电子秤设计系统方案说明书

1.功能概述：这是一种小型、简便、精确度高的电子平台秤，量程20Kg，分度值为5g，它用一个显示窗口来显示所称物体的重量。把所称物体放到秤台上，通过秤体物体的重力传给电阻应变式称重传感器，传感器受到压力使电阻发生变化引起电压变化再将电压值送到A/D转换电路，将模拟量转换成数字量，转换后的数字量送微处理器（单片机C51）进行处理，其功能由键盘电路来控制，并由数码管来显示结果。可扩展功能是它具有置零、去皮、标定功能。置零：在开机或称重过程中，仪表显示偏离零点且在称重范围内，则可按[置零]键，显示零值并零点指示灯亮。去皮：在称重显示状态下，按[去皮]键，则显示零值并去皮指示灯亮；在去皮状态下，拿掉皮重物时按[去皮]键，可以清除皮重值。标定功能：为保证仪器预定精度的可靠性和合法性，仪器必须定期校准，为用户提供一种方便的自动校准方式2.系统框图：按照电子秤设计要求，可确定电子秤电路由以下几部分组成。电阻应变式称重传感器、CS1180A/D转换器、单片机最小系统，数码管显示电路、键盘电路、电源电路。其框图如下：3.各模块功能分析：a.称重传感器模块即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。b.放大电路模块用于放大称重传感器输出的低电压,用于A/D转换c.A/D转换电路模块A/D转换器是一种能把输入模拟电压或电流变成与它成正比的数字量，也就是说能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。d.微处理器模块进行处理由A/D转换电路转换后的数字量，并送往数码管显示结果e.显示模块通过数码管来显示从微处理器送来的数字量，即电子秤测量重物的重量f.电源模块集成三端稳压芯片LM7805具有比较高的精确度，加上电容的滤波，对电路可以提供比较稳定的电压。在电路提供+5V的电源；主要用于电桥数据采集、信号放大电路、A/D芯片（CS1180）、数码管显示。4.各模块实现方法：a.称重传感器模块：按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。常用各种称重传感器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、压磁式、压电式、谐振式等。电阻应变式称重传感器：是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，然后以适当方式组成电桥的一种将力（重量）转换成电信号的转换元件。电容式称重传感器：是把被称物体重量转换为电容器容量变化的一种传感器，它是以各种不同类型的电容量作为转换元件，实际是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器由于它存在输出特性的非线性、寄生电容和分布电容对灵敏度和称重精度的影响、传感器联接电路比较复杂等原因，直接影响到它的可靠性，所以限制了它的应用。近些年来由于集成电路特别是微处理技术的发展，可将电子线路紧靠传感器的极板以减小电缆分布电容的影响，并可利用微处理技术对电容式传感器的温度特性和非线性进行补偿，所以电容式传感器在电子称重技术中的应用又得到了重视，在国内已出现了可与电阻应变式传感器电子秤准确度相比的电容式台秤和电容式吊秤等产品。压磁式称重传感器：也称磁弹性传感器，它是一种力-电转换的无源传感器。它的工作原理是利用压磁效应，将被称重量的变化变换成传感器导磁体的导磁率变化并输出电信号。压磁传感器具有输出信号大、抗干扰性能好、过载能力强、不均匀载荷对测量准确度的影响小、能在恶劣的环境中工作、结构简单便于加工等优点。缺点是准确度低、反应速度慢。它常用于冶金、矿山、运输等工业部门的承受大吨位，并要求牢固可靠、安全报警等测力或称重场合。谐振式称重传感器：也称频率式传感器，它是利用机械振子的固有频率或石英晶体的谐振特性，随着被称物体重量的变化而产生频率变化现象而形成的一种传感器。谐振式传感器可分为振弦式、振梁式、振膜式、振筒式、振管式和晶体谐振式等多种类型。在称重技术中主要采用的是振弦式称重传感器和振梁式称重传感器类的一种复合音叉振子传感器。称重传感器的选择传感器种类繁多，分类方式也千差万别，它们都有各自的特点，但在设计电子秤时，选择一种合适的传感器非常重要，传感器的性能在很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。称重传感器的选择主要从以下几个方面考虑。（1）要考虑传感器所处的实际工作环境情况传感器所处的工作环境情况对如何选用传感器是至关重要的，它关系到传感器能否正常的工作，关系到传感器的安全和使用寿命，乃至关系到整个电子秤的可靠性和安全性。（2）对传感器数量和量程的选择传感器数量的选择是根据电子秤的用途、秤体需要支撑的点数（支撑点数应根据使秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定）而定。一般来说，秤体有几个支撑点就选用几只传感器，但是对于一些特殊的秤体，如电子吊秤，就只能采用一个传感器，一些机电结合秤就应根据实际情况来确定选用传感器的个数。传感器量程的选择是依据秤的最大秤量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定传感器的量程。一般来说，传感器的量程越接近分配到每个传感的载荷，其称量的准确度就越高，但在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷的存在，因此在选用传感器量程的时候，要考虑诸如多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。（3）传感器准确度等级的选择传感器的准确度等级概括了传感器的非线性、蠕变、蠕变恢复、滞后、重复性、灵敏度等技术指标。称重传感器已按准确度等级划分，且已考虑了0.7倍误差因子，非自动衡器称重传感器的准确度等级要选择与电子秤相对应的准确度等级。称重传感器按综合性能分为A、B、C、D四个准确度等级，分别对应于衡器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个准确度等级。b.放大电路模块放大、零位调整电路电子称重装置使用电阻应变桥式传感器,其核心是由电阻应变计(应变片)构成的电桥电路,这类传感器具有成本低、精度高且温度稳定性好的特点。但其检测原理决定该类传感器输出电压低,要经过差分放大电路放大数百倍才能用于A/D转换。一般说来，传感器输出的电压值都非常小，基本上都是毫伏级甚至微伏级。在设计高精度电子秤时，需要外部放大电路来获得足够的增益。c.A/D转换电路模块电子秤A/D转换器的选用A/D转换器种类较多，从原理上可分为四种：双积分式A/D转换器，逐次逼近式A/D转换器、并行A/D转换器、计数器式A/D转换器及△－∑型A/D转换器。在电子秤的设计中用的比较多的是双积分式A/D转换器和△－∑型A/D转换器。电子秤作为法定的计量器具，其技术指标、稳定性、可靠性都有严格的要求，必须符合国家的标准，因此，在设计时对于器件的选择不仅要考虑成本，更要的还要考虑电路的稳定性，因此尽可能的使电路设计的器件少。采用△－∑技术制成的A/D转换芯片，具有较高集成度，它通常集放大器、模拟开关、A/D转换器、比较器、数字滤波器、输出接口集于一体，仅需几个外围器件便构成一个完整A/D转换系统，大大减少了印刷线路板布线。由于其集成度高，所以故障概率较采用分立元件A/D转换系统和明显降低，进而提高系统可靠性。此外，其内部置高性能仪表放大器，大大降低对信号源的要求。电子秤电阻应变式称重传感器输出信号为mV级，若采用一般的A/D转换器往往需要放大后才能进行A/D转换。而△－∑A/D转换器大都采用了增益可编程放大器，可编程数字滤波、多种自校准技术等多项先进技术，并多数采用微处理器来管理与控制转换程序，由于采用了多种综合技术措施，放大器的增益调整、数字滤波和误差校正都集中在同一芯片中，外围器件少，使用方便可靠。它的这些优点正符合电子秤正朝着小型化，高精度，智能化方向发展。因此，电子秤的设计选用△－∑模数转换器较为合理。目前市场△－∑A/D转换器型号比较多，性能指标也不同，选用什么型号的△－∑A/D转换器根据电子秤的性能要求决定。对于静态的，商用的电子秤来说，常选用分辨率为16位至24位的A/D转换器。下面介绍一种较适合商用电子秤设计的CS1180A/D转换器。（1）CS1180简介CS1180采用外形为6.2×5.3mm的SSOP16脚封装，尺寸很小，所需的外围器件也很少，满足了电子秤小型化的需求。CS1180提供了24bit无失码，18bit有效精度的高性能，满足了电子秤高精度的需求。CS1180内有各种控制寄存器和数据寄存器，并且可以通过SPI接口方便的控制和读取这些寄存器，满足了电子秤智能化的需求。因此CS1180是电子秤中AD转换器的理想选择。（2）CS1180特点CS1180是24位高精度、低功耗Sigma-Delta模数转换芯片，有效分辨率可达20（PGA=1）位。可以在2.7V~5.5V电源电压条件下工作，CS1180提供的1～128倍可编程增益放大器，在128倍时，有效分辨率可达18位。调制器是一个二阶Sigma-Delta调制器，芯片的FIR滤波器提供50Hz和60Hz陷波滤波，有效提高芯片的抗干扰性能。d.微处理器模块单片机最小系统设计由MCS—51系列的89C52和外围的时钟电路和复位电路组成。e.显示模块显示电路设计采用5位LCD数码管动态显示，f.电源模块本设计只用到电源一种：即+5V.电源原理稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图2.1图2.1电源方框及波形图A、整流和滤波电路：整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。B、稳压电路：由于得到的输出电压U4受负载、输入电压和温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压U0。电源电路图集成三端稳压芯片LM7805具有比较高的精确度，加上电容的滤波，对电路可以提供比较稳定的电压。图2.2中电路提供+5V的电源；主要用于电桥数据采集、信号放大电路、A/D芯片（CS1180）、数码显示。其中+5V给CS1180供电；-5V为CS1180参考电压和用于调零电路。由于要求输出的电流最大值为2000mA，而且取样电阻为1欧所以要求CS1180输出的电压至少为2伏，通过计算-5伏的电压足够实现上述要求。5.性能指标以及实现方法电子秤的计量性能电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有：量程、分度值、分度数、准确度等级等。（1）量程：电子衡器的最大称量Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大值。（2）分度值：电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值。用e或d来表示。（3）分度数：衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用n表示。电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积来表示，即Max=n•d（4）准确度等级国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类等级，分别对应不同准确度的电子秤和分度数n的范围，如下表1-1所示：标志及等级电子秤种类分度数范围特种准确度基准衡器n100000高准确度精密衡器10000n≤100000中准确度商业衡器1000n≤10000普通准确度粗衡器100n≤1000表1-1电子秤等级分类6.难点分析，解决方法（参考了有关资料）软件设计与调试软件设计需要有一个细致全面的过程，一般须先清楚的列出电子秤各部分电路与软件设计的有关特点，并进行定义说明，以作为软件设计的根据。在此基础上画出软件的功能流程图，程序流程图，再根据程序流程图用汇编语言或高级语言写出。。电子秤的信号处理流程电子秤要求有及时数据采集、处理、存结果、送显示的运行过程。根据这一要求，电子秤的信息测量与处理分三个阶段：（1）在微处理器的控制下，经传感器转换的电压信号通过输入电路送A/D转换器处理，变为相应的数字量，存入到数据存储器中。（2）微处理器对采集的测量数据进