高精度电子秤对药品重量的检测

李汝山 孙彦萍 张二吻

（山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博 255049）

0 引言

称重技术是人类生活中不可缺少的一部分，自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，被广泛应用于工业、农业、贸易等各个领域。随着现代文明和科学技术的不断进步，人们对称重技术的准确度要求也越来越高。电子秤产品技术水平的高低，直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益。近年来，电子秤重技术取得了突飞猛进的发展，电子秤在称重计量领域中占有越来越重要的地位，其应用领域也在不断扩大。尤其是商用电子秤，由于其具有准确度高、反应灵敏、结构简单等优点，被广泛应用于工商贸易、轻工食品、医药卫生等领域。目前，机械秤正在逐步被电子秤取代，这就促使我们需要进一步深入研究电子秤。电子技术逐渐向着集成化、高速度、高精度、智能化的方向发展。

本文的电子秤设计选取STC89C52单片机为控制核心，以电阻应变式称重传感器为重量感应器件。在对感应信号处理的A/D转换模块中，选用ADC0832芯片，此芯片是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由此而设计出的高精度电子秤更好地满足了人们的需要。

1 系统模块的介绍

按照设计的基本要求，系统共分为5大模块，即数据采集模块、单片机最小系统模块、超重报警模块、键盘模块和显示模块，如图1所示。其中，数据采集模块包括称重传感器和A/D转换电路。

图1 系统总体设计框架图

1.1 STC89C52单片机

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整的计算机系统，也被称为微控制器（Micro controller），它最早被应用在工业控制领域。目前，国内外使用较多的是以51内核扩展出的单片机，即通常所说的51单片机。STC89C52单片机是51系列中的一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（Flash Programmable and Erasable Read Only Memory，FPEROM）的低电压、高性能的CMOS8的微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MSC-51指令集和输出管脚相兼容。

1.2 称重传感器模块

称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。使用传感器应首先考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用称重传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及其安全性和使用寿命，乃至整个传感器的可靠性和安全性。按照称重传感器结构型式的不同，可将其分为直接位移传感器（包括电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（包括电阻应变式、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。

经实验分析，本文最终选用的是电阻应变式称重传感器。在电阻应变式称重传感器中，当电阻丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值也随之发生变化，这就是电阻应变效应。描述电阻应变效应的关系式为：

式中 ΔR/R——电阻丝电阻的相对变化；

K——应变灵敏系数；

ε——电阻丝长度相对变化，ε=ΔL/L。

金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件，通过它转换被测部位受力状态的变化，电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥电路的输出电压反映了相应的受力状态。在全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，应变片初始阻值为R1=R2=R3=R4，当其变化值为ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，其桥路输出电压U=EK。

图2为压力传感器的测量电路，主要作用是将传感器的输出电压放大。R8是电桥的调零电阻，R22是整个放大电路的调零电阻，R9、R21用来调整运放增益。

图2 压力传感器测量电路图

1.3 A/D转换模块

ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片，具有体积小、兼容性强、性价比高等特点。具体参数：8位分辨率；双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；5 V电源供电时输入电压在0～5 V之间；工作频率为250 kHz；转换时间为32 μs；一般功耗仅为15 mW；有8P、14P-DIP双列直插、PICC多种封装。

图3为ADC0832的接口电路，正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI，但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效，且与单片机的接口是双向的，所以在电路设计时可以将DO与DI并联在一根数据线上使用。

图3 ADC0832的接口电路

1.4 键盘和显示电路模块

1.4.1 键盘电路的设计

本电路中采用的是4×4矩阵键盘，将单片机的P1.0～P1.3作为键盘的行线接口，P1.4～P1.7作为列线接口，列线通过电阻接+5 V。单片机检测按键是否按下的依据就是检测与该键对应的I/O口是否为低电平。

1.4.2 显示电路设计

电子秤显示部分采用了常用的1602液晶显示，其与单片机的接口如图4所示。

图4 1602液晶与单片机接口图

1.5 报警系统模块

智能仪器一般都具有报警和通信功能，报警主要用于系统运行出错，当测量的数据超过仪表量程或者是超过用户设置的上下限时为提醒用户而设置。在本系统中，设置报警的目的就是在超出电子秤测量范围时，发出声光报警信号，提示用户，防止损坏仪器，同时让工作人员对不合格产品做出合理的处理。超限报警电路是由单片机的I/O口来控制的，当称重物体重量超过系统设计所允许的重量时，通过程序使单片机的I/O值为高电平，从而导通三极管，使蜂鸣器发出报警声，同时使报警灯发光。图5为报警系统原理图。

2 工作原理的分析

2.1 系统工作原理的分析

在本系统中用于称量的主要器件是称重传感器，称重传感器在受到压力或拉力时会产生电信号，受到的压力或拉力不同，产生的电信号也随着变化，而且力与电信号的关系一般为线性关系。由于称重传感器一般的输出范围为0～20 mV，这对于A/D转换或单片机的工作参数来说，不能满足A/D转换和单片机的正常工作需求，所以需要对输出的信号进行放大。由于传感器输出的信号为模拟信号，所以需要利用A/D转换将其转换为数字信号，以便单片机接收。单片机根据称重传感器输出的电信号和速度传感器输出的速度信号计算出物体的重量。

2.2 报警系统原理分析

当电路检测到称重的物体超过仪器的测量限制时，将产生一个信号给报警电路，使报警电路报警从而提醒工作人员注意。报警系统是由89C52的P2.6口来控制的，当超过设置的重量时，通过程序使P2.6口值为高电平，从而导通三极管，报警电路接通，使蜂鸣器发出报警声，同时使报警灯发光。由于持续的声音不能够引起人们的关注，所以本系统的报警电路采用间断的声音和频闪的灯光来实现。这一任务的实现主要靠程序来完成。

图5 报警系统原理图

2.3 实际流水线模拟

在制药流水线中（图6），当药物原料经过一系列工序加工成成品后，就进入重量检测模块。如图6所示，重量检测系统安装在药品传送带一端，随传送带传送的药品必须经过检测并合格后才能继续被传送。为了能够更好地对合格产品及超重产品进行分别处理，称重检测系统加入了2个由直流电机分别控制的2台风扇（上风扇和下风扇）。若重量检测合格，则单片机就会执行控制上风扇转动的程序，将药品吹送到下一个传送带继续传送。而当检测时，若采集的信号经单片机处理后得到的数据超过系统预设好的重量范围时，系统报警模块就会启动，同时下风扇也会被启动，将不合格的药品吹送到不合格药品收集箱，由工作人员进行再加工。

3 结语

随着集成电路和计算机技术的迅速发展，电子仪器的整体水平发生了巨大变化，传统的仪器逐步被智能仪器所取代。智能仪器的核心部件是单片机，因其性价比极高而得到广泛的应用与发展，从而加快了智能仪器的发展速度。而传感器作为测控系统中对象信息的入口，越来越受到人们的关注。因此，智能电子秤的出现将会更好地满足人们的需要，为人类社会生活提供更好的服务。

［1］王艳春，何鹏，李会.智能电子称重系统的设计［D］：［硕士学位论文］.齐齐哈尔：齐齐哈尔大学，2007

［2］郭天祥.新概念51单片机C语言教程［M］.北京：电子工业出版社，2009

［3］魏少轩.电子称重系统传感器的选用技术［J］.计量与测试技术，1996（6）

［4］任格.高精度电子秤设计［D］：［学士学位论文］.淮北：淮北师范大学，2012