电子秤的具体实施方案

传感器

传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。

一、设计步骤框图：

项目简介 设计要求 任务分析 确定方案

1、 项目简介：

我们所做的电子秤不同于传统中的电子秤。它是通过压力传感器将采集到被测物体的重量转换成电压信号或电流信号。本项目也不同于前面的项目，是本组成员共同设计完成的。

2、 设计要求：

设计一种小型、简便、精确度高的电子平台秤，量程0~2Kg，分度值为20g，

它用一个显示电路来显示所称物体的重量。

基本功能：置零、超重报警

可选功能：去皮、标定

 置零：在开机或称重过程中，仪表显示偏离零点且在称重范围内，则可按

[置零]键，显示零值并零点指示灯亮。

 去皮：在称重显示状态下，按[去皮]键，则显示零值并去皮指示灯亮；在去皮状态下，拿掉皮重物时按[去皮]键，可以清除皮重值。

 标定功能：为保证仪器预定精度的可靠性和合法性，仪器必须定期校准，

为用户提供一种方便的自动校准方式。

3、 任务分析： 思路一：

力传感器（特殊供电） 放大系统 A/D转换 显示系统 5V电源供电

思路二：

电子秤测量系统的结构框图

（1）测量元件：力是物理量基本量之一，因此要测量各种动态、静态力需要通过力传感器来间接完成。力传感器有许多种。 按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（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（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。 按力—电转换原理看有电阻式（电位器式和应变片式）、电感式（自感、互感和涡流）、电容式、压电式、压磁式和压阻式等。

力传感器测量示意图：

力敏元件 转换元件 测量电路

① 电阻应变式传感器

电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。

导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路

常用测量电桥。电桥分为直流电桥和交流电桥。

直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。

在电阻应变式称重传感器中，通过桥式电路将电阻的变化转换为电压变化。电阻应变式称重传感器的工作原理框图如图3所示。

电阻应变式称重传感器的桥式测量电路如图4所示。

图中：R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻，组成了桥式测量电路，Rm为温度补偿电阻，e为激励电压，V为输出电压。

公式如下：

当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。

电阻应变式称重传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件，利用它可以将测得的重量转换为弹性体的应变值；另一个是电阻应变计，它作为传感元件将弹性体的应变，同步地转换为电阻值的变化。 电阻应变片式传感器有如下特点：

（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。 （2）分辨力和灵敏度高，精度较高。

（3）结构轻小，对试件影响小， 对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。

（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量[5]。 ②电容式传感器

电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它以各种不同类型的电容量作为转换元件，实际是一个具有可变参数的电容器。它有结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容传感器可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。

电容传感器的基本工作原理可用最普通的平行极板电容器来说明。两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，其电容量为

ACro d （2.1）

式（2.1）中

d——两极板间的距离；

A——两平行极板相互覆盖的有效面积；

r——介质的相对介电常数；

o——真空中介电常数。

若被测量的变化使式中d、A、r三个参量中任一个发生变化，都会引起电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出[4]。

虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素： （1）小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法至几十皮法。因C太小，故容抗XC=1/C很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因其视在功率P=uoC ，C很小，则P也很小。故易受外界干扰，信号需经放大，并采取抗干扰措施。

（2）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。电容式传感器存在输出特性的非线性，寄生电容、分布电容对灵敏度和称重精度的影响，传感器连接电路比较复杂等问题，直接影响到它的可靠性，所以限制了它的应用。 ③压电传感器：

压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。

压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力或压力的测量。压电器件的弱点：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。

压磁传感器具有输出信号大，抗干扰性能好，承载能力强，不均匀载荷对测量准确度的

2影响小，能在恶劣的环境中工作，结构简单便于加工等优点；缺点是准确度低，反应速度慢。它常用于冶金、矿山、运输等工业部门的这种要求承受大吨位，并要求牢固可靠；安全报警等测力或称重场合。

综合以上考虑将选择电阻应变式传感器组成惠斯通电桥电路。 （2）放大系统：

从传统的放大电路上分析有下面几种：

1、 普通三极管放大（CC、CB、CE）

2、 场效应管放大（结型、增强型、耗尽型）

3、 集成运算放大器（同相比例放大、反相比例放大）

4、 功率放大器（OTL、OCL、BTL、甲类、乙类、甲乙类（用于低频放大）） 经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低；经由电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行信号转换。为此，测量电路中常设有模拟放大环节。这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。

放大器的输入信号一般是由传感器输出的。传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。因此，一般对放大器有如下一些要求：

1、输入阻抗应远大于信号源内阻。否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。 2、抗共模电压干扰能力强。

3、在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。从而保证放大器输出性能稳定。

4、能附加一些适应特定要求的电路。如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。

以上电路不一一介绍，从传感器的信号出发，选择集成运算放大器。 分为三类：普通放大器、差动放大器、专用仪表放大器 普通放大器：

普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于信号转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以，此种方案不宜采用。 差动放大器：

差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放(如OP07)做成一个差动放大器，如下图所示：

图2.6 利用普通运放构成的放大器

电阻R1、R2和电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声，C1、C2为普通小电容，可以滤除高频干扰，C3、C4为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。

优点：输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，滑动变阻器R6可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用要求。

缺点：此电路要求R3、R4相等，误差将会影响输出精度，难度较大。实际测量，每一级运放都会引入较大噪声，对精度影响较大 专用仪表放大器，如：AD620，INA126等。

此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。

以 INA126为例,接口如下图所示：

图2.7 INA126仪表放大结构图

放大器增益 ，通过改变RG的大小来改变放大器的增益。INA126 具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点。其最大输入偏置电流为20nA，这一参数反映了它的高输入阻抗。INA126在外接电阻RG时，可实现1~1000范围内的任意增益；工作电源范围为±2.3~±18V；最大电源电流为1.3mA；最大输入失调电压为125V；频带宽度为120kHz（在G=100时）。

综合以上考虑将选择差动放大器作为放大部分。

（3）A/D转换器（ADC）

在实际的测量和控制系统中检测到的是时间、数值都连续变化的物理量，这种连续变化的物理量称之为模拟量，与此对应的电信号是模拟电信号。模拟量要输入到单片机

或直接采用数码管进行驱动，首先要经过模拟量到数字量的转换，单片机才能接收、处理。实现模/数转换的部件称A/D转换器或ADC。

也分为几种情况：逐次逼近法、双积分法、采用V/F转换、并行、压频变换型ADC、 △－∑型和流水线型

1、 逐次逼近法：

逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。

采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为 Ｖo，与送入比较器的待转换的模拟量Ｖi进行比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的 Ｖo再与Ｖi比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。 2、双积分法

采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。双积分法A/D转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量Ｖi，Ｖi采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间Ｔ的正向积分，时间Ｔ到后，开关再接通与Ｖi极性相反的基准电压ＶＲＥF，将ＶＲＥF输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。Ｖi越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Ｖi所对应的数字量，实现了A/D转换。

3、采用V/F转换

V-F控制的原理是产生一个震荡频率的电路叫做压控震荡器，是一个压敏电容，当受到一个变化的电压时候它的容量会变化，变化的电容引起震荡频率的变化，产生变频。 列如LM331

LM331是性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01％，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几

个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。

LM331的内部电路组成如图所示。由输入比较器、定时比较器、R－S触发器、输出驱动管、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。LM331可采用双电源或单电源供电，可工作在4.0～40V之间，输出可高达40V，而且可以防止Vcc短路

[18]

。

当前，12位以上的A/D转换器的价格仍较昂贵，用V/F变换器来代替A/D转换器，在要求速度不太高的场合是一种较好的选择。。从传感器来的毫伏级的电压信号经低温漂运算放大器INA126放大到0～10V后加到V/F变换器LM331的输入端，从频率输出端f0输出的频率信号加到单片机的输入端T1上。根据分辨率的要求利用软件处理，最后得到A/D转换的结果。所以我决定采用LM331芯片V/F转换作为信号转换的方案。

综合以上考虑将选择A/D转换器

（4）显示系统：

显示系统分为指针式、LED、LCD、CRT这四种形式。其中传统中的指针式不需要A/D转换，且精度不是很高，及CRT耗电量大及复杂。在这不做很详细的分解。 (1) LED

LED就是light emitting diode ，发光二极管的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片排列而成的。可实现0～9的显示。其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等 显示块有共阴极与共阳极两种。

(2)LCD显示

LCD 液晶显示器是 Liquid Crystal Display 的简称，LCD 的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。

这里有LCD1602等。

综合以上考虑将选择LED或LCD1602 （5）电源系统：

电源分为：串并联稳压、三端集成稳压、开关稳压。

此次设计的稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图

图2.10 稳压电源组成图 （1） 三端集成稳压：

由于本次设计的电路需要多电源，所以采用三端集成稳压进行级联。 采用LM317、LM337共地可调式三端稳压器电源

1、LM317可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压，不过它只能允许可调的正电压，稳压器内部含有过流，过热保护电路；由一个电阻（R）和一个可变电位器(RP)组成电压输出调节电路，输出电压为：Vo=1.25(1+RP/R)。LM337输出为负的可调电压，采用两个独立的变压器分别和LM317及LM337组装，操作比较简单。

2、采用7805,7905，7812和7912组成稳压电路

7805，7905固定式三端稳压器可输出±5V,固定式三端可调稳压器7812和7812组装电路可对称输出±12v,其电路图如图所示.

综合以上考虑将选择三端集成稳压

（6）单片机处理系统：

单片机的最小系统由时钟、复位电路、电源电路及单片机构成。单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种操作的时间基准，复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。

单片机系统已在单片机学习中讲解过，这里不过多的分析。

图3.1 AT89C51 的引脚图

4、确定方案：

方案一：模拟数字设计

模块电路设计 仿真设计 PCB制作 元件清单

方案二：单片机设计

整机调试 实物制作

模块电路设计 设计程序、流程图 电路仿真 元件清单 整机调试 实物制作

二、实施方案：

方案一：模拟数字设计

模块电路设计： 压力传感器的电路设计和选择（1、电阻应变式半桥；2、电阻应变式单桥；3、电阻应变式全桥） 电路的设计和选择（1、差分比例运放电路（差分效果不是很明显，但电路简单）；2、三运放数据放大器（ 可有效抑制共模信号，输入电阻大，但参数要求严格）3、集成仪表放大器（AD623—工作于双电源，低功耗；AD620—共模抑制比高，输入电阻大；INA126—增益高，精度好，外部接口简单） ） A/D转换电路的设计和选择（1、逐次逼近法——ADC0809，ADS7805，ADS7804；2、双积分法——ICL7135，ICL7109；3、V/F转换——LM331） 显示电路的设计和选择（选择LED共阴极数码管、LED共阳极数码管）

1、 电阻应变式全桥：

2、集成仪表放大器INA126

3、三位半A\\D转换器，——ICL7107

1 V+ OSC1 40 2 D1 OSC2 39 3 C1 OSC3 38 4 B1 TEST 37 5 A1 REF HI 36 6 F1 REF LO 35 7 G1 CREF+ 34 8 E1 CREF 33 9 D2 COMMON 32 10 C2 I CL7107 IN HI 31 11 B2 IN LO 30 12 A2 A-Z 29 13 F2 BUFF 28 14 E2 INT 27 15 D3 V- 26 16 B3 G2 25 17 F3 C3 24 18 E3 A3 23 19 AB4 G3 22 图2.6 ICL7107管脚排列

4、共阳极数码管

方案二：单片机设计

模块电路设计

1、 电阻应变式全桥：

2、基本放大电路

RV12k44%+12VC40.01uFR3510-12V+5VRV2(2)VALUE=-20mRV240%5k100nFU2:AD1DIODE0)DIODE123U2:A(-IP)8D2U2:A(OP)TL072R447kC6100nF+12V

3、A/D转换器——ADC0809

RV2(2)C54

4、单片机模块——AT89C52

5、液晶模块——1602

5、 键盘模块

二、设计程序、流程图 键盘扫描子程序的设计

void keyscan(void) { temp = 0; //列扫描

P1=0xF0; //高四位输入 列为高电平 temp=P1; //读P1口 temp=temp&0xF0; //屏蔽低四位 temp=~((temp>>4)|0xF0); if(temp==1) // p1.4 被拉低 key=1;

else if(temp==2) // p1.5 被拉低 key=2;

else if(temp==4) // p1.6 被拉低

行为低电平

key=3; //行扫描

P1=0x0F; //低四位输入 行为高电平 列为低电平 temp=P1; //读P1口 temp=temp&0x0F; temp=~(temp|0xF0); if(temp==1)

// p1.0 被拉低

key=key;

else if(temp==2) // p1.1 被拉低 key=key+3;

else if(temp==4) // p1.2 被拉低 key=key+6;

else if(temp==8) // p1.3 被拉低 key=key+9;

显示子程序设计

将个按键的值有对应的数值值输入到单片机中用查表的方式找寻对应的字符输出 void Display() //显示转换结果

{

int wz;

for(wz=0;wz<=3;wz++) {

ADC0809();

lcd_pos(0x44+wz); //向右移动光标 lcd_wdat(num[dis0[wz]]); //显示字符

}

}

再通过显示位置设置改变其初值 void lcd_pos(uchar pos)

{ //设定显示位置 lcd_wcmd(pos | 0x80);}

A/D转换

void ADC0809() {

TH0=0x14; TL0=0x14; IE=0x82; TR0=1;

//ADC0809主程序

int data0;

TMOD=0x02; //T1 工作模式 2

ST=0; delay1();

ST=1; //A/D转换清零

if(EOC==0); { delay1();

ST=0; //启动A/D转换 //等待转换完成 OE=1; data0=P2*10/6.375; // FFH 256/6.375=40 data1=data0;

OE=0; dis0[0]=data0/100; // 500/100=5 data0=data0%100; // dis0[1]=data0/10; dis0[2]=10;

data0=data0%10; dis0[3]=data0; } data1=500%100=0