多樣、構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單、信號(hào)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送等特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種智能電子秤，它的控制芯片采用了AT89S52 單片機(jī)，稱(chēng)量壓力傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換器、液晶顯示器等構(gòu)成其主要部分。稱(chēng)重傳感器的類(lèi)型選擇了電阻應(yīng)變式傳感器，在顯示質(zhì)量的同時(shí)還可以在超量程的情況下實(shí)現(xiàn)報(bào)警的功能，附加的過(guò)載報(bào)警功能可以更好地保護(hù)設(shè)備。

2 智能電子秤總體設(shè)計(jì)

電子稱(chēng)重技術(shù)是將多門(mén)學(xué)科有機(jī)結(jié)合的綜合性技術(shù)，是機(jī)電、材料、信息等的統(tǒng)一，是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，這是在 《展望21 世紀(jì)初電子稱(chēng)重技術(shù)的發(fā)展》（劉九卿等，2011） 中提到的。機(jī)械衡器是由機(jī)械構(gòu)件組成的衡器，依靠構(gòu)件的受力平衡和人為改變一些數(shù)據(jù)彌補(bǔ)誤差的方法實(shí)現(xiàn)稱(chēng)量。在充分了解了稱(chēng)重技術(shù)的發(fā)展、電子秤的分類(lèi)后，選擇了電阻式應(yīng)變傳感器，它具有多重優(yōu)點(diǎn)，能夠適應(yīng)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種測(cè)量環(huán)境，且小型化，構(gòu)成簡(jiǎn)單，靈敏度高。在工作過(guò)程中，多應(yīng)用于測(cè)量力等物理量參數(shù)。本文設(shè)計(jì)的智能電子秤選取了AT89S52 作為微控制器，AD0832作為A/D 轉(zhuǎn)換電路芯片，LCD1602 作為液晶顯示器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。本設(shè)計(jì)采用了protues 軟件進(jìn)行仿真，使其具有高準(zhǔn)確度的稱(chēng)重功能、實(shí)時(shí)顯示稱(chēng)重結(jié)果，并能夠進(jìn)行自我診斷與檢測(cè)，同時(shí)可以在后期超過(guò)量程時(shí)進(jìn)行報(bào)警提醒用戶(hù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 稱(chēng)重模塊硬件設(shè)計(jì)

電子秤的主要構(gòu)成部分有：電源、A/D 轉(zhuǎn)換部分、傳感部分、顯示部分以及報(bào)警部分等。電源模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的供電，一部分用于激勵(lì)源供電，維持應(yīng)變傳感器式測(cè)量電橋的穩(wěn)定，一部分用于系統(tǒng)其他部分供電。A/D 轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，之后單片機(jī)才能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這里選用了AD0832 作為A/D 轉(zhuǎn)換電路的芯片，它由雙通道構(gòu)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(shí)鐘頻率為 250kHz，芯片轉(zhuǎn)換的時(shí)間只有 32μs，模擬電壓輸入在0～5V 之間，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。

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

圖2 測(cè)量電路

半橋差動(dòng)電路的輸出電壓為：

若電橋初始時(shí)是平衡的，ΔR1＝ΔR2成立，在對(duì)稱(chēng)情況下，R1＝R2，R3＝R4，式（1） 可化簡(jiǎn)為：

此時(shí)無(wú)非線(xiàn)性誤差，電橋電壓靈敏度KU=E/2，是單臂工作時(shí)的兩倍。

LCD1602 是單片機(jī)系統(tǒng)中最常見(jiàn)且市場(chǎng)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(shù)據(jù)線(xiàn)、三條控制線(xiàn)和三條電源線(xiàn)。蜂鳴器報(bào)警模塊用于對(duì)一些預(yù)設(shè)的錯(cuò)誤提出警告信號(hào)。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

家用智能電子秤需要具備以下功能：1） 稱(chēng)重功能；2） 實(shí)時(shí)顯示功能；3） 故障檢測(cè)與報(bào)警功能。這里采用了單片機(jī)AT89S52 作為控制芯片。開(kāi)始工作后，系統(tǒng)上電復(fù)位，微控制器對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，為后續(xù)程序處理做準(zhǔn)備，并執(zhí)行故障自我檢測(cè)，如若在此檢測(cè)中存在故障，就會(huì)發(fā)出故障警告。除此以外，可根據(jù)模式的狀態(tài)變量輸入不同模式。在進(jìn)入稱(chēng)量階段，通過(guò)傳感器受力，模擬電壓信號(hào)送到控制芯片AT89S52 之后，A/D 轉(zhuǎn)換器完成相關(guān)的處理，將被測(cè)量物體的重量信息由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，單片機(jī)經(jīng)過(guò)濾波，誤差補(bǔ)償?shù)确绞?，根?jù)所使用壓力傳感器的型號(hào)選取所適用的公式進(jìn)行換算處理數(shù)據(jù)，然后對(duì)LM06L 進(jìn)行寫(xiě)操作，最后根據(jù)用戶(hù)需求將結(jié)果在顯示屏上實(shí)現(xiàn)輸出。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3 所示。

系統(tǒng)的相關(guān)程序如下：

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

5 仿真測(cè)試

電源接通后，各部分模塊開(kāi)始協(xié)同工作，按照特定的程序完成稱(chēng)量工作。這里我們采用Protues 軟件進(jìn)行仿真，它能夠?qū)㈦娐吩O(shè)計(jì)與實(shí)物仿真及印制電路板設(shè)計(jì)相結(jié)合，可以在其界面上利用軟件提供的各類(lèi)電子元器件進(jìn)行電路繪制，之后加載正確的代碼最終可以實(shí)現(xiàn)仿真并進(jìn)行分析。Keil C51 是一種可以兼容單片機(jī)C 語(yǔ)言軟件的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，操縱相對(duì)簡(jiǎn)單。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，傳感器向單片機(jī)輸入模擬電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換后，根據(jù)技術(shù)手冊(cè)提供的公式進(jìn)行換算，最后將結(jié)果顯示在LCD1602 的液晶顯示屏上。在仿真過(guò)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(shù)值后，LCD1602 中將會(huì)顯示數(shù)值，如果輸入數(shù)值超過(guò)上限，則會(huì)顯示規(guī)定的數(shù)值并進(jìn)行報(bào)警提醒。

6 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)的家用智能電子秤采用了AT89S52單片機(jī)、A/D0832 轉(zhuǎn)換器以及LCD1602 液晶顯示屏等作為其主要構(gòu)成部分，并通過(guò)prutues 軟件對(duì)其高精度稱(chēng)重、實(shí)時(shí)顯示以及超量程報(bào)警的功能進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果說(shuō)明該電子秤是一種便捷、準(zhǔn)確、實(shí)用性強(qiáng)的智能電子秤。