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一种高精度便携式电子秤的设计

时间:2017-11-24 13:00   来源:http://www.shzrhq.com   访问量:

电子秤在工业生产物料计量环节中是一种不可缺少的设备。为了快速准确检测物体质量,系统采用SP20C-G501电阻应变模块 作为测力传感器,以单片机AT89S52为核心,并用液晶1602显示数据,设计了一种高精度便携式电子秤。传感器检测的数据送高精 HX711模数转换芯片,输出数据数据再由AT89S52单片机运算处理,送液晶显示模块。软件采用模块化设计,通过主程序调用子程 序实现各功能。经测试表明:系统量程范围为01 kg,最大绝对误差为0.4%,并且性能稳定,成本低,使用简单等优点。满足预期要求。

称重技术作为一种计量手段,广泛应用于工农业、 科研、内外贸易、交通等各个领域%同时也是曰常生活 中不可缺少一种计量设备。称重产品技术水平,直接影 响社会经济效益和各行各业的现代化水平的提高。电 子秤与传统机械秤比较,其技术性能趋向精度高、速率 快、稳定性好、使用简便淇功能趋向智能化,应用性能 趋向于综合性。目前,在商业贸易中使用的传统台式 电子秤存在较大的局限性,精度低、体积大、携带不 便、应用场所受到制约为了解决这些问题,本文运用 传感器技术,计算机技术结合数据处理技术,设计一款 便携式电子秤一体的新型智能计量设备。

1.系统硬件设计

系统在充分考虑实用性性价比和性价比的前提 ,完成了电子称的方案设计,按照功能分为为个部分: 控制器部分、测量部分、数据显示部分、键盘部分和电 路电源部分,总体方案框图如图1所示。系统重量检测 部分是利用称重传感器检测压力信号,得到微弱的电压 信号,而后经处理电路(如滤波电路,差动放大电路处理后,送单片机中的A/D转换器将模拟量转化为数字 量输出控制器接受来自A/D转换器输出的数字信号, 经过运算,将数字信号转换为物体的实际质量信号,并将 其送到显示单元中。

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1.1数据采集模块

电子秤中测力传感器的弹性体部分采用悬臂梁结 构,悬臂梁结构的弹性体具有强度高、精度高、稳定性 好、量程范围广、安装时悬臂梁一端固定、一端受力,一 般各种压力或拉力的测量均采用这种结构。悬臂梁结 构适用于各种测力场合,以及工业自动化测量控制系统 中需测质量的部分。

SP20C-G501电阻应变式传感器 系统采用SP20C-G501电阻应变式传感器,该称重 传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成,其最大量程为1 kg称重传感器由组合式S型梁结构及金属 箔式应变计构成,具有防尘密封、量程范围广、精度高、 性能稳定可靠、安装使用方便等特点[\SP20C-G501 阻应变式传感器采用电桥结构,具有自补偿功能、抑制 温漂能力强、易调零等。图2SP20C-G501型压力传感 器原理图,桥路四只应变片贴在弹性梁上,测量电阻随 重力变化导致弹性梁应变而产生的变化。工作原理:当 悬臂梁的弹性体受力变形时,与弹性体一体的应变片随 之变形,在测量范围内应变片的电阻值随着呈线性变化, 通过转换电路转换为与之对应电压的变化量。图2中每 个桥臂电阻变化值A疋《疋、初始值凡且电 桥输出电阻无穷大时电桥输出电压U 该式说明电桥的输出电压U和四个桥臂的应变片 感受的应变量的代数和成正比。

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2AD转换芯片选择

SP20C-G501型传感器输出信号为毫伏级需放大 后才能送模数转换器。为了提高系统灵敏度和精度,系 统A/D转换器采用HX711型芯片,HX711集成有稳压电 源、时钟振荡器等,具有响应速度快、精度高、抗干扰性 强等优点,分辨率达到24位。其使用时需要对芯片内 部的寄存器编程,输入有AB两个通道供选择,每个通 道直接与内部的低噪声可编程放大器相连,放大器可 编程增益为64128,通道AB的对应的差模输入信 号幅值分别为±20 mV±40 mV[7]oHX711芯片与单片 机接口电路如图2所示。另HX711芯片内稳压电源不仅 可给自身供电,还可为外部传感器和芯片提供电源 钟电路无需外接元器件,通电即可起振。所以HX711 片是一款使用极为简便的模数转换器。

1.3系统电源电路设计

5 V电源电路如图3所示。电子秤各模块电路驱动电压均为5 V,为了加强系统的稳定性和可靠性及完整性,系统采用供电方式为独立电源供电。用9 V高能电池经三端稳压器件CW7805,输出5 V电压作为系统电源, 该电压源电压5 V稳定,电流最大可达1.5 A电路中R 1 kn,起限流作用,以保证LED不被烧坏,LED用作 电源指示,其亮灭代表电源工作受是否正常。该电源优 点电压稳定,使用周期长,可独立使用。

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1.4单片机控制模块

为了提高性价比,电子秤处理器选用STC89C52RD, 其由STC89C52RD芯片、晶振电路和复位电路三部分组 成单片机最小系统,电路如图4所示。系统复位电路采 用复合复位,其由10 hF电容10 kn电阻按和开关S ,系统既可通过按键S复位,也可通过电容充放电自 动复位。时钟采用了内部时钟方式,在单片机的XTAL1 XTAL2口外接12MHz石英晶振,并联两个电容,起稳 定频率和快速起振作用,在单片机内部产生12 MHz时钟 脉冲信号,图中电容器C1C2典型值

云网客6.jpg22pF

1.5液晶显示模块

系统测量结果显示部分考虑到功耗、寿命及可靠性 选用液晶显示,LCD1602是一种典型的液晶模块,其采 用图形点阵显示,通信方式为48位并口内置有64 字节的自定义字符RAM192种字符[\LCD1602液晶模块典型结构为16个端口,1、端口接为电源驱动口, 3端口为对比度调节口一般在接一个10K多圈可调电 位器,电位器动点直接节调节口,电位器固定端分别接 VccGND,只要调节电位器动点,就可实现对LCD1602 比度的调节,LCD1602456端口RSR/WE为液晶 的控制端口,通过单片机的P2.5P2.6P2.7引脚进行控 制;第7-14端口DD7LCD1602数据线与单片机P 连接,用于传输数据第156端口为液LCD1602亮度 调节端。图5为单片机与LCD1602接口电路。

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2.系统软件设计

为了方便系统调试,电子秤软件部分采用了模块化 设计,主要包括主程序,模/数转换子函数、延时子程 序、数据处理子程序、LCD显示子程序,软件运行通过 主函数调用子程序。硬件加电,系统快速进行初始化 完成系统变量定义空间分配以及变量赋初值等。系统 主程序流程图如图6所示。测量时SP20C-G501电阻应变 式传感器将检测质量转换成模拟信号,再由A/D转换成 24位二进制数字信号,由单片机运算处理后,接着进行 定标和调零,调用LCD显示子程序,将质量数据送到 LCD1602对应的地址上显示。

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SP20C-G501传感器检测到的信号为毫伏级微弱 信号,易受干扰,影响系统检测精度。系统软件设计时, 通过补偿系统误差,降低外界因素影响,方法是采集的 数据先取十个值进行累加,并计算出平均值,并将每次 所得的数据替换已有的数据,并重新计算平均值,最后 所得到的值,即为需要显示的真实值。

3.系统测试

系统测试,在对系统线性度测量即定标的过程中, 预先准备一组标准砝码作为基准。通电时,先对调零后, 放置标准砝码在传感器测试区的中心,待显示数据稳定 后,记下显示值,然后依次增大砝码的质量,通过多次 重复测量并记录砝码的实际重量和系统所测量的值。 系统测试时应按照正顺序和反顺序进行多次测量 砝码由轻到重一次连续增加不要进行中途撤去砝码,反之依然。由于SP20C-G501传感器灵敏度极高,悬臂 梁的固定端在水平方向必须固定死,否则会影响测量精 度另外传感器的引线也很灵敏,需要卡死,稍微触动 也会影响测量精度。由表1测量数据可知系统最大相 对误差小于0.4%

4.结论

利用高精度的A/D转换器,有效的改善了电子秤的 精度,电源DC5 V。经测试主要技术指标为:称量范围 01 000 g,分度值1 g,相对误差小于0.4%。硬件设计 采用模块化结构,是的系统可靠性高、便于调试,抗干 扰能力强和成本低等优点,同时克服了传统的数字指示秤、 模拟指示秤不精确、速度慢、不能计算、易作弊等缺点


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