基于 51單片機(jī)的地磅稱重儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

稱重器是電子衡器的一種，在工業(yè)稱重計(jì)量過程，電子衡器是自動(dòng)化稱重控制和貿(mào)易計(jì)量的重要手段。本設(shè)計(jì)是飼養(yǎng)場單體稱重器是基于單片機(jī)的地磅稱重儀，它的硬件電路設(shè)計(jì)包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換器、稱重傳感器、LED顯示電路、±5V穩(wěn)壓電源電路等幾部分設(shè)計(jì)內(nèi)容。地磅產(chǎn)品的應(yīng)用性能趨向上更綜合性和組合性。

一、引言

自古以來稱重技術(shù)就被人們所重視，作為一種計(jì)量手段，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、科研、交通、內(nèi)外貿(mào)易等各個(gè)領(lǐng)域，與人民的生活緊密相連。地磅是電子衡器中的一種，地磅是國家法定計(jì)量器具，是國計(jì)民生、國防建設(shè)、科學(xué)研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺少的計(jì)量設(shè)備，地磅產(chǎn)品技術(shù)水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的提高。但是隨著自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的稱重系統(tǒng)在功能、精度、性價(jià)比等方面已難以滿足人們的需要，尤其在智能化、便捷式、對(duì)微小質(zhì)量的測(cè)量方面更顯得力不從心。本系統(tǒng)采用 AT89S51 單片機(jī)作為核心控制器件，結(jié)合高靈敏度的電阻式應(yīng)變式壓力傳感器和高精度的 A/D  轉(zhuǎn)換器，來設(shè)計(jì)稱重系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)物體質(zhì)量、控制及顯示報(bào)告的電氣化與智能化。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，系統(tǒng)由  4 個(gè)部分組成：控制器部分、信號(hào)采集部分、數(shù)據(jù)顯示部分、和電路電源部分，系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案框圖如圖 2-2 所示。

信號(hào)采集部分是利用稱重傳感器檢測(cè)壓力信號(hào)，得到微弱的電壓信號(hào)，而后經(jīng)調(diào)理電路處理后，送A/D  轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出。控制器部分接受來自 A/D  轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過復(fù)雜的運(yùn)算，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為物體的實(shí)際重量信號(hào)，并將其存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元中。控制器還可以通過對(duì)擴(kuò)展 I/O 的控制，對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，而后通過鍵盤控制程序，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)顯示部分根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)顯示功能。電路電源部分主要是為電路提供穩(wěn)定方便的電源，將工頻電壓直接轉(zhuǎn)換成所需的±5V 電壓。

三、稱重傳感器的基本工作原理

稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，輸出信號(hào)電壓可由下面公式給出：

電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個(gè)原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。俳?jīng)測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過程。

由此可見，電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測(cè)電路是電阻應(yīng)變式稱重傳感器中不可缺少的幾個(gè)主要部分。下面就這三方面簡要論述。

（1）電阻應(yīng)變片

電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片。他的一個(gè)重要參數(shù)是靈敏系數(shù)  K。我們來介紹一下它的意義。設(shè)有一個(gè)金屬電阻絲，其長度為 L，橫截面是半徑為 r 的圓形，其面積記作 S，其電阻率記作，這種材料的泊松系數(shù)是μ。當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時(shí)，它的電阻值為 R：（Ω）

（2）彈性體

彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個(gè)，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對(duì)外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對(duì)靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的應(yīng)變場，使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變電信號(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。

（3）檢測(cè)電路

檢測(cè)電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觥Ｒ驗(yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補(bǔ)償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵銷，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。

四、系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用單片機(jī)作為主控制系統(tǒng)，主要目的在于稱重之后的數(shù)字化顯示和實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量，故系統(tǒng)應(yīng)該具有單片機(jī)工作所需的穩(wěn)定的+5V  直流電源，又考慮到數(shù)字化顯示所用到的數(shù)碼管中會(huì)出現(xiàn)某段被損壞而不被點(diǎn)亮的情況，系統(tǒng)應(yīng)該具有開機(jī)自檢功能，就是開機(jī)后自動(dòng)逐個(gè)掃描每一個(gè)晶體管，用來檢查數(shù)碼管各段是否完好，可以依靠軟件編程實(shí)現(xiàn)。

整個(gè)硬件系統(tǒng)由四大模塊組成，下面以控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為依據(jù)就針對(duì)各模塊做具體的方案設(shè)計(jì)。

（1）主控制器模塊方案選型

根據(jù)本設(shè)計(jì)與主控制系統(tǒng)的功能要求，以及性價(jià)比的最大化這里選用 51 單片機(jī)。

而且以單片機(jī)為主控制器的設(shè)計(jì)，可以容易地將計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新型的只需要改變軟件程序就可以更新?lián)Q代的“智能化測(cè)量控制系統(tǒng)”。

（2）稱重傳感器

首先這里傳感器選用 L-PSII-10 型壓力傳感器，為雙孔懸臂梁形式，是電子計(jì)價(jià)秤的專用產(chǎn)品。計(jì)算并確定轉(zhuǎn)換系數(shù)(f)，轉(zhuǎn)換系數(shù)(f)是表明每一個(gè)檢定分度值(V)中有多少個(gè)示值單位，是用于把全部示值單位轉(zhuǎn)換為“V”的，它是由初始公稱試驗(yàn)溫度20℃時(shí)，進(jìn)程負(fù)荷試臉下試臉效據(jù)平均值確定的。計(jì)算參比示值，所謂“參比值”即“理論示值”。計(jì)算各試驗(yàn)點(diǎn) EL。各試驗(yàn)點(diǎn)誤差與最后一列最大允許誤差相比較。將計(jì)算結(jié)果與系統(tǒng)對(duì)傳感器的要求做出比較，以確定選型是否成功。

（3）電源模塊方案選型

為了使稱重儀的供電方便，這里把電源設(shè)計(jì)成用 220V 的交流電經(jīng)過變壓器后輸出±9 的電壓，經(jīng)整流濾波電路后，  通過 LM7805 和 LM7905 進(jìn)行  DC/DC 變換得到±5V 供壓力傳感器器和系統(tǒng)的其他芯片使用。

（4）數(shù)據(jù)顯示模塊方案選型

本設(shè)計(jì)只需要顯示出所稱實(shí)物的實(shí)際重量，由于 LED 耗電省、使用壽命長、成本低、亮度高等優(yōu)點(diǎn)，再加上驅(qū)動(dòng)簡單，容易利用單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制和編程等特點(diǎn)選用 LED 顯示。

五、結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)主要有以下四點(diǎn)：稱重范圍 0~50KG、分度值 0.01KG、精確度0.01KG、LED 顯示。其中在實(shí)現(xiàn)電路功能中主要存在的問題就似乎稱重的分度值和精確度，涉及到信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換和放大等許多方面。其外觀通過 LED 顯示所有數(shù)據(jù)結(jié)果。