电子秤-课程-传感器与检测技术课件

电子秤系统设计

本讲座旨在配合课程设计，试图以一台实用的小型电子秤作为对象了解电子秤的基本结构，总体设计思想，每个电路环节的器件选用及计算方法。通过方案制定和系统分析，使我们进一步加深了解在电子秤设计中，需要我们做哪些工作，如何着手开展设计工作。技术指标，经济成本的控制，性价比的评估。构成满足技术要求的系统。

电子秤系统设计讲座的主要内容如下:

1.电子秤的基本结构

2.荷重传感器的选用

3.放大器电路与设计

4.A/D转换器的选用与设计

5.键盘与显示电路的设计

6.单片机及其部分程序解读讲座的主要内容如下:一.系统框图

一.系统框图

本系统采用了低功能单片机89C2051作为测量仪表的核心，使得整个系统结构简单，功能强大，性价比高。。

电子秤测量系统的工作原理:

仪表通电后，在秤重过程中由货物重量经荷重传感器的信号转换，输出相应的毫伏电压，通过运算放大器放大和标度变换转送A/D转换器。本系统的A/D转换器采用了V/F型积分转换器，它将输入的模拟信号转换成相应的以脉冲序列方式的频率输出。单片机89C2051严格控制每一次采样时间，保持每一次计数的闸门时间间隔的一致性。单片机通过应用程序,把当次的采样频率f进行标度转换形成显示器可使用的串行代码数据。本系统采用了低功能单片机89C2051作为在测量荷重期间，系统可随时接受人机对话请求。人机对话仅通过键盘接受校正值。校正有两个内容，其一，“零点校正”，按“设置”键，将空负荷下的采样值记录下来存入E2PROM型号为24LC02B；其二，“斜率校正”，将标准重量（砝码）作为秤重对象放入托盘，按“校正”键，单片机将采样值记录下来并通过计算将新的斜率存入E2PROM型号为24LC02B。这两种校正的方法如下：

（1）零点校正：电子秤的长期使用，由于传感器，放大器的零点漂移，使得出厂时调整好的零点发生偏移而导致秤重时引起恒定误差Δ，经过“设置”键校正，实际上把零漂值存储起来，以后每次侧重时采样值调整：去除零漂误差。在测量荷重期间，系统可随时接受人机对话请求。人机对话仅通过键（2）斜率校正：系统除了零点漂移不可避免外，秤重机构的灵敏度，放大器的增益也会受到使用时间的影响而发生变化，斜率校正实际上是满度调整。关系式：

其中，可K为斜率，f为采样频率，Xy荷重。（2）斜率校正：二测量系统的电路分析：1.荷重传感器秤重,本质上是测量一个静态压力:对象是重力。计量重量，是许多商业活动，生产过程中中经常发生的内容，它体现出货物交易的依据，安全的基本要求。秤重的过程,首先把货物的重力通过一个称荷重传感器转换为对应的电压信号，然后经过放大，模数转换，最后成为读数。荷重传感器有多种：应变片传感器，半导体压阻式传感器，压磁式传感器，压电式传感器等等。当前最常用的为应变片传感器。二测量系统的电路分析：应变片传感器：包括：应变片电阻，试件（弹性元件）。应变片传感器：运用应变片传感器的基本认识：（1）主要转换的物理参数是应变量：。（2）当应变片粘贴在弹性体表面上，形成刚性连接后，应变量正比于弹性体受力大小；在一定的压力F下，弹性体应变的大小将取决于弹性材料的几何尺寸和弹性模量。（3）应变片的粘贴是十分讲究的工艺，需要克服刚性程度，长期使用的机械蠕动，防潮，防霉变，防腐蚀等技术要求。（4）应变片电阻R与应变的线性度和一致性。运用应变片传感器的基本认识：2．放大器：绝大多数的电子秤都采应变式传感器作为荷重变换器。这是因为应变式传感器结构简单，体积小，精度高，非线性误差小，量程调整容易等优点。本系统采用的是平行梁式，这是一种根据弹性材料受到压力后变形产生应变，使粘贴在弹性材料上的应变元件或压缩或拉伸，引起应变元件的电阻相应变化。为了提高灵敏度，一般采用4个性能完全相同应变元件构成全臂差动电桥。电桥的输出关系式：

2．放大器：标称值：R=120Ω，E=6V，额定输出:1.3mV/V,实际满度输出7.8mV/6V显然,由应变元件构成全臂差动电桥的输出信是微弱的,必须通过信号放大才有读数意义。

标称值：R=120Ω，E=6V，额定输出:1.3m本系统采用单电源工作的运算放大器与电桥电路连接成反向放大电路。放大器输出:

(3-3)

考虑到V/F模数转换器的输入范围要求（0~5V），且留有一定的余量。选择R2值。实验证明，所选用的V/F模数转换器的最大输入电压为3.5V,估算放大器增益:(3-4)本系统采用单电源工作的运算放大器与电桥电路连接成反向放大电路根据说明书给出的实际满度输出7.8mV。即,最大输出。因设置了衰减系数为0.8,所以实际输入给V/F模数转换器的最大输入电压为3.54V。根据说明书给出的实际满度输出7.8mV。3．V/F模数转换器本系统采用电压/频率转换器LM331作为A/D转换器。其特点是：体积小，精度高，价格低，串行输出，占用CPU的I/O线少。其最突出的不足之处是转换速度慢。以下是LM331一些主要技术指标：（1）最大线性度0.01%，（2）满量程频率范围1HZ~100KHZ同类器件有：AD650，AD651，AD652。3．V/F模数转换器内部逻辑电路：内部逻辑电路：

图为电压/频率转换器LM331的简化功能框图。内部能隙基准电路产生1.9V直流电压,送到2脚,（基准电压供测试）外接RS形成基准电流：

I=1.9/RS。（I=50~500uA）。

输入电压Vin送比较器，引脚6通常与1脚连接，当K合上后流过恒电流在RL上产生压降Vx作为阈值电压。在单脉冲定时器上设有定时比较器，一个输入端恒接作为参考电压，另一个输入端接引脚5。若，单脉冲定时器内部的RS触发器产生复位信号使K断开,又迫使驱动晶体管截止。复位后使引脚5与地短接，电容C1上的电荷释放，电压下降。使,这个单脉冲定时器的定时周期为：t=1.1R1C1。输入电压Vin送比较器与VX进行比较.因为K合之前VcL=0,则Vin>VX,输入比较器图为电压/频率转换器LM331的简化功能框图。内部能隙基准使得RS触发器产生启动信号使K闭合,基准电流向CL充电。使VX上升，直至VX>Vin。输入比较器翻转,迫使单脉冲定时器产生复位信号使K断开,CL向RL放电,使VX<Vin。然后输入比较器再次启动定时器，开始下一次循环。波形分析：

单脉冲定时器内部的RS触发器产生复位信号使K断开,又迫使驱动晶体管截止，使V3为高电平，VX<Vin。基准电流向CL充电。使VX上升，直至VX>Vin。此时驱动晶体管导通。从波形图看，VX>Vin后，要关闭K是发生在时刻。而使驱动晶体管截止是在VX<Vin时刻。对CL充电平均电流：

IAVE=i*t*Fout

CL对RL放电电流：VX/RL=Vin/RL。使得RS触发器产生启动信号使K闭合,基准电流向CL充电。使显然，LM331工作时：充电平均电流=放电电流:

显然，LM331工作时：充电平均电流=放电电流:3．组合型显示器

本系统采用的显示是内含驱动逻辑电路，尽管无法解剖这个电路，但根据外部特性，可以自行设计出来。下图是显示器外部引脚图，可以知道，它是一个串行信号传输显示数据，3．组合型显示器有3个引脚，分别定义为：CLOCK：时钟节拍，它确定了传输显示数据的波特率；DATA：数据线，传输显示数据脉冲序列；ON/OFF：控制信号，根据时序要求，控制刷新（ON），保持（OFF），它防止显示器在线数据因受干扰丢失。在显示器上刷新显示数据时，控制信号“ON/OFF”处于“OFF”状态，锁存器关闭，不允许改变数据；处于“OFF”状态，锁存器打开，更新锁存器数据；输入的数据按“CLOCK”时钟节拍逐位由“DATA”线送移位寄存器。由于每次仅刷新一位数码管的数字，故这种显示方式仍为动态扫描形式。单片机采用定时中断服务程序，进行定时刷新。有3个引脚，分别定义为：限于器件采购的难度，也可以按下图设计：限于器件采购的难度，也可以按下图设计：刷新一位显示器的操作过程：（1）关闭74LS138控制的所有位码线；（瞬时迫使显示器全暗）（2）对74LS164输入串行数据；（100微秒）（3）选通需要刷新的某一位显示器；（点亮时间保持几毫秒）

刷新一位显示器的操作过程：

三.单片机的主控程序单片机是系统的核心控制部件。电路各部分都完全按照单片机内含的工作程序，正确有序的运行。为此，有必要对本系统的程序流程作简要介绍。

1.单片机89C2051芯片

89C2051为MCS-51系列的一种低功能单片机，其特点是：体积小，引脚少一半。没有P1口，P2口，以及省掉了PSEN，ALE，EA，P3.7(RD)。很显然,89C2051失去了对外寻址功能，对外读写数据功能。但是，P1.2~P1.7具有很强的驱动功能,可以直接带负载。其他保留下来的引脚与原来的功能一致所采用的指令系统与原来的MCS-51系列完全相同。只是某些指令是无效的。三.单片机的主控程序89C2051只有P1，P3口作为I/O口，允许对外传输数据或输入输出控制信号。如图所示，P1.5~P1.7负责输出显示数据;P1.2~P1.4负责键盘输入;P3.2,P3.3负责校正参数存储.整个系统由于功能比较简单,采用89C2051低功能单片机的性能价格比高。89C2051只有P1，P3口作为I/O口，允许对外传输数据

2.电子秤工作流程

每个系统程序都具有一个“初始化”程序段，所谓“初始化”就是定义某些特殊寄存器的功能，如定时器T0/T1的含义,中断字的设置,内部RAM的清理和预设等，这些工作是依据系统要求而设定的。如下：

MAIN:CLRA

MOVP1,A；

P1口清零。

MOVTMOD#51H；

T0为定时器，且自动赋初始值。

MOVTH0,#0F8H；

设置定时器初始值。

MOVTL0,#0CH

MOVR6,#80H；

将内部RAM清零，范围#20H～#7FH。

MOVR0,#20H

CLRAMMM:MOV@R0,AINCR0DJNZR6,MMM

2.电子秤工作流程

MOVSP,#40H；

堆栈入口地址为#40。

SETBEA；

打开中断

SETBTR0;

启动定时器计数。

CLR20H；

控制标志号预置。。。。。。。。键盘管理程序

单片机的键盘设计可以有两种方式来实现。（1）中断法

即在系统运行时任何时刻按下其中任一个按键都会向单片机提出中断申请。单片机立刻响应，停止当前工作转入中断服务程序。完成人机对话后再继续原来的工作。

优点：响应及时、优先权高，修改或补充任务不会破坏整个程序结构。

缺点：电子秤在信号采集时一旦中断，信号采集数据会遭到破坏，导致读数发生明显错误。由于外部中断始终开放着，容易受到电磁干扰的影响，导致误操作。

（2）查询方式在规定时刻才主动询问外部是否有按键按下，如果发现有按键信号，接下来根据按键入口位置来决定进行何种管理工作。优点：能保证数据采集的完整性，也能防止电磁干扰的影响。本系统采用的是查询方式键盘管理。缺点：这种方式受到时间段限制，灵活性不够并且程序编制比较困难。上图所示，电子秤仪表设有三个键位，分别执行零点校正，斜率校正和确定。当开机后发现出现空载条件下读数不为零，就按零点校正键会自动复零。在秤台上放入一个标准砝码，观察仪表读数是否符合砝码重量，如果存在误差，就按斜率校正键会自动调整斜率K值来满足测量范围。确定键是认定校正设置。

考虑到查询方式键盘管理的时间性，通常设置在每次数据采集之前对键盘状态进行查询，在数据采集过程中是不允许查询或处理键盘管理工作。

（2）查询方式中断服务程序：主要是完成定时对显示器各数码位进行刷新，实现动态显示。同时提供了基准时间（利用晶振的高稳定性），给出V/F转换器标准的采样闸门时间（100毫秒）。如下是一段可以支持上述功能的中断服务程序的典型程序。

定义：#30H～#33H的RAM为显示缓冲区；

#3FH的RAM为显示缓冲区指针；

P1.7为串行数据线，P1.6为时钟线；

#6CH的RAM为闸门时间计数器。

P1.0～P1.3为数码管选通线(这与上图所示的原理图不同)。

中断服务程序：中断服务程序流程：动态显示一位刷新

中断服务程序流程：动态显示一位刷新中断服务程序流程：V/F转换器的闸门时间基准中断服务程序流程：V/F转换器的闸门时间基准小结：通过对一台小型电子秤进行系统分析，去了解设计者针对设计任务把自己的设计思想，设计方法充分体现在产品的研发中。1。设计任务：测量范围，测量精度，使用形式，使用功能

2。

设计思想：提高性价比，提高可靠性，在满足技术指标的前提下简化电路，降低成本，方便维护。3。设计方法：系统硬件与系统软件在设计中应同时考虑，并行调整。选用器件应在同类品种中反复比较，不仅要符合技术指标的要求，而且还要注意市场供应的可能性。

总之一项真正的成熟设计并不是轻而易举的事情，很可能进行多次修改，不断积累经验，甚至需要做大量的实验来证明自己的设计方案是否可行，是否更加合理。小结：电子秤-课程——传感器与检测技术课件电子秤-课程——传感器与检测技术课件电子秤-课程——传感器与检测技术课件电子秤系统设计

本讲座旨在配合课程设计，试图以一台实用的小型电子秤作为对象了解电子秤的基本结构，总体设计思想，每个电路环节的器件选用及计算方法。通过方案制定和系统分析，使我们进一步加深了解在电子秤设计中，需要我们做哪些工作，如何着手开展设计工作。技术指标，经济成本的控制，性价比的评估。构成满足技术要求的系统。

电子秤系统设计讲座的主要内容如下:

1.电子秤的基本结构

2.荷重传感器的选用

3.放大器电路与设计

4.A/D转换器的选用与设计

5.键盘与显示电路的设计

6.单片机及其部分程序解读讲座的主要内容如下:一.系统框图

一.系统框图

本系统采用了低功能单片机89C2051作为测量仪表的核心，使得整个系统结构简单，功能强大，性价比高。。

电子秤测量系统的工作原理:

仪表通电后，在秤重过程中由货物重量经荷重传感器的信号转换，输出相应的毫伏电压，通过运算放大器放大和标度变换转送A/D转换器。本系统的A/D转换器采用了V/F型积分转换器，它将输入的模拟信号转换成相应的以脉冲序列方式的频率输出。单片机89C2051严格控制每一次采样时间，保持每一次计数的闸门时间间隔的一致性。单片机通过应用程序,把当次的采样频率f进行标度转换形成显示器可使用的串行代码数据。本系统采用了低功能单片机89C2051作为在测量荷重期间，系统可随时接受人机对话请求。人机对话仅通过键盘接受校正值。校正有两个内容，其一，“零点校正”，按“设置”键，将空负荷下的采样值记录下来存入E2PROM型号为24LC02B；其二，“斜率校正”，将标准重量（砝码）作为秤重对象放入托盘，按“校正”键，单片机将采样值记录下来并通过计算将新的斜率存入E2PROM型号为24LC02B。这两种校正的方法如下：

（1）零点校正：电子秤的长期使用，由于传感器，放大器的零点漂移，使得出厂时调整好的零点发生偏移而导致秤重时引起恒定误差Δ，经过“设置”键校正，实际上把零漂值存储起来，以后每次侧重时采样值调整：去除零漂误差。在测量荷重期间，系统可随时接受人机对话请求。人机对话仅通过键（2）斜率校正：系统除了零点漂移不可避免外，秤重机构的灵敏度，放大器的增益也会受到使用时间的影响而发生变化，斜率校正实际上是满度调整。关系式：

其中，可K为斜率，f为采样频率，Xy荷重。（2）斜率校正：二测量系统的电路分析：1.荷重传感器秤重,本质上是测量一个静态压力:对象是重力。计量重量，是许多商业活动，生产过程中中经常发生的内容，它体现出货物交易的依据，安全的基本要求。秤重的过程,首先把货物的重力通过一个称荷重传感器转换为对应的电压信号，然后经过放大，模数转换，最后成为读数。荷重传感器有多种：应变片传感器，半导体压阻式传感器，压磁式传感器，压电式传感器等等。当前最常用的为应变片传感器。二测量系统的电路分析：应变片传感器：包括：应变片电阻，试件（弹性元件）。应变片传感器：运用应变片传感器的基本认识：（1）主要转换的物理参数是应变量：。（2）当应变片粘贴在弹性体表面上，形成刚性连接后，应变量正比于弹性体受力大小；在一定的压力F下，弹性体应变的大小将取决于弹性材料的几何尺寸和弹性模量。（3）应变片的粘贴是十分讲究的工艺，需要克服刚性程度，长期使用的机械蠕动，防潮，防霉变，防腐蚀等技术要求。（4）应变片电阻R与应变的线性度和一致性。运用应变片传感器的基本认识：2．放大器：绝大多数的电子秤都采应变式传感器作为荷重变换器。这是因为应变式传感器结构简单，体积小，精度高，非线性误差小，量程调整容易等优点。本系统采用的是平行梁式，这是一种根据弹性材料受到压力后变形产生应变，使粘贴在弹性材料上的应变元件或压缩或拉伸，引起应变元件的电阻相应变化。为了提高灵敏度，一般采用4个性能完全相同应变元件构成全臂差动电桥。电桥的输出关系式：

2．放大器：标称值：R=120Ω，E=6V，额定输出:1.3mV/V,实际满度输出7.8mV/6V显然,由应变元件构成全臂差动电桥的输出信是微弱的,必须通过信号放大才有读数意义。

标称值：R=120Ω，E=6V，额定输出:1.3m本系统采用单电源工作的运算放大器与电桥电路连接成反向放大电路。放大器输出:

(3-3)

考虑到V/F模数转换器的输入范围要求（0~5V），且留有一定的余量。选择R2值。实验证明，所选用的V/F模数转换器的最大输入电压为3.5V,估算放大器增益:(3-4)本系统采用单电源工作的运算放大器与电桥电路连接成反向放大电路根据说明书给出的实际满度输出7.8mV。即,最大输出。因设置了衰减系数为0.8,所以实际输入给V/F模数转换器的最大输入电压为3.54V。根据说明书给出的实际满度输出7.8mV。3．V/F模数转换器本系统采用电压/频率转换器LM331作为A/D转换器。其特点是：体积小，精度高，价格低，串行输出，占用CPU的I/O线少。其最突出的不足之处是转换速度慢。以下是LM331一些主要技术指标：（1）最大线性度0.01%，（2）满量程频率范围1HZ~100KHZ同类器件有：AD650，AD651，AD652。3．V/F模数转换器内部逻辑电路：内部逻辑电路：

图为电压/频率转换器LM331的简化功能框图。内部能隙基准电路产生1.9V直流电压,送到2脚,（基准电压供测试）外接RS形成基准电流：

I=1.9/RS。（I=50~500uA）。

输入电压Vin送比较器，引脚6通常与1脚连接，当K合上后流过恒电流在RL上产生压降Vx作为阈值电压。在单脉冲定时器上设有定时比较器，一个输入端恒接作为参考电压，另一个输入端接引脚5。若，单脉冲定时器内部的RS触发器产生复位信号使K断开,又迫使驱动晶体管截止。复位后使引脚5与地短接，电容C1上的电荷释放，电压下降。使,这个单脉冲定时器的定时周期为：t=1.1R1C1。输入电压Vin送比较器与VX进行比较.因为K合之前VcL=0,则Vin>VX,输入比较器图为电压/频率转换器LM331的简化功能框图。内部能隙基准使得RS触发器产生启动信号使K闭合,基准电流向CL充电。使VX上升，直至VX>Vin。输入比较器翻转,迫使单脉冲定时器产生复位信号使K断开,CL向RL放电,使VX<Vin。然后输入比较器再次启动定时器，开始下一次循环。波形分析：

单脉冲定时器内部的RS触发器产生复位信号使K断开,又迫使驱动晶体管截止，使V3为高电平，VX<Vin。基准电流向CL充电。使VX上升，直至VX>Vin。此时驱动晶体管导通。从波形图看，VX>Vin后，要关闭K是发生在时刻。而使驱动晶体管截止是在VX<Vin时刻。对CL充电平均电流：

IAVE=i*t*Fout

CL对RL放电电流：VX/RL=Vin/RL。使得RS触发器产生启动信号使K闭合,基准电流向CL充电。使显然，LM331工作时：充电平均电流=放电电流:

显然，LM331工作时：充电平均电流=放电电流:3．组合型显示器

本系统采用的显示是内含驱动逻辑电路，尽管无法解剖这个电路，但根据外部特性，可以自行设计出来。下图是显示器外部引脚图，可以知道，它是一个串行信号传输显示数据，3．组合型显示器有3个引脚，分别定义为：CLOCK：时钟节拍，它确定了传输显示数据的波特率；DATA：数据线，传输显示数据脉冲序列；ON/OFF：控制信号，根据时序要求，控制刷新（ON），保持（OFF），它防止显示器在线数据因受干扰丢失。在显示器上刷新显示数据时，控制信号“ON/OFF”处于“OFF”状态，锁存器关闭，不允许改变数据；处于“OFF”状态，锁存器打开，更新锁存器数据；输入的数据按“CLOCK”时钟节拍逐位由“DATA”线送移位寄存器。由于每次仅刷新一位数码管的数字，故这种显示方式仍为动态扫描形式。单片机采用定时中断服务程序，进行定时刷新。有3个引脚，分别定义为：限于器件采购的难度，也可以按下图设计：限于器件采购的难度，也可以按下图设计：刷新一位显示器的操作过程：（1）关闭74LS138控制的所有位码线；（瞬时迫使显示器全暗）（2）对74LS164输入串行数据；（100微秒）（3）选通需要刷新的某一位显示器；（点亮时间保持几毫秒）

刷新一位显示器的操作过程：

三.单片机的主控程序单片机是系统的核心控制部件。电路各部分都完全按照单片机内含的工作程序，正确有序的运行。为此，有必要对本系统的程序流程作简要介绍。

1.单片机89C2051芯片

89C2051为MCS-51系列的一种低功能单片机，其特点是：体积小，引脚少一半。没有P1口，P2口，以及省掉了PSEN，ALE，EA，P3.7(RD)。很显然,89C2051失去了对外寻址功能，对外读写数据功能。但是，P1.2~P1.7具有很强的驱动功能,可以直接带负载。其他保留下来的引脚与原来的功能一致所采用的指令系统与原来的MCS-51系列完全相同。只是某些指令是无效的。三.单片机的主控程序89C2051只有P1，P3口作为I/O口，允许对外传输数据或输入输出控制信号。如图所示，P1.5~P1.7负责输出显示数据;P1.2~P1.4负责键盘输入;P3.2,P3.3负责校正参数存储.整个系统由于功能比较简单,采用89C2051低功能单片机的性能价格比高。89C2051只有P1，P3口作为I/O口，允许对外传输数据

2.电子秤工作流程

每个系统程序都具有一个“初始化”程序段，所谓“初始化”就是定义某些特殊寄存器的功能，如定时器T0/T1的含义,中断字的设置,内部RAM的清理和预设等，这些工作是依据系统要求而设定的。如下：

MAIN:CLRA

MOVP1,A；

P1口清零。

MOVTMOD#51H；

T0为定时器，且自动赋初始值。

MOVTH0,#0F8H；

设置定时器初始值。

MOVTL0,#0CH

MOVR6,#80H；

将内部RAM清零，范围#20H～#7FH。

MOVR0,#20H

CLRAMMM:MOV@R0,AINCR0DJNZR6,MMM

2.电子秤工作流程

MOVSP,#40H；

堆栈入口地址为#40。

SETBEA；

打开中断

SETBTR0;

启动定时器计数。

CLR20H；

控制标志号预置。