1、基于51單片機和AD574的簡易電子秤的設計

本文根據當前電子秤的應用情況，分析采用單片機和AD574設計一款簡易電子秤裝置，在分析測量原理的基礎上，選擇了比較簡單的51系列單片機作為主控制系統，根據測量要求設計了傳感器電路、AD轉換電路、超量程報警電路、顯示電路、按鍵電路等，根據硬件電路，完成了相應的軟件設計。

1、測量原理

電子秤一般由三部分組成，稱重傳感器、承重系統、傳力復位系統。在這個基礎上，分成了其他的硬件電路子單元，如單片機最小系統電路、傳感器電路、AD轉換電路、超量程報警電路、顯示電路、按鍵電路、存儲電路等。其測量原理是：將物體放置在承重系統的秤臺上時，其重量參數會通過傳感器，產生壓力-電效應，轉換為與其重量相對應的電信號，然后通過放大電路將電信號放大并經過AD處理，最后將信號輸入給單片機處理，經單片機處理后，將輸入信息顯示在LCD上。測量的精度一般由稱重傳感器決定。

2、硬件電路設計

2.1、總體設計框圖

根據其測量原理，設計整體硬件框圖如圖1所示。主要包含壓力傳感器電路模塊、放大電路模塊、AD轉換模塊、LCD顯示器模塊、閾值報警模塊、單片機控制系統模塊。

圖1硬件原理框圖

2.2、傳感器電路設計

設計采用SP20C-G501電阻應變式傳感器，稱重傳感器由組合式S型梁結構及金屬箔式應變計構成，具有過載保護裝置。過程設計中采用惠斯登電橋進行電壓采集轉換，它能抑制溫度變化的影響，抑制干擾能力強，補償方便簡單，因此選用的傳感器精度高、零漂小、工作穩定等。傳感器原理圖如圖2所示：

圖2傳感器工作原理圖

其工作原理：用應變片測量時，將其粘貼在彈性體上。當彈性體受力變形時，應變片的敏感柵也隨之變形，其阻值發生相應的變化，通過轉換電路轉換為電壓或電流的變化。由于內部線路采用惠更斯電橋，當彈性體承受載荷產生變形時，輸出信號電壓可由下式(1)給出：

2.3、AD轉換電路設計

AD574是美國AnalogDevice公司生產的12位單片A/D轉換器。它采用逐次逼近型的A/D轉換器，最大轉換時間為25us，轉換精度為0.05%，所以適合于高精度的快速轉換采樣系統。芯片內部包含微處理器借口邏輯(有三態輸出緩沖器)，故可直接與各種類型的8位或者16位的微處理器連接，而無需附加邏輯接口電路，切能與CMOS及TTL電路兼容。AD574采用28腳雙列直插標準封裝。

2.4、LCD顯示電路設計

顯示電路采用LCD顯示。其驅動方式包括靜態驅動、動態驅動。

2.5、報警電路設計

報警電路采用有源蜂鳴器設計，只要通電流即可發聲進行報警，在其兩端并聯一個反向的二極管，防止誤報警。

3、程序設計

根據硬件原理分析和設計，軟件同樣分為幾個部分：傳感器信號采集部分、AD轉換部分、顯示部分和報警部分，其中數據處理部分最為重要，處理過程同樣比較復雜。

4、結論

本論文通過對電子秤的稱重原理進行分析，在此基礎上介紹了硬件設計和軟件設計，最后完成了本簡易電子秤裝置的設計，采用高精度AD轉換芯片AD574和實時處理的MCUAT89C52單片機進行處理，精度高，操作簡單，可推廣性強。

2、電子秤的工作原理和特點分析

電子秤是衡器的一種，是利用胡克定律或力的杠桿平衡原理測定物體質量的工具。電子秤主要由承重系統(如秤盤、秤體)、傳力轉換系統(如杠桿傳力系統、傳感器)和示值系統(如刻度盤、電子顯示儀表)3部分組成。

組成：

(1)承重機構和傳力系統即電子秤的秤臺，是將被稱物體的重量或力傳遞給稱重傳感器的系統，通常包括：接受被稱重物體的承載器、秤橋結構、吊掛連接部件和限位減震機構等。

(2)稱重傳感器即將非電量(質量)轉換成電量的轉換元件，它可以將作用于其上的重量或力按一定的函數關系(通常是線性關系)轉換成便于測量的物理量(通常是電量，如電壓、電流或頻率等)輸出。

(3)通用顯示儀表即處理稱重傳感器信號的電子線路(包括放大器，刀D轉換器等)和指示部件(如顯示、打印等)。

(4)電源即向稱重傳感器測量橋路饋電的、穩定度較高的激勵電源，可以是交流或直流的穩壓電源。其中稱重傳感器、顯示組件、電源等部分，再包括重量信號的分析處理等都是由核心部件CPU統一管理，統稱為電子秤控制器，是電子秤的中樞。

工作原理：

當物體放在秤盤上時，壓力施加給傳感器，該傳感器發生彈性形變，從而使阻抗發生變化，同時使用激勵電壓發生變化，輸出一個變化的模擬信號。該信號經放大電路放大輸出到模數轉換器。轉換成便于處理的數字信號輸出到CPU運算控制。CPU根據鍵盤命令以及程序將這種結果輸出到顯示器。直至顯示這種結果。

特點：

(1) 稱量方便、分辨率高、秤量值可以用數字顯示，因此便于信號的遠距離傳輸，從而達到集中管理和生產自動控制的目的。

(2)精度高;

(3)傳感器的響應速度快，因此稱重速度快;

(4)穩定性好、機械磨損小、壽命長、維修方便;

(5)不少傳感器的密封性能好，從而可以在環境惡劣的場合下工作;

(6)由于結構簡單，因此體積小、重量輕。由于_L述優點，電子秤已成為衡器發展的主流，普遍應用于工業、商業和其它領域，對提高人民生活水平、增強勞動生產率、減輕勞動強度、降低成本都有著重要的意義。

3、電子秤方案設計的原理及技術參數

日常生活中隨處可見電子秤的身影。菜市場、珠寶店、藥店甚至是家里都有這個電子秤的身影。電子秤的出現讓人們對計量數據更敏感、也逐漸開始追求更精確的計量。

電子秤是利用胡克定律或力的杠桿平衡原理測定物體質量的工具。它按照結構原理可分為機械秤、電子秤、機電結合秤三大類。而電子秤主要由承重系統、傳感器和顯示系統組成。它的主要工作流程就是將物體放在秤盤上時，物體壓力施加給傳感器，該傳感器發生彈性形變，從而使阻抗發生變化，同時使用激勵電壓發生變化，輸出一個變化的模擬信號。該信號經放大電路放大輸出到模數轉換器。轉換成便于處理的數字信號輸出到CPU運算控制。CPU根據鍵盤命令以及程序將這種結果輸出到顯示器。直至顯示這種結果。

這里我們說的CPU是用由芯片和PCBA的設計，完成電子秤所需要的功能參數要求。電子秤采用現代傳感器技術、電子技術和計算機技術一體化的電子稱量裝置，才能滿足并解決現實生活中提出的"快速、準確、連續、自動稱量要求，同時有效地消除人為誤差，使之更符合法制計量管理和工業生產過程控制的應用要求。

人體秤方案性能參數：

開機方式：自動上秤開機,重量為5.0kg+0.1kg。

單位和顯示分度：支持兩個單位kg、Ib, 對應的分度值為0.1kg、0.2lb,

撥動開關改變單位。

稱重范圍：3.0kg ~ 183.0kg

電壓電流：正常工作時，傳感器部分供電電壓2.3V,工作電流6mA,待機電流1uA,掃描電流200uA。

校準:三點校準，分別是50kg, 100kg 和150kg。

低電提示：當電池電壓低于2.4+0.1V時，LCD顯示"Lo",4秒后自動待機。

過載提示：當稱重值大于183.0kg時, LCD將會顯示"oL”。

自動待機時間：

鎖定重量后: 10+1S;

不穩定關機: 20+1S;

開機歸零后: 10+1S;

歸零：開機全顯穩定后歸零;稱重狀態,重量小于3kg并且穩定后自動歸零;

溫濕度特性：芯片工作溫度為-40°C~ 85°C相對濕度:≤90%。

工作電壓：2.4V ~ 3.6V 供電

記憶范圍：3組記憶值,記憶范圍是0.3+-0.1kg

背光：開機或稱重背光亮起，稱重穩定或無操作10S背光滅

人體秤功能特征

工作電壓: 2.4V~3.6V

支持LCD/L .ED顯示

稱重 范圍高達183KG

帶 3組記憶值

正常稱重功能

支持兩個單位kg、lb

低電提示

過載提示

自動歸零

語音播報

背光模式

4、如何更換電子秤中的傳感器

我們在日常生活中隨處可見到電子秤，電子秤是我們日常生活中必不可少的重要工具，不僅在日常生活中占有重要位置，在商業和經濟發展領域上也占有重要的主導作用，根據工作環境的要求，電子秤的量程和形態也會隨之改變，不管是哪種形態的電子秤，其最主要的核心在于傳感器的性能，當傳感器出現問題，電子秤的使用就會受到影響，那么我們改如何進行更改呢：

首先，需要打開傳感器上方的秤體;

第二，檢查傳感器線纜的連接情況;

第三，更換傳感器，保證線纜連接正確;

第四，重新調整好秤體，且重新標定、校正以上處理方法為我司技術人員的一些維修經驗。

5、高性能、低成本電子秤的參考設計

Colm Slattery 和 Mariah Nie

電子秤向更高精度和更低成本的方向發展，對低成本高性能模擬信號處理的需求不斷增加。此要求的范圍并不明顯;大多數電子秤以1：3，000或1：10，000的分辨率輸出最終重量值，這很容易通過12位至14位ADC(模數轉換器)滿足。然而，對電子秤的仔細檢查表明，滿足分辨率要求并不容易實現;事實上，ADC精度需要接近20位。在本文中，我們將討論電子秤的一些系統規格，并討論設計和構建電子秤系統的注意事項。考慮的主要方面是峰峰值噪聲分辨率、模數轉換器動態范圍、增益漂移和濾波。我們將來自實際稱重傳感器的測量數據與來自穩定基準電壓源的輸入進行比較，使用電子秤參考設計作為評估板。

稱重傳感器

最常見的稱重秤實現方案是使用橋式稱重傳感器，其電壓輸出與放置在其上的重量成正比。典型的稱重傳感器電橋如圖1所示;它是一個具有至少兩個可變臂的4電阻橋電路，其中電阻隨施加的重量而變化，在2.5 V(電源電壓的一半)的共模電平下產生差分電壓。典型的電橋將具有 300 歐姆量級的電阻器。

稱重傳感器本質上是單調的。稱重傳感器的主要參數是靈敏度、總誤差和漂移。

敏感性

典型稱重傳感器的電靈敏度(定義為滿載輸出與激勵電壓之比)為2 mV/V。具有 2mV/V 靈敏度和 5V 激勵時，滿量程輸出電壓為 10mV。通常，為了使用稱重傳感器量程中最線性的部分，只會使用該范圍的三分之二左右。因此，滿量程輸出電壓約為6 mV。因此，挑戰在于測量6 mV滿量程范圍內的小信號變化，以獲得可實現的最高性能，這在通常使用電子秤的工業環境中并非易事。

總誤差

總誤差是輸出誤差與額定輸出之比。典型的電子秤的總誤差規格約為 0.02%。這是一個非常重要的規格，因為它限制了理想信號調理電路所能達到的精度。因此，它決定了A/D轉換器分辨率的選擇，以及放大電路和濾波器的設計。

漂移

稱重傳感器也會隨著時間的推移而漂移。圖2顯示了在24小時內測量的實際稱重傳感器漂移特性。在測量期間，溫度基本上是恒定的，因此漂移與溫度無關。所示結果(使用24位ADC測量的位變化數)顯示總漂移為125 LSB，或約7.5 ppm。

電子秤系統

設計電子秤系統時要考慮的最重要參數是內部計數、ADC動態范圍、無噪聲分辨率、更新速率、系統增益和增益誤差漂移。系統必須設計為比率式，因此與電源電壓無關——這將在后面討論。

內部計數

如前所述，用戶看到的典型電子秤系統的分辨率范圍從低端的1：3，000到高端解決方案的1：10，000。例如，一個稱重秤的重量分辨率可達 5 公斤，計數為 1：10，000，重量分辨率為 0.5 克。此分辨率(如LCD顯示屏所示)通常稱為外部計數。為了保證準確滿足此分辨率，系統的內部分辨率必須至少提高一個數量級。事實上，一些標準規定系統的內部計數比外部計數好 20 倍。對于上面的示例，內部計數需要為 1：200，000。

模數轉換器動態范圍

在使用標準高分辨率A/D轉換器的電子秤應用中，不太可能使用ADC的整個滿量程范圍。在圖1的示例中，稱重傳感器具有5 V電源和10 mV滿量程輸出。線性范圍為6 mV。在前端使用增益為128級時，ADC輸入將看到約768 mV滿量程。如果使用標準2.5 V基準電壓源，則僅使用ADC動態范圍的30%。

如果在1 mV滿量程范圍內，內部計數需要精確到200：000，770，則ADC需要提高3×至4×才能滿足性能要求。在這種情況下，對于1：800，000的計數，ADC將需要19位到20位的精度。現在可以理解信號處理要求帶來的實際挑戰。

增益和失調漂移

工業秤系統通常在 50 攝氏度的溫度范圍內運行。設計人員必須考慮系統在高于室溫的溫度下的精度，因為增益隨溫度漂移可能是誤差的主要來源。例如，增益誤差漂移為20 ppm/°C的1位穩定系統在50度范圍內將具有50 LSB的誤差。盡管系統在1°C時可能穩定為25 LSB，但在整個溫度范圍內實際上只有50 LSB的精度。因此，在設計電子秤時，選擇具有低增益漂移的ADC是一個非常重要的考慮因素。

失調漂移不是那么大的考慮因素。大多數Σ-Δ型ADC采用固有的斬波模式技術設計，具有漂移更低、抗1/f噪聲能力更強等優點，這對電子秤設計人員非常有用。例如，AD7799模數轉換器的失調漂移規格為10 nV/°C。 在 20 位系統中，在整個 1 度工作范圍內，總共僅產生 4/50 LSB 誤差。

無噪聲分辨率

閱讀數據手冊時的一個常見錯誤是沒有注意噪聲是指定為均方根(rms)還是峰峰值(p-p)。對于電子秤應用，最重要的規格是p-p噪聲，它決定了無噪聲代碼分辨率。ADC的無噪聲碼分辨率是分辨率位數，超過該位數，由于與所有ADC相關的有效輸入噪聲，無法明確分辨單個代碼。該噪聲可以表示為均方根量，通常表示為LSB單位的數量(計數，2–n滿量程)。乘以 6.6(捕獲標準分布中所有值的 99.9%)得到合理的等效峰峰值(以 LSB 表示)。大多數ADI公司的Σ-Δ型ADC數據手冊都規定了均方根和峰峰值或無噪聲代碼，如下表所示，摘自AD7799數據手冊。

更新速率

在圖4中可以看出，系統的無噪聲分辨率取決于ADC的更新速率。例如，使用2.5 V基準電壓源和4.17 Hz的更新速率，分辨率為20.5位p-p(增益為128);而在 500 Hz 時，分辨率降低到 16.5 位。在電子秤系統中，設計人員需要在ADC采樣的最低更新速率與更新LCD顯示屏所需的輸出數據速率之間取得平衡。對于高端電子秤，通常使用10 Hz ADC更新速率。