电子秤系统分析

一． 系统框图

图20 小型电子秤的系统构成

本系统采用了低功能单片机89C2051作为测量仪表的核心，使得整个系统结构简单，功能强大，性价比高。 电子秤测量系统的工作原理:

仪表通电后，在秤重过程中由货物重量经荷重传感器的信号转换，输出相应的毫伏电压，这个微弱信号通过运算放大器放大和标度变换转送A/D转换器。本系统的A/D转换器采用了V/F型积分转换器，它将输入的模拟信号转换成相应的以脉冲序列方式的频率输出。单片机89C2051严格控制每一次采样时间，保持每一次计数的闸门时间间隔的一致性。单片机通过应用程序,把当次的采样频率f进行标度转换形成显示器可使用的串行代码数据。在测量荷重期间，系统可随时接受人机对话请求。人机对话仅通过键盘接受校正值。 校正有两个内容，其一，“零点校正”，按“设置”键，将空负荷下的采样值记录下来存入EEPROM型号为24LC02B；其二，“斜率校正”，将标准重量（砝码）作为秤重对象放入托盘，按“校正”键，单片机将采样值记录下来并通过计算将新的斜率存入EEPROM型号为24LC02B。这两种校正的方法如下：

（1）零点校正：电子秤的长期使用，由于传感器，放大器的零点漂移，使得出厂时调整好的零点发生偏移而导致秤重时引起恒定误差Δ，经过“设置”键校正，实际上把零漂值存储起来，以后每次侧重时采样值调整： Xy = Xi - Δ 去除零漂误差。

（2）斜率校正：系统除了零点漂移不可避免外，秤重机构的灵敏度，放大器的增益也会受到使用时间的影响而发生变化，斜率校正实际上是满度调整。

关系式： K =f / Xy

其中，可K为斜率， f 为采样频率，Xy荷重。

图21 斜率校正

二

测量系统的电路分析：

1． 放大器：

绝大多数的电子秤都采应变式传感器作为荷重变换器。这是因为应变式传感器结构简单，体积小，精度高，非线性误差小，量程调整容易等优点。本系统采用的是平行梁式，这是一种根据弹性材料受到压力后变形产生应变，使粘贴在弹性材料上的应变元件或压缩或拉伸，引起应变元件的电阻相应变化。为了提高灵敏度，一般采用4个性能完全相同应变元件构成全臂差动电桥，电桥的输出关系式：

RVE (3-2)

R标称值：R = 120 Ω，E= 6V，额定输出: 1.3mV/V, 实际满度输出7.8mV/6V 显然,由应变元件构成全臂差动电桥的输出信是微弱的,必须通过信号放大才有读数意义。

。

图22 一次与二次仪表

本系统采用单电源工作的运算放大器与电桥电路连接成反向放大电路。

思考： 为什么采用单电源工作的运算放大器？

放大器输出: V1R2RE (3-3) R0R考虑到V/F模数转换器的输入范围要求（0~5V），且留有一定的余量。选择R2值。实验证明，所选用的V/F模数转换器的最大输入电压为3.5V,估算放大器增益:

kfR268K567 (3-4) R0120根据说明书给出的实际满度输出7.8mV。

.6mV4.42V 即,最大输出 VmaxkfVm5677.84422 因设置了衰减系数为0.8, 所以实际输入给V/F模数转换器的最大输入电压为

3.54V。

2．V/F模数转换器

本系统采用电压/频率转换器LM331作为A/D转换器。其特点是：体积小，精度高，价格低，串行输出，占用CPU的I/O线少。其最突出的不足之处是转换速度慢。以下是LM331一些主要技术指标：

（1） 最大线性度 0.01%，（2）满量程频率范围 1HZ～100KHZ

图23 LM331的简化功能框图

工作原理：

图23为电压/频率转换器LM331的简化功能框图。内能隙基准电路产生1.9V

直流电压,送到2脚,外接RS形成基准电流 I= 1.9/RS。（I=50～500uA）。 输入电压Vin送比较器，引脚6通常与1脚连接，当K合上后流过恒电流在RL上产生压降VX作为阈值电压。 在单脉冲定时器上设有定时比较器，一个输入端恒接2/3VCC作为参考电压，另一个输入端接引脚5。 V5>2/3VCC单脉冲定时器内部的RS触发器产生复位信号使K断开,又迫使驱动晶体管截止。复位后使引脚5与地短接，电容C1上的电荷释放，电压下降。使V5VX, 输入比较器使RS触发器产生启动信号使K闭合, 基准电流向CL充电。使VX上升，直至VX>Vin。 输入比较器翻转, 迫使单脉冲定时器产生复位信号使K断开, CL向RL放电,使VX波形分析：

单脉冲定时器内部的RS触发器产生复位信号使K断开,又迫使驱动晶体管截止，使V3为高点平，VXVin。此时驱动晶体管导通。从波形图看，VX>Vin后，要关闭K是发生在V5>2/3VCC时刻，而使驱动晶体管截止是在VXIAVEitFoutVin/RL FoutVin

RLitFoutVin/RLVinRs(35)1.9/Rs1.1R1C12.09RLR1C1

图24 LM331的工作波形

3．组合型显示器

本系统采用的显示是内含驱动逻辑电路，尽管无法解剖这个电路，但根据外部特性，可以自行设计出来。图25是显示器外部引脚图，可以知道它是一串行信号传输显示数据，有3个引脚，分别定义为：

CLOCK：时钟节拍， 它确定了传输显示数据的波特率； DATA： 数据线，传输显示数据脉冲序列；

ON/OFF：控制信号，根据时序要求，控制刷新（ON），保持（OFF），它防止显示器在线数据因受干扰丢失。

在显示器上刷新显示数据时，控制信号“ON/OFF”处于“OFF”状态，锁存器关闭，不允许改变数据，而输入的数据按“CLOCK”时钟节拍逐位由“DATA”线送移位寄存器。由于每次仅刷新一位数码管的数字，故这种显示方式仍为动态扫描形式。单片机采用定时中断服务程序，进行定时刷新。

图25 电子秤的显示电路

三.单片机的主控程序

如前所述，单片机是系统的核心控制部件。电路各部分都完全按照单片机内含的工作程序，正确有序的运行。为此，有必要对本系统的程序流程作简要介绍。

1.单片机89C2051芯片

89C2051为MCS-51系列的一种低功能单片机，其特点是：体积缩小为原来的

1/4，引脚少一半，没有P1口，P2口，以及省掉了PSEN，ALE，EA，P3.7(RD)。很显然, 89C2051失去了对外寻址功能， 对外读写数据功能。但是，P1.2～P1.7具有很强的驱动功能,可以直接带负载(20Ma).其他保留下来的引脚与原来的功能一致所采用的指令系统与原来的MCS-51系列完全相同。只是某些指令是无效的。

89C2051只有P1，P3口作为I/O口，允许对外传输数据或输入输出控制信号。

如图25所示，P1.5～P1.7负责输出显示数据; P1.2～P1.4负责键盘输入;P3.2,P3.3 负责校正参数存储.整个系统由于功能比较简单,采用89C2051低功能单片机的性能价格比高。

图26 小型电子秤的键盘与显示器接口

2.电子秤工作流程

每个系统程序都具有一个“初始化”程序段，所谓“初始化”就是定义某些特殊寄存器的功能，如定时器T0/T1的含义，中断字的设置，内部RAM的清理和预设等，这些工作是依据系统要求而设定的。如

MAIN: CLR A

MOV P1,A； P1口清零。 MOV TMOD #51H； T0为定时器，且自动赋初始值。 MOV TH0,#0F8H； 设置定时器初始值。 MOV TL0,#0CH

MOV R6,#80h； 将内部RAM清零，范围#20H～#7FH。 MOV R0,#20h CLR A MMM: MOV @R0,A INC R0

DJNZ R6,MMM

MOV SP,#40H； 堆栈入口地址为#40。 SETB EA 打开中断

SETB TR0; 启动定时器计数。 CLR 20H； 控制标志号预置。 „„„„„

键盘管理程序，单片机的键盘设计可以有两种方式来实现。一种是中断法，即在系统运行时任何时刻按下其中任一个按键都会向单片机提出中断申请。单片机立刻响应，停止当前工作转入中断服务程序。完成人机对话后再继续原来的工作。由于中断方式响应及时、优先权高，修改或补充任务不会破坏整个程序结构。但是有时会带来不利的因素，如电子秤处在信号采集时一旦中断，信号采集数据遭到破坏，读数发生明显错误。另外为了随时接收中断，外部中断始终开放着，容易受到电磁干扰的影响，导致误操作。另一种是查询方式，即在规定时刻才主动询问外部是否有按键按下，如果发现有按键信号，接下来根据按键入口位置来决定进行何种管理工作。这种方式受到时间段限制，灵活性不够并且程序编制比较困难。但是它能保证数据采集的完整性，也能防止电磁干扰的影响。本系统采用的是查询方式键盘管理。

图28所示，电子秤仪表设有三个键位，分别执行零点校正，斜率校正和任务确定。当开机后发现出现空载条件下读数不为零，就按零点校正键会自动复零。在秤台上放入一个标准砝码，观察仪表读数是否符合砝码重量，如果存在误差，就按斜率校正键会自动调整斜率K值来满足测量范围。任务确定键是切换仪表状态，是处在校正还是秤重。

中断服务程序主要是完成定时对显示器各数码位进行刷新，实现动态显示。同时提供了基准时间，给出V/F转换器标准的采样闸门时间（100毫秒）。如下是一段可以支持上述功能的中断服务程序的典型程序。#30H～#33HAM为显示缓冲区，#3FH为显示缓冲区指针，P1.7为串行数据线,P1.6为时钟线,#6CH为闸门时间计数器。P1.0～P1.3为数码管选通线(这与图28所示的原理图不同)。

PUSH PSW PUSH ACC

SETB PSW.3 SETB PSW.4 CLR P1.6 ANL P1,#0F0H MOV A,3FH MOV R0,A MOV A,@R0 MOV R7,#08H ADD A,#1EH MOVC A,@A+PC SSS: CLR C

CLR P1.6

NOP RLC A

JC SST1 NOP

CLR P1.7 AJMP SST2

TOB:

SST1: SETB P1.7 SST2： SETB P1.6 CLR P1.6

DJNZ R7,SSS AJMP BBB NOP

DB 3FH,06H,5DH,4FH,66H,6BH; \"0,1,2,3,4,5\"; 七段码表格。 DB 7BH,0EH,7FH,6FH,7EH,7CH; \"6,7,8,9,A,P,\"

DB 39H,76H,79H,78H,0BFH,86H; \"C,H,E,F,0.1.\"

BBB: MOV A,3FH

CJNE A,#30H,RR1 SETB P1.0 AJMP RR5

RR1: CJNE A,#31H,RR2 SETB P1.1 AJMP RR5 RR2: CJNE A,#32H,RR3 SETB P1.2 AJMP RR5 RR3: CJNE A,#33H,RR4 SETB P1.3 RR4: MOV A,#2FH RR5: INC A MOV 3FH,A MOV A,6CH INC A MOV 6CH,A POP ACC POP PSW RETI

2.电子秤工作流程

图27 电子秤主程序流程

四.电子秤原理图

1. 红色引线 2. 绿色引线 3. 黑色引线 4. 白色引线 JM96AN LMC660AIM C3 0.01 1 2 4 C4 0.1 C2 0.01 +6V C8 220μF R1 100K R3 2K R5 100K 3 C1 0.01 R2 68K R4 8.2K C5 0.1 +6V IC4 19 P1.7 18 P1.6 17 P1.5 1 R7 6.8K ON/OFF CLOCK DATE R10.11.12 2.2K IC2 5 7 3 1 2 6 LM331N C9 10μF RST R9 8.2K C10 JZ 30P 6M 4 C11 30P P1.4 P1.3 15 P1.2 14 P3.4 8 16 AT89C2051-24PI +5V IC3 8 VCC 7 WP X2 5X1 P3.2 6 7 P3.3 6 SCL 5 SDA NC 1 2 NC 3 NC 4 GND C7 0.01 R8 14K C6 1μF R6 51K 24LC02B

电子秤原理图