智能仪器仪表智能电子秤的原理与分析

智能电子秤的原理与分析

摘要：随着计量技术和电子技术的发展，传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。电子称主要以单片机作为中心控制单元，通过称重传感器进行模数转换单元，在配以键盘、显示电路及强大软件来组成。电子称不但计量准确、快速方便，更重要的自动称重、数字显示，对人们生活的影响越来越大。

关键词：电子秤；智能化；单片机；称重传感器

Intelligent electronic scale principle and analysis

Abstract: With the measuring technique and the development of electronic technology, the traditional pure mechanical steelyard, scales, scales and other weighing device being eliminated gradually, electronic weighing device of electronic scales, electronic scales, with its accurate, fast, convenient, intuitive display and many other advantages which favored by people. Electronic scale to improve the precision and reduce the cost of the development trend of the low cost, high performance analog signal processor demand recent years through the analysis of electronic weighing instrument product development and market demand at home and abroad, the trend of the development of electronic weighing instrument is small, modular, integrated, intelligent; its technical performance trend is of high speed, high accuracy, high stability, high reliability; the functional trend is weighing control information and the control information and the " intelligent " function; its application performance tends to be integrated and combination. Electronic weigher mainly to SCM as the central control unit, a weighing sensor for analog-digital conversion unit, combined with keyboard, display circuit and powerful software to form. Electronic measurement is accurate, rapid and convenient not only, more important automatic weighing, digital display, the impact on people's lives more and more.

Key words:electronic scale; intelligent; single chip microcomputer; weighing sensor

前言

称重装置不仪是提供重量数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，推进了工业生产的自动化和管理的现代化，它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。称重装置的应用已遍及到围民经济各领域，取得了显着的经济效益。

电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、

国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。

电子秤的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂，由粗糙到精密、由机械到机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。特别是近30年以来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出电信号的电子衡器。这是由于电子衡器不仅能给出质量或重量信号，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制和检验功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。

1电子秤的工作原理及特点

电子秤的工作原理

电子秤的工作原理以电子元件：称重传感器，放大电路，AD转换电路，单片机电路，显示电路，键盘电路，通讯接口电路，稳压电源电路等电路组成。

当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力一电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系的电信号。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由 A/D进行转换，数字信号再送到微处器的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示。其工作原理图如图1-1所示。

图1-1 电子秤的工作原理图

电子秤的特点

1）.实现远距离操作；

2）.实现自动化控制；

3）.数字显示直观、减小人为误差；

4）.准确度高、分辨率强；

5）.称量范围广；

6）.特有功能：扣重、预扣重、归零、累计、警示等；

7）.维护简单；

8）.体积小；

9）.安装、校正简单；

10）.特种行业，可接打印机或电脑驱动；

11）.智能化电子秤，反应快，效率高。

2.电子秤的硬件

主控制器电路

主控制器是STC12C5A60S2单片机，其外围电路简单，只需要加上晶振电路和电源就可以工作。主控制器电路如图2-1所示。

图2-1 主控制系统电路图

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。

传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入

量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

传感器动态特性是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

传感器放大电路由两级组成，前级由两个同相比例运算电路组成，后级是一个差动比例运算电路。传感器信号首先进过前级进行初步放大，接着进入后级。由于前级的对称性直接影响后级的共模抑制比，考虑到元件阻值的误差，R2,R4选用多圈精密可调电阻。为了提高后级对共模信号的抑制，反馈电阻R3也采用精密多圈可调电阻。传感器放大电路如图2-2所示。

图2-2 传感器放大电路

控制单片机的选型

单片机也被称为微控制器，是由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。

单片机性能包括片内硬件资源、运行速度、可靠性、指令系统功能、体积和封装形式等方面。影响性能价格比的因素除单片机的性能价格外，还包括硬件和软件设计的容易程度、相应的工作量大小，以及开发工具的性能价

格比。以单片机为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。

这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。经过放大电路的信号是模拟信号即模拟量，需要把它变成数字量才能送入单片机控制系统受理，所以需要有A/D转换电路。STC12C5A60S2内部带有60KB的程序存储器，并且带有8路10位精度的A/D转换器。STC12C5A60S2单片机的引脚图如图2-3所示。

图2-3 STC12C5A60S2单片机的引脚图

显示模块

LED显示

LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。通常使用的是七段LED。这种显示块有共阴极与共阳极两种。共阴极LED显示块的发光二极管阴极共地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接。

LCD显示

在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：

（1）显示质量高：由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。

（2）数字式接口：液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。

（3）体积小，重量轻，功耗低：相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗

在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。

液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。

键盘输入

键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。操作者通过键盘向系统发送各种指令或置入必要的数据信息。因此键盘模块设计的好坏，直接关系到系统的可靠性和稳定性。键盘是由若干个按键开关组成，键的多少根据单片机应用系统的用途而定。键盘由许多键组成，每一个键相当于一个机械开关触点，当键按下时，触点闭合，当键松开时，触点断开。单片机接收到按键的触点信号后作相应的功能处理。因此，相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号。

电源模块

稳压电源，是根据稳压电源的输出电压U o、输出电流I o、输出纹波电压ΔU op-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数、输出电阻、温度系数及纹波电压等。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2-4。

图2-4 稳压电源组成图

3电子称的软件系统

电子称软件设计均采用模块化设计，整个程序包括主程序、定时中断程序、INTO中断程序按键程序、数据处理子程序、LCD十六位液晶静态显示子程序等模块。所有程序均采用C汇编语言编写。电子计价秤的软件设计思路说明如下：主程序的作用为程序初始化，计算单价木单重，并时时显示十进制的单重，单价，总价。设定T0为计数工作方式，T1为定时工作方式。其中R0为标志位寄存器当为OOH时为正常显示方式。一秒钟采样物料重量，并赋值重量计算RAM区和显示RAM区。在INTO外部中断程序中，采样单价并赋值单价计算。

如图3-1所示，主程序流程图给出了系统工作的基本过程，描述了信号的基本流向，起到一个向导的作用。

图3-1 主程序流程图

4结论

随着集成电路和计算机技术的迅速发展，使电子仪器的整体水平发生巨大变化，传统的仪器逐步的被智能仪器所取代。智能仪器的核心部件是单片机，因其极高的性价比得到广泛的应用与发展，从而加快了智能仪器的发展。而传感器作为测控系统中对象信息的入口，越来越受到人们的关注。

基于单片机计的电子计重秤, 无论是计量精度, 还是稳定性都满足国

家对A级电子秤的要求, 它具有较好的标定校准方法, 性能稳定, 操作简单, 价格低廉。智能电子秤集传感器技术、微计算机技术、数字显示技术于一体、其反应灵敏、准确度高、显示直观，便于使用。通过硬件的少量扩展和软件的修改, 能设计出性能优越的计价秤、电子台秤等, 满足各行各业对现代电子衡器的需求。

智能电子秤以具有良好的可靠性、准确性、技术先进性和结构简单等特点，受到广大用户的青睐。在商业活动中用途越来越广，给人们的经济生活带来了便利。

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