【正文】 子高科技的飛速發(fā)展 ,電子秤技術(shù)的發(fā)展必定會日新月異。同時 ,功能更加齊全的高精度、高智能的先進電子秤將會不斷問世 ,其應(yīng)用范圍也會更加拓寬。 本文主要是設(shè)計的內(nèi)容是簡易電子秤，它用單片機作為處理核心，信號由壓力傳感器感受后經(jīng)放大器放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入到單片機處理，同時該電子秤具有 LCD顯示和鍵盤輸入。 該電子秤具體實現(xiàn) 的功能是能夠測量一定質(zhì)量內(nèi)物體的質(zhì)量，能夠利用鍵盤輸入價格，具有清零，可以計算總價，并能通過 LCD 直接顯示出來，超過所測重量時能夠報警。 DJKHJKFDSFJK HJDSKH FJDH JKFDHSJK FDSJK JKDHFJKH JFHDSJKFHJKDS HFJKDSHF DSJKFHDSJK 2 總體方案設(shè)計 設(shè)計整體方案 電子秤設(shè)計的整體方案是：壓力傳感器采集到因壓力變化而產(chǎn)生的電信號，但是一般這樣的電信號很小，所以需要利用放大電路將其放大，放大后的電信號通過 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送入到微處理器中處理，經(jīng)過微處理器處理后的輸出信號通過控制顯示器顯示出來。同時還需要使用鍵盤對物品單價等信息輸?shù)轿⑻幚砥鲀?nèi)部，還需要有過載報警裝置。其整體設(shè)計方案 如圖 21 所示 ： 圖 21 電子秤整體設(shè)計方案圖 主控制器方案 主控制器是電子秤的核心部分，它需要接受轉(zhuǎn)換后的傳感器信號，同時也能掃描接受到鍵盤的輸入信號，計算價格后控制顯示器的輸出，當(dāng)超過稱重量量程時還要控制報警裝置報警。STC89C52[1]是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。 STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS51 內(nèi)核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機 不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的 解決方案 。 具有以下標準功能： 8k 字節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線， 圖 22 STC89C52 引腳圖 看門狗定時器，內(nèi)置 4KB EEPROM， MAX810 復(fù)位電路， 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器 ，放大電路 傳感器 A/D 轉(zhuǎn)換器 報警電路 主控制器 LCD 顯示 鍵盤輸入 DJKHJKFDSFJK HJDSKH FJDH JKFDHSJK FDSJK JKDHFJKH JFHDSJKFHJKDS HFJKDSHF DSJKFHDSJK 4 個外部中斷，一個 7 向量 4 級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng) 51 的 5 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。另外 STC89X52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下 ， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率 35MHz， 6T/12T 可選 [2]。 STC89C52 參數(shù)： 1. 增強型 8051 單片機， 6 時鐘 /機器周期和 12 時鐘 /機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051. 2. 工作電壓： ～ （ 5V 單片機）/～ （ 3V 單片機） 3. 工作頻率范圍： 0～ 40MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 80MHz，實際工作 頻率可達48MHz 4. 用戶 應(yīng)用程序 空間為 8K 字節(jié) 5. 片上集成 512 字節(jié) RAM 圖 23 STC89C52實物圖 6. 通用 I/O 口（ 32 個），復(fù)位后為： P0/P1/P2/P3 是準雙向口 /弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻。 7. ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無 需專用仿真器，可通過串口（ RxD/,TxD/）直接下載用戶程 序，數(shù)秒即可完成一片 8. 具有 EEPROM 功能 9. 具有看門狗功能 10. 共 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器。即定時器 T0、 T T2 11. 外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路， Power Down 模式可 由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 12. 通用異步串行口（ UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 UART 13. 工作溫度范圍： 40～ +85℃ （工業(yè)級） /0～ 75℃ （商業(yè)級） 14. PDIP 封裝 [3] STC89C52 具體介紹如下 [7]： DJKHJKFDSFJK HJDSKH FJDH JKFDHSJK FDSJK JKDHFJKH JFHDSJKFHJKDS HFJKDSHF DSJKFHDSJK ① 主電源引腳（ 2 根） VCC(Pin40)：電源輸入，接＋ 5V 電源 GND(Pin20)：接地線 ② 外接晶振引腳（ 2 根） XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端 XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端 ③ 控制引腳（ 4 根） RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn) 2 個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。 ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號 PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號 EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令。 ④ 可編程輸入 /輸出引腳（ 32 根） STC89C52 單片機有 4 組 8 位的可編程 I/O 口，分別位 P0、 P P P3 口，每個口有 8 位（ 8 根引腳），共 32 根。 PO 口（ Pin39～ Pin32）： 8 位雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P1 口（ Pin1～ Pin8）： 8 位準雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P2 口（ Pin21～ Pin28）： 8 位準雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P3 口（ Pin10～ Pin17）： 8 位準雙向 I/O 口線，名稱為 ～ [16] 表 21 STC89C52 主要功能 主要功能特性 兼容 MCS51指令系統(tǒng) 8K可反復(fù)擦寫 Flash ROM 32個雙向 I/O口 256x8bit內(nèi)部 RAM 3個 16位可編程定時 /計數(shù)器中斷 時鐘頻率 024MHz 2個串行中斷 可編程 UART串行通道 2個外部中斷源 共 6個中斷源 2個讀寫中斷口線 3級加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 DJKHJKFDSFJK HJDSKH FJDH JKFDHSJK FDSJK JKDHFJKH JFHDSJKFHJKDS HFJKDSHF DSJKFHDSJK 稱重傳 感器選型 稱重傳感器按轉(zhuǎn)換方法分為光電式、電磁力式、液壓式、電容式、陀螺儀式、磁極變形式、振動式、電阻應(yīng)變式等 8 類，我選擇應(yīng)用最廣泛的電阻應(yīng)變式傳感器。 電阻應(yīng)變式稱重傳感器是利用電阻應(yīng)變片發(fā)生變形時其電阻也隨之發(fā)生變化的原理工作的，根據(jù)傳感器理論可知，設(shè)長為 L、截面積為 S、電阻率為 ρ 的電阻絲，已知其阻值為： SLR ?? （ 21） 當(dāng)電阻絲兩端有機械應(yīng)力 F 時， ρ、 L、 S 都會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻發(fā)生變化。這種應(yīng)變片式傳感器是基于材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)，電阻應(yīng)變片即可單獨作為傳感器使用，又能作為敏感元件結(jié)合彈性元件構(gòu)成力學(xué)量傳感器。電阻應(yīng)變片把機械應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為 △R/R 后，由于應(yīng)變量及相應(yīng)電阻變化一般都很微小，難以直接精確測量，且不便處理。因此，要采用轉(zhuǎn)換電路把應(yīng)變片的 △R/R 變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。其轉(zhuǎn)換電路常用測 量電橋 [4]。如圖 22 所示為常見的直流供電的平衡差動測量電橋： R 1 ▲ R 1R 2 + ▲ R 2R 4 + ▲ R 4R 3 ▲ R 3E inE o u t 圖 24 直流供電的平衡差動測量電橋 圖中， 錯誤 !未找到引用源。 為供橋電源電壓，當(dāng)初始有 錯誤 !未找到引用源。 時，則電橋輸出電壓或電流為零，這時電橋處于平衡狀態(tài)。 其測量原理：用應(yīng)變片測量時，將其粘貼在彈性體上。當(dāng)彈性體受力變形時，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化 [8]，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。由于內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈 性體承受載荷產(chǎn)生變形 時，輸出信號電壓可由下式給出 ： DJKHJKFDSFJK HJDSKH FJDH JKFDHSJK FDSJK JKDHFJKH JFHDSJKFHJKDS HFJKDSHF DSJKFHDSJK 2 4 R 1 R 2 R 3 R 4E E in( 2 4 ) R 1 R 2 R 3 R 4RRout ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ???? ?? （ 22） 本文的目的是設(shè)計一簡易電子秤，最大稱重約為 千克，重量誤差不大于 177。千克；考慮到與其相配置的各種電路的設(shè)計的難易程度和設(shè)計性價比，最終選擇了CZAF605 電阻應(yīng)變式稱重傳感器 [8]，其稱重規(guī)模為 5kg。 表 22 傳感器參數(shù) 額定負荷 5（ kg） 額定輸出 177。非線性 % 滯后 % 重復(fù)性 % 蠕變 % 輸出溫度影響 %℃ 零點溫度影響 %℃ 零點平衡 177。 mV/V 輸入阻抗 1115177。10% Ω 輸出阻抗 1000177。10% Ω 絕緣阻抗 ≥1000 MΩ 安全過載率 150 % 極限過載率 200 % 工作溫度范圍 20~60 ℃ 推薦工作電壓 5V 最大工作電壓 10V 材質(zhì) 鋁合金 防護等級 IP65 電纜 180 臺面尺寸 160160 mm 接線方式 紅：電源 +，黑：電源 ，綠：信號 +，白：信號 圖 25 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)垂直正壓力 P 作用于梁上時，梁產(chǎn)生形變，電阻應(yīng)變片 R1， R2受壓彎拉伸，阻值增加； R3， R4受壓縮，阻值減小；電橋失去平衡，產(chǎn)生不平衡電壓，與作用在傳感器上載荷 P 成正比，從而將非電量轉(zhuǎn)化成為電量輸出 [5]。工作原理如下圖 26所DJKHJKFDSFJK HJDSKH FJDH JKFDHSJK FDSJK JKDHFJKH JFHDSJKFHJKDS HFJKDSHF DSJKFHDSJK 示 ： 圖 26 傳感器工作原理 放大器選型 壓力傳感器感受重力轉(zhuǎn)換后輸出的信號一般電平較低；經(jīng)由電橋等電路變換后的信號亦難以直接用來顯示、記錄、控制或進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。為此，測量電路中需要模擬放大環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)目前主要依靠由集成運算放大器的基本元件構(gòu)成具有各種特性的放大器來完成。 所采用的傳感器輸出電壓振幅范圍 0～ 5mV。而模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入電壓要求為 0～5V，因此放大環(huán)節(jié)至少 1000 倍的增益，此處我們需要放大 1000 倍。根據(jù)本設(shè)計的實際情況增列出了兩種方案。 方案一：由高精度低漂移運算放大器構(gòu)成差 動放大器。 差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點，可以利用普通運放 ( 如 OP07) 做成一個差動放大器，其內(nèi)部電路圖如圖 27 所示。 圖 27 差動放大器內(nèi)部電路 電阻 R R2 電容 C C C C4 用于濾除前級的噪 聲， C C2 為普通小電容，可以濾除高頻干擾， C C4 為大的電解電容，主 要 用于濾除低頻噪聲 [6]。 DJKHJKFDSFJK HJDSKH FJDH JKFDHSJK FDSJK JKDHFJKH JFHDSJKFHJKDS HFJKDSHF DSJKFHDSJK 優(yōu)點：輸入級加入射隨放大器，增大了輸入阻抗，中間級為差動放大電路，滑動變阻器 R6 可以調(diào)節(jié)輸出零點，最后一級可以用于微調(diào)放大倍數(shù)，使輸出滿足滿量程要求。輸出級為反向放大器，所以輸出電阻不是很大，比較符合應(yīng)用要求。 缺點：此電路要求 R R4 相等，誤差將會影響輸出精度，難度較大。實際測量，每一級運放都會引入較大噪聲，對精度影響較大。 方案二：采用專用儀表放大器 [12]，如： INA128， INA129 等。 此類芯片內(nèi)部采用差動輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡單。 以 INA128 為例 ,引腳圖如 28 所示： INA128 特點： 低偏置電壓 最大 50181。V 低溫度漂移 最大 176。C 低輸入偏置電流 最