基于单片机设计的多功能电子秤

    殷金元

    

    

    摘 要：文章介绍了多功能电子秤的硬件设计和软件编程、应变片式称重传感器、A/D转换电路、显示电路和键盘接口电路。软件方面详细给出了主程序及程序，键扫描、动态显示程序以及AD7705与微机的硬件接口及软件设计等。模块的合理设计确保了电子秤的精确计量。

    关键词：电子秤；称重传感器；A/D转换；单片機

    1 电子秤

    称量设备的工作原理，常见的有3种：（1）杠杆原理的机械称，也是使用最多的机械秤；（2）隔断射线，减少射线计数器对射线反应的原理而组成核子称；（3）利用压力传感器中压力应变片微电流变化的电子秤，它是在机械秤的基础上改装而成，一般为分体式，也可是一体化模块。本次设计的就是这种电子秤。

    电子秤称一般是将被称重物将重力传递给称重传感器，再经过一系列过程后由数码管或液晶显示将重量显示出来。电子秤可以进行清零、置零、计重、毛重、累计净重、数字输出等操作，可直接进行打印。数据输出采用RS-232C串行通信，可直接与微机连接。

    2 电子秤的整体方案设计

    被称重物将重力传递给称重传感器。称重传感器通常采用应变片式、压阻式、电容式和机械式，电阻应变式传感器是用于力、压力和重量测量等最广泛的传感器。本方案采用应变式电阻传感器，将作用在其上的重力改变成为模拟信号输出，同时通过放大器将信号放大。经A/D模数转换器将放大的电压值变换成相应的数字信号，由单片机（中央处理器）进行算法处理，而周边所需要的功能及各种接口电路也和单片机CPU连接应用，最终重量能够显示在电子秤的显示器上，使用者通过键盘来操作电子秤。设计主要包括硬件设计和软件设计，电子秤的工作原理如图1所示。

    3 电子秤的硬件设计

    硬件系统主要由称重传感器模块、电压放大模块、A/D模数转换器、AT89S52单片机、LED显示电路模块、非编码键盘等几个模块组成。

    3.1 称重传感器电路

    考虑传感器的适用范围主要从精度、密封状态、量程、技术参数等几方面选择，在此方案中，我们主要选择它的量程和技术参数。

    首先，选择传感器的量程：传感器的量程选择决定于下列因素：（1）被称量物料最大的重量；（2）秤台或装置的自重；（3）传感器设置的数量；（4）正常操作下，最大可能产生的偏载。

    其次，根据各种类型传感器的适用范围来选择合适的传感器。常规称重传感器有以下几种：双连孔式传感器、柱式传感器、桥式传感器、柱环式传感器、剪切梁式传感器和单S梁式传感器。它们有着各自的称量范围与性能。本次方案采用应变式电阻称重传感器。该产品精度高、性能好。

    3.2 放大电路

    传感器测量电路因受重力作用引起的输出电压U很小，必须放大输出电压，满足A/D模数转换器对数字输入信号的要求，在此情况下，就要求选择一种能够放大数字信号电平的电路。3个普通的逻辑运算放大器和几个电阻，就能够组成性能优越的转换放大电路。这就是典型的差动放大器。例如同相端和反相端的输入电阻均为1 kπ，而同相端的分压电阻和反馈电阻均为100 kπ，这样，其电压放大倍数100 k/1 k=100倍。使用者可根据量程大小调整这两个电阻的大小，即可得到满意的电压放大取值。

    3.3 A/D转换电路

    A/D模数转换器是将模拟信号转换成数字信号的专用芯片。它把模拟信号变换成数字信号，同时进行逻辑处理、数字传输及信号输出。目前A/D模数转换器广泛应用在仪器仪表、图像成型以及通信行业中。对于此次设计而言，要求以较低的价格实现更高的性能，所以采用AD7705。压力测量电路如图2所示。

    3.4 显示电路

    单片机的应用最典型的是通过输入/输出口与LED数码管构成数码显示电路（见图3），7段LED数码管，是在专用的绝缘材料上，采用单只LED组合排列成“8”字型的数码管，分别引出它们的电源极性，使相应的正极或者负极发亮来显示出0—9的数字。7段LED数码管分为共阴极和共阳极两种，发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。

    3.5 键盘接口电路

    采用非编码键盘，各个按键独立安排一根输入/输出线，每根输入/输出线上按键的显示状态不影响其他输入/输出线上的显示状态。同时采用查询方式电路，按键为低电平有效。

    4 电子秤的模块设计

    4.1 电子秤的程序

    模块由主程序和若干个相应的子程序构成，包括键盘扫描子程序、键值处理子程序、LED显示子程序等，另外还有几个必须的子程序：A/D转换子程序、滤波子程序、非线形输出子程序、中断控制子程序、清零跟踪子程序、标定转换子程序等，系统开机后，首先执行程序的初始化，包括中断入口地址的设置，自检RAM，ROM，设置各标志位等，然后才显示程序开始。

    4.2 编写程序流程

    根据硬件设计可知，单片机从AD7705中取出16位二进制数，先将它存于两个地址中，再通过程序转换为BCD码存到供显示的5个显示缓存区，最后通过动态显示程序输出7段码送到显示器输出显示结果。

    4.3 编写程序

    设计程序时，首先要对用到的各种参数进行设定，使用的参数必须易于掌握，可以使用英文、汉语拼音的缩写形式。再对各特殊功能寄存器的状态进行初始化，安排中断地址的入口，定义数据存储区，然后根据方案分别设计，测算中断、各种子程序的具体情况，预留出堆栈区和需要的数据缓存区，紧接着就开始编写各种模块。

    5 结语

    采用AT89S52单片机设计的电子秤，无论功能使用、计量准确度，稳定性能都满足国家对电子秤的要求，它具有良好的校准方法，性能扎实，操作方便，价格低廉，同时通过电路或者模块的扩充以及应用程序的改变，能够设计出性价比更加突出的计价称、电子台秤等，满足各行各业对多功能电子秤的需求。

    [参考文献]

    [1]刘红平.单片机原理与运用[M].北京：电子工业出版社，2012.

    [2]梁廷.A/D转换器其它专用集成电路分册[M].北京：科学献出版社，2010.

    [3]殷卫宁.电子计价秤维修大全[M].北京：电子工业出版社，2014.

    [4]刘迎春，叶湘滨.传感器原理、设计与应用[M].长沙：国防科技大学出版社，2016.

    [5]赵家贵，付小美，董平.新编传感器电路设计手册[M].北京：中国计量出版社，2017.