家用智能电子秤设计

2020-10-21太原工业学院程丽霞

机械工业标准化与质量 2020年10期

太原工业学院□程丽霞吴璞

1 引言

早在原始社会末期，中国古代计量学已经开始出现，随着生产力的逐渐发展，人们对长度、容量、重量和时间的测量需求也逐步增加。秤是日常生活中使用十分广泛的测量器具，也是实现商品交换的重要途径。在《国内外电子衡器结构创新与应用分析》（刘九卿等，2016）中提到，自从 1960 年以来，机械设备与电子产品相结合式的仪器出现，经过多年的研究和发展，全电子型、智能型成为了电子衡器新的发展方向，告别了初期的生产阶段。在《电子称重技术现状和发展趋势》（邵树春等，2011）中提到，在科学技术高速发展的今天，电子产品开始向小型化、智能化、模块化发展，具有反应迅速、可测量的范围宽泛、涉及的类型多样、构造相对简单、信号可实现远距离传送等特点。本文设计了一种智能电子秤，它的控制芯片采用了AT89S52 单片机，称量压力传感器、A/D 转换器、液晶显示器等构成其主要部分。称重传感器的类型选择了电阻应变式传感器，在显示质量的同时还可以在超量程的情况下实现报警的功能，附加的过载报警功能可以更好地保护设备。

2 智能电子秤总体设计

电子称重技术是将多门学科有机结合的综合性技术，是机电、材料、信息等的统一，是一项系统工程，这是在《展望21 世纪初电子称重技术的发展》（刘九卿等，2011）中提到的。机械衡器是由机械构件组成的衡器，依靠构件的受力平衡和人为改变一些数据弥补误差的方法实现称量。在充分了解了称重技术的发展、电子秤的分类后，选择了电阻式应变传感器，它具有多重优点，能够适应动态和静态两种测量环境，且小型化，构成简单，灵敏度高。在工作过程中，多应用于测量力等物理量参数。本文设计的智能电子秤选取了AT89S52 作为微控制器，AD0832作为A/D 转换电路芯片，LCD1602 作为液晶显示器，系统结构图如图1。本设计采用了protues 软件进行仿真，使其具有高准确度的称重功能、实时显示称重结果，并能够进行自我诊断与检测，同时可以在后期超过量程时进行报警提醒用户。

图1 系统结构图

3 称重模块硬件设计

电子秤的主要构成部分有：电源、A/D 转换部分、传感部分、显示部分以及报警部分等。电源模块负责整个系统的供电，一部分用于激励源供电，维持应变传感器式测量电桥的稳定，一部分用于系统其他部分供电。A/D 转换器是将模拟量转换为数字量，之后单片机才能够进行数据处理。这里选用了AD0832 作为A/D 转换电路的芯片，它由双通道构成，5V 电源供电、分辨率有8 位，输入输出电平可以和多种晶体管兼容，时钟频率为 250kHz，芯片转换的时间只有 32μs，模拟电压输入在0～5V 之间，能够满足系统的要求。

称重压力传感器是电子衡器的核心，它的选择至关重要，最终选定了应变式传感器。其关键组成部分是电阻应变片，由电阻丝、基片、覆盖层和引线构成，能够把应变的变化最终转换为电阻的变化，我们又将电阻的变化转换成电压的变化，应变片在电桥中有不同的接法，我们采用了双臂半桥式应变电桥接法，测量电路如图2 所示。

图2 测量电路

半桥差动电路的输出电压为：

若电桥初始时是平衡的，ΔR1＝ΔR2成立，在对称情况下，R1＝R2，R3＝R4，式（1）可化简为：

此时无非线性误差，电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。

LCD1602 是单片机系统中最常见且市场普及度很高的一种字符型液晶显示模块，不仅耗电少而且尺寸小，典型工作电压为5V，引脚包含八条数据线、三条控制线和三条电源线。蜂鸣器报警模块用于对一些预设的错误提出警告信号。

4 控制系统软件设计

家用智能电子秤需要具备以下功能：1）称重功能；2）实时显示功能；3）故障检测与报警功能。这里采用了单片机AT89S52 作为控制芯片。开始工作后，系统上电复位，微控制器对每个模块进行初始化设置，为后续程序处理做准备，并执行故障自我检测，如若在此检测中存在故障，就会发出故障警告。除此以外，可根据模式的状态变量输入不同模式。在进入称量阶段，通过传感器受力，模拟电压信号送到控制芯片AT89S52 之后，A/D 转换器完成相关的处理，将被测量物体的重量信息由模拟量转换为数字量，单片机经过滤波，误差补偿等方式，根据所使用压力传感器的型号选取所适用的公式进行换算处理数据，然后对LM06L 进行写操作，最后根据用户需求将结果在显示屏上实现输出。系统的软件流程图如图3 所示。

系统的相关程序如下：

图3 系统软件流程图

5 仿真测试

电源接通后，各部分模块开始协同工作，按照特定的程序完成称量工作。这里我们采用Protues 软件进行仿真，它能够将电路设计与实物仿真及印制电路板设计相结合，可以在其界面上利用软件提供的各类电子元器件进行电路绘制，之后加载正确的代码最终可以实现仿真并进行分析。Keil C51 是一种可以兼容单片机C 语言软件的开发系统，操纵相对简单。当程序运行时，传感器向单片机输入模拟电压信号，经过A/D 转换后，根据技术手册提供的公式进行换算，最后将结果显示在LCD1602 的液晶显示屏上。在仿真过程中，先在编译软件中生成.hex文件，然后将.hex 文件装载到Protues 软件中的AT89C52 中，输入合理的数值后，LCD1602 中将会显示数值，如果输入数值超过上限，则会显示规定的数值并进行报警提醒。