电子秤设计系统方案说明书

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1、1. 功能概述：这是一种小型、简便、精确度高的电子平台秤，量程20Kg,分度值为5g,它用一个显示窗 口来显示所称物体的重量。把所称物体放到秤台上，通过秤体物体的重力传给电阻应变式 称重传感器，传感器受到压力使电阻发生变化引起电压变化再将电压值送到A/D转换电路， 将模拟量转换成数字量，转换后的数字量送微处理器（单片机C51 ）进行处理，其功能由 键盘电路来控制，并由数码管来显示结果。可扩展功能是它具有置零、去皮、标定功能。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

2、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2. 系统框图：按照电子秤设计要求，可确定电子秤电路由以下几部分组成。电阻应变式称重 传感器、CS1180A/D转换器、单片机最小系统，数码管显示电路、键盘电路、电源电路。 其框图如下：3. 各模块功能分析：a. 称重传感器模块 即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式 的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。b. 放大电路模块用于放大称重传感器输出的低电压，用于A/D转换c. A/D转换电路模块A/D转换器是一种能

3、把输入模拟电压或电流变成与它成正比的数字量，也就是说能把被控 对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。d. 微处理器模块进行处理由A/D转换电路转换后的数字量，并送往数码管显示结果e. 显示模块 通过数码管来显示从微处理器送来的数字量，即电子秤测量重物的重量f. 电源模块集成三端稳压芯片LM7805具有比较高的精确度，加上电容的滤波，对电路可以提供比较稳 定的电压。在电路提供+5V的电源；主要用于电桥数据采集、信号放大电路、A/D芯片 （CS1180）、数码管显示。4. 各模块实现方法：a. 称重传感器模块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、

4、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。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；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的 频响特性；稳定可靠。常用各种称重传感器称重传感器的种类很多，根据工作原理来分常用的有以下几种：电阻应变式、电容式、 压磁式、压电式、谐振式等。电阻应变式称重传感器：是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，然后以适当方式组成电 桥的一种将力（重量）转换成电信号的转换元件。电容式称重传感器：是把被称物体重量转换为电容器容量变化的一种传

5、感器，它是以各种 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。电容式传感器由于 它存在输出特性的非线性、寄生电容和分布电容对灵敏度和称重精度的影响、传感器联接 电路比较复杂等原因，直接影响到它的可靠性，所以限制了它的应用。近些年来由于集成 电路特别是微处理技术的发展，可将电子线路紧靠传感器的极板以减小电缆分布电容的影 响，并可利用微处理技术对电容式传感器的温度特性和非线性进行补偿，所以电容式传感 器在电子称重技术中的应用又得到了重视，在国内已出现了可与电阻应变式传感器电子秤 准确度相比的电容式台秤和电容式吊秤等产品。压磁式称重传感器：也称磁弹性传感器，它是一种力-电转换的无源

6、传感器。它的工作原理是利用压磁效应，将被称重量的变化变换成传感器导磁体的导磁率变化并输出电信 号。压磁传感器具有输出信号大、抗干扰性能好、过载能力强、不均匀载荷对测量准确度 的影响小、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、运输等工业部门的承受大吨位，并要求牢固可靠、安全报警 等测力或称重场合。谐振式称重传感器：也称频率式传感器，它是利用机械振子的固有频率或石英晶体的谐振 特性，随着被称物体重量的变化而产生频率变化现象而形成的一种传感器。谐振式传感器 可分为振弦式、振梁式、振膜式、振筒式、振管式和晶体谐振式等多种类型。在称重技术 中主要采

7、用的是振弦式称重传感器和振梁式称重传感器类的一种复合音叉振子传感器。 称重传感器的选择 传感器种类繁多，分类方式也千差万别，它们都有各自的特点，但在设计电子秤时，选择 一种合适的传感器非常重要，传感器的性能在很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定 性。称重传感器的选择主要从以下几个方面考虑。（1）要考虑传感器所处的实际工作环境情况 传感器所处的工作环境情况对如何选用传感器是至关重要的，它关系到传感器能否正常的 工作，关系到传感器的安全和使用寿命，乃至关系到整个电子秤的可靠性和安全性。（2）对传感器数量和量程的选择 传感器数量的选择是根据电子秤的用途、秤体需要支撑的点数（支撑点数应根据使秤体几 何

8、重心和实际重心重合的原则而确定）而定。一般来说，秤体有几个支撑点就选用几只传 感器，但是对于一些特殊的秤体，如电子吊秤，就只能采用一个传感器，一些机电结合秤 就应根据实际情况来确定选用传感器的个数。传感器量程的选择是依据秤的最大秤量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的 最大偏载及动载等因素综合评价来确定传感器的量程。一般来说，传感器的量程越接近分 配到每个传感的载荷，其称量的准确度就越高，但在实际使用时，由于加在传感器上的载 荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷的存在，因此在选用传 感器量程的时候，要考虑诸如多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。（3）传感器准确度

9、等级的选择 传感器的准确度等级概括了传感器的非线性、蠕变、蠕变恢复、滞后、重复性、灵敏度等 技术指标。称重传感器已按准确度等级划分，且已考虑了0.7倍误差因子，非自动衡器称 重传感器的准确度等级要选择与电子秤相对应的准确度等级。称重传感器按综合性能分为A、B、C、D四个准确度等级，分别对应于衡器I、II、III、W四个准确度等级。b. 放大电路模块放大、零位调整电路 电子称重装置使用电阻应变桥式传感器,其核心是由电阻应变计（应变片）构成的电桥电路, 这类传感器具有成本低、精度高且温度稳定性好的特点。但其检测原理决定该类传感器输 出电压低，要经过差分放大电路放大数百倍才能用于A/D转换。一般说来

10、，传感器输出的电压值都非常小，基本上都是毫伏级甚至微伏级。在设计高精度 电子秤时，需要外部放大电路来获得足够的增益。c. A/D转换电路模块电子秤A/D转换器的选用A/D转换器种类较多，从原理上可分为四种：双积分式A/D转换器，逐次逼近式A/D转换器、 并行A/D转换器、计数器式A/D转换器及工型A/D转换器。在电子秤的设计中用的比较 多的是双积分式A/D转换器和厶一工型A/D转换器。电子秤作为法定的计量器具，其技术指标、稳定性、可靠性都有严格的要求，必须符合国 家的标准，因此，在设计时对于器件的选择不仅要考虑成本，更要的还要考虑电路的稳定 性，因此尽可能的使电路设计的器件少。采用工技术制成的

11、A/D转换芯片，具有较高 集成度，它通常集放大器、模拟开关、A/D转换器、比较器、数字滤波器、输出接口集于 一体，仅需几个外围器件便构成一个完整A/D转换系统，大大减少了印刷线路板布线。由 于其集成度高，所以故障概率较采用分立元件A/D转换系统和明显降低，进而提高系统可 靠性。此外，其内部置高性能仪表放大器，大大降低对信号源的要求。电子秤电阻应变式 称重传感器输出信号为mV级，若采用一般的A/D转换器往往需要放大后才能进行A/D转换。 而厶一工A/D转换器大都采用了增益可编程放大器，可编程数字滤波、多种自校准技术等 多项先进技术，并多数采用微处理器来管理与控制转换程序，由于采用了多种综合技术措

12、 施，放大器的增益调整、数字滤波和误差校正都集中在同一芯片中，外围器件少，使用方 便可靠。它的这些优点正符合电子秤正朝着小型化，高精度，智能化方向发展。因此，电 子秤的设计选用工模数转换器较为合理。目前市场厶一工A/D转换器型号比较多，性能指标也不同，选用什么型号的厶一工A/D转换 器根据电子秤的性能要求决定。对于静态的，商用的电子秤来说，常选用分辨率为16位至 24位的A/D转换器。下面介绍一种较适合商用电子秤设计的CS1180A/D转换器。(1) CS1180 简介CS1180采用外形为6.2X5.3mm的SSOP16脚封装，尺寸很小，所需的外围器件也很少，满 足了电子秤小型化的需求。CS

13、1180提供了24bit无失码，18bit有效精度的高性能，满 足了电子秤高精度的需求CS1180内有各种控制寄存器和数据寄存器，并且可以通过SPI 接口方便的控制和读取这些寄存器，满足了电子秤智能化的需求。因此CS1180是电子秤 中AD转换器的理想选择。(2) CS1180 特点CS1180是24位高精度、低功耗Sigma-Delta模数转换芯片，有效分辨率可达20(PGA=l) 位。可以在2.7V5.5V电源电压条件下工作,CS1180提供的1128倍可编程增益放大器， 在128倍时，有效分辨率可达18位。调制器是一个二阶Sigma-Delta调制器，芯片的FIR 滤波器提供50Hz和6

14、0Hz陷波滤波，有效提高芯片的抗干扰性能。d. 微处理器模块单片机最小系统设计由MCS51系列的89C52和外围的时钟电路和复位电路组成。e. 显示模块显示电路设计采用5位LCD数码管动态显示，f. 电源模块本设计只用到电源一种：即+5V.电源原理稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图2.1图2.1电源方框及波形图A、整流和滤波电路：整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压。滤波电路一般由电 容组成，其作用是脉动电压U中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U。34B、稳压电路：由于得到的输出电压U受负载、输入电压和 温度的影响不稳定，为了4得到更为稳定电压添加了稳压

15、电路，从而得到稳定的电压U0。电源电路图集成三端稳压芯片LM7805具有比较高的精确度，加上电容的滤波，对电路可以提供比较稳 定的电压。图2.2中电路提供+5V的电源；主要用于电桥数据采集、信号放大电路、A/D芯 片（CS1180）、数码显示。其中+5 V给CS1180供电；-5V为CS1180参考电压和用于调零电路。由于要求输出的电流最 大值为2000mA，而且取样电阻为1欧所以要求CS1180输出的电压至少为2伏，通过计算-5 伏的电压足够实现上述要求。5. 性能指标以及实现方法电子秤的计量性能 电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有：量程、分度值、分度数、准确度等级等（1）量程：电子衡器的

16、最大称量Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大 值。（2）分度值：电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值。用e或d来表示。（3）分度数：衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用n表示。电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积来表示，即Max = n d（4）准确度等级国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成I、II、III、W四类等级，分别对 应不同准确度的电子秤和分度数n的范围，如下表1-1所示:标志及等级电子秤种类分度数范围特种准确度基准衡器n 100 000高准确度精密衡器10 000 n 100 000中准确度商业衡器1 000 n 10

17、000普通准确度粗衡器100 n 1 000表1-1电子秤等级分类6. 难点分析，解决方法（参考了有关资料）软件设计与调试软件设计需要有一个细致全面的过程，一般须先清楚的列出电子秤各部分电路与软 件设计的有关特点，并进行定义说明，以作为软件设计的根据。在此基础上画出软件的功 能流程图，程序流程图，再根据程序流程图用汇编语言或高级语言写出。电子秤的信号处理流程 电子秤要求有及时数据采集、处理、存结果、送显示的运行过程。根据这一要求， 电子秤的信息测量与处理分三个阶段：（1）在微处理器的控制下，经传感器转换的电压 信号通过输入电路送A/D转换器处理，变为相应的数字量，存入到数据存储器中。（2）微

18、处理器对采集的测量数据进行必要的数据处理，如特性补偿、数字滤波、标度变换等。（3）显示处理结果，把数据信号处理为显示及记录所要求的信号格式，通过输出接口 电路输出并显示与记录。其信息处理的流程图如图3-1所示：图3-1信息处理流程图称重数据处理技术测量精度和可靠性是电子秤设计的关键，引入软件数据处理技术，可以克服或弥补 包括传感器在内的各测量环节硬件本身的缺陷或弱点，使原来靠硬件电路难以实现的信号 处理可以得到解决，提高电子秤的综合性能。在电子称重系统中，主要的数据处理技术有： 无效物理量的消除、零漂处理、标度变换技术、非线性补偿技术、数字滤波技术等。（1）无效物理量的消除 在称重系统中，称重

19、传感器输出的信号是秤台、支架和被测物之和的转换信号，实 际所要测的是被测物的重量，因此，秤台、支架等是无效的物理量，在信号处理过程中要 用软件方法来消除。（2）零漂处理 零位稳定是影响电子秤精度非常重要的因素，因受温度或其它因素影响将引起零位 不稳定，这种现象称为零漂。由于零漂的影响，零输入信号时，输出可能不为零，为消除 这个零位漂移值，采用零位补偿技术，零位补偿就是把这个零位漂移值储存起来，每一数 据采集时减去这个数值，得到的数值就是消除零漂的有效信号。（3）标度变换 在实际测量中，被测模拟信号被检测出来并转换成数字量后，需要转换成操作人员所 熟悉的工程量。因为，被测对象经传感器、A/D转换

20、后得到的数字量是一系列的数码，这 些数码值并不等于原来带有量纲的参数值，它仅仅对应于参数的大小，因此，必须把它转 换成带有量纲的数值后才能显示或打印输出，这种转换就是工程量变换，又称标度变换。对一般的线性系统，其标度变换公式如下：A = A +（A A）（N N）/（N N ）x 0 m 0 x 0 m 0A0 ：测量范围最小值A :测量范围最大值mN0： A所对应的数字量N:A所对应的数字量mmN:A所对应的数字量xx其中，A、A、N和N对于某一固定的被测参数来说它们是常数，不同的参数有着0 m 0 m不同的值。对于测重系统而言，标度变换实质是建立重量W与A/D转换数据N关系的数学模型。假设

21、秤台和支架重量为W0相应的A/D为N0 ,称量物体时，物体、秤台和支架总重为W, 相应的A/D为N,最大量程范围为W,相应的A/D为N,物体净重为W = W- W ，它们之间 m m c 0的数学关系如下:W= W- W =（N - N）（W - W ）/（N - N ）c 0 0 m 0 m 0上式标度变换中，只考虑了净重与A/D转换之间的数学量的关系，还没考虑仪器仪表 的精确度等级和分辨率问题。在实际的称重系统中，根据国家计量法规要求，系统的分辨 率、精确度等级都有明确要求，在硬件配置条件满足的情况下，分辨率、精确度等级通常 通过软件设置分度值d、分度数n来解决。它们与上式的关系为：W -

22、 W = n d =（N - N ）K dm 0 m 0n=（N - N ）Km0K= n /（N - N ）m0K称为标准系数（倍率），在软件设计中通常通过一个调校子程序来确定，然后存 放在一个能长期保存的存储器中。测量时物体的净重 W = W- W =（N - N）K dc 0 0（4）非线性补偿 在检测中，由于检测传感器的输入输出特性往往只在一定范围内近似呈线性，而在 某些范围内则明显呈非线性，同时，传感器具有离散性，还可能有温漂、滞后等。在信号 处理过程中也常用软件处理方法来补偿和校正以上误差。常用的非线性补偿处理的方法有 三种：分段线性插值法、曲线拟合法、查表法。对于不太弯曲的输入输

23、出曲线，可采用线 性插值法，对于很弯曲的输入输出曲线，可采用二次抛物线插值法，对于不规则的输入输 出曲线，可采用分段曲线拟合法。对于用应变称重传感器的称重系统来说，由于其非线性 度不是很大，所以常采用分段线性插值法。（5）数字滤波技术 实际测量中，由于被测对象的环境比较恶劣，干扰源比较多，各种电子秤在称量过 程中，来自传感器的有用信号往往混杂有各种频率的干扰信号。为了抑制某些干扰信号， 通常在称重仪表的信号入口处采用RC低通滤波器，该种滤波器能抵制高频干扰信号，但对 低频干扰信号的滤波效果差，而数字滤波却可以对极低频率的干扰信号进行滤波。数字滤 波就是在软件设计时采用一定的计算方法对输入的信号

24、进行数学处理，减少干扰信号在有 用信号中的比重，提高信号的真实性，它不需要增加硬件，只需根据预定的滤波算法编制 相应的程序，即可达到信号滤波的目的。数字滤波可以对各种干扰信号进行滤波，其稳定 性高，滤波参数修改方便，一种滤波程序可供多个通道共用。在称重系统中常用的数滤波 技术有：程序判断滤波法、平滑滤波法、中位值滤波法等。实际应用中可根据情况选择其 中一种或几种滤波方法的组合，对采集信号实现数字滤波。软件流程图及程序设计为了方便程序调试和提高可靠性，程序设计采用自上而下、模块化、结构化的程序设 计方法，把总的编程过程逐步细分，分解成一个个功能模块，每个功能模块相互独立，每个 模块都能完成一个明

25、确的任务，实现某个具体的功能。本设计按任务模块划分的程序主要有 初始化程序、主程序，A/D转换子程序、显示子程序、键盘处理子程序。（1）初始化程序设计：单片机系统上电后，进入初始化程序，完成单片机片内各模 块的设置和A/D转换器的功能设置初始化，然后进入主程序。（二）主程序设计单片机完成初始化程序后进入主程序， 主程序主要完成对存储参数的读取， 对检 测到的数据进行数据处理，键处理，显示处理等。7. 方案的优缺点及解决方法 在成本上，该方案设计的电子秤很经济，所选所用器件都是很廉价，能够用于我们的生活； 在测量精度上，具有较高的测量精度；但是该方案只是在微智能化的基础上设计的，随着 电子秤的发展，正在向目前，电子秤正朝着小型化、高精度、智能化、集成化，综合性 组合性发展，此方案测量范围不能任意设定，硬件也不能够依据不定的程序进行修改和扩 展；输入输出数据与指令也不能使用不同的语言，并能与外部的控制和数据处理设备进行 通信。8. 心得