电子秤系统的设计方案

电子秤系统的设计方案2.1.电子秤的组成2.1.1电子秤的基本结构电子秤的最基本构成原理是通过被称物体的自身重力对压力传感器产生压力作用，压力传感器将采集到的压力信号转换为电信号；再通过将得到的电信号进行模拟量和数字量的转换；最后通过以微处理器为核心的处理器计算得到物体的质量。主要由以下三部分组成。(1)承重、复位系统当物体通过传感器将其转换时，此时需要通过机械机构进行对物体承载，当然物体不再机械结构上时要复位，这就需要一个机械结构来实现。这样的机械结构有吊挂式结构和桥梁结构。(2)称重传感器在电子秤系统中，物体的自身重力转换为电量的过程中最为关键的就是称重传感器，称重传感器可以按结构和性能的不同划分为直接移位式传感器、应变式压力和应变式电阻传感器和具有物理效应的磁弹性传感器。对于称重传感器来说，对他的最基本要求是：较高的稳定性、较高的灵敏度、良好的线性结构、较差的工作条件下稳定性和灵敏度较好。(3)载荷测量显示装置在电子秤设计系统中，传感器作为物体质量和自身压力转换的纽带和连接桥梁，称重传感器一般作为将物体自身的压力转换为与其成线性关系的电量，电信号作为后续电路的处理和变换。承载在压力传感器的机械部件和测量显示装置称为承重和测量显示装置。一般在电子电路中通常由以下几个基本的环节构成。这些环节包括；放大、滤波、变换、计算和存储显示。2.1.2电子秤的工作原理当物体放于带有秤盘结构的传感器时，此时传感器将物体重力换算为与之成函数关系（一般为线性关系）电信号，再经过放大环节、滤波环节、变换环节，这时以单片机作为核心处理器负责采集数据，最后经过存储环节暂时存储。以单片机为核心的CPU不断地扫描键盘开关，当扫描到键盘开关按下时，CPU进行从存储机构中读数据，再通过与键盘输入的值进行计算，然后将计算结果通过显示机构进行显示。2.2电子秤信号采集信号和处理流程电子秤中测量数据的精度和准确度将是至关重要的，因此单纯的靠硬件电路和传感器技术的发展是解决不了最根本的问题的。由此引入了软件数据处理技术。这样可以使得总体误差得以减小，减少了硬件设计的难度。数据处理的主要处理手段有：尺度转换，零漂处理，数字滤波，消除无效的物理量。下面就几种数据处理作介绍：（1）消除无效的物理量在电子秤系统中由于物理设备引起的物理量只能用软件的方法来消除。在电子秤中称重传感器必须结合带有机械结构的秤盘，这就使得原有的传感器引入了附加值。这就是引入了额外值。需要进行改进。但硬件无论如何改，难度特别大。这是就必须采用软件的方式来实现，达到预期的效果。（2）零漂移处理零漂移就是在电子电路中一般器件是由晶体管构成，这就使得其本身存在电子漂移，随着温度的发生改变，零漂移也就越来越明显。在电子秤系统中零漂移对于结果的影响特别大，这就使得要采用零漂移处理。通过器件给定的漂移值将其在软件设计中减去，达到预期的目的。（3）尺度转换模拟数字转换后得到了一些数字码，该数字不等于物体质量的量纲，只能转换，才能达到预期值。一般的线性系统来说，通常的变换公式如（2.2.1）：（2.2.1）各个参量意义如下：Ao：测量范围最小值Am：测量范围最大值N0：Ao所对应的数字量Nm：Am所对应的数字量Nx：Ax所对应的数字量Ao、Am、NO和Nm都是常数，但是这些常数对应不同的值。尺度变换就是建立称重物体通过称重传感器转换的数据W和模数转换的数据N的数学模型。假如承载被称物体的秤盘和其他秤盘构造的部件质量为WO相应的数模转换参量就是N，此时最大量程范围是Wm，相应模数转换对应的最大量程为Nm，此时物体的净重为Wc=W-WO,此时对应的数学关系为（2.2.2）：（2.2.2）以上的变换中，只是简单地做了被测物体的净重和（A/D）模数转换关系之间的数学模型，这样做忽略了精确度、分辨率等问题。由国家法规要求对电子秤系统的精确度、分辨率做了确切的要求。一般在硬件条件达到满足的条件下，只能通过软件设置分辨率、精确度，假设分辨率、精确度用d、n。它们与上式的关系为：（2.2.3）（2.2.4）（2.2.5）电子秤系统设计中K由调用程序来确定，K确定后将它存储起来，每次调用来确定物体的净重，K有时被称为标准系数，此时测量时物体的净重为：Wc=W-W0=（N-N0）Kd（1.2.6）（5）数字滤波技术在实际生活当中对于系统的影响有：外界的电磁干扰、环境的干扰，因此在处理这些问题是只能引入数字滤波器技术才能更好地处理这些问题。一般也就是在系统中加入RC滤波电路，这样一来就达到了很好的效果。还可以采用多种滤波器结合达到预期的愿望。2.3设计要求(1)称量范围：0—9.999Kg。(2)对测量结果进行标定，并进行误差分析计算，称重误差不大于正负5g。（3)注意电子秤的使用场合，力求实现电子秤的性价比最优，这些提到的性价比包括功耗、人性化和成本。(4)通过LCD显示，显示内容包括物体的质量、单价和总价格。2.4基本思路按照设计实现的功能和性能分析，系统的总体设计如图2-4所示。图2-1系统总体设计2.5单片机的选型在单片机的选型中我将单片机和目前市场流行的FPGA进行了比较和选取。目前就这两种来说有以下几方面的优缺点。如果使用基于FPGA等编程芯片作为电子秤的核心处理器，考虑到FPGA硬件编程芯片可以做并行运算，但灵活性查，因此只能适合做高速但重复性强的、管理高速的硬件部件。FPGA主要应用于通信、数字图像处理，更加偏向于硬件电路，而单片机更偏向于软件，无论是成本还是控制方面，单片机显示出更好的优越性。综合考虑系统设计要求，本设计来说主要用到的是计算和数据处理和采集方面。选取单片机作为核心部分最具有优势。2.6数据采集模块电子秤通过数据采集模块将物体的重力信号转换为电量，通常数据采集模块主要有称重传感器、处理器电路。数据采集模块的选取关系到最终结果的准确性、关系到误差的大小，因此选择这部分时，关键在于考虑是否影响到系统的精确度和产生误差的大小。就这些考虑的因素来对于电子秤传感器和AD模数转换进行选择。2.6.1电子秤传感器的选型在电子秤系统中称重传感器关系到系统的准确度，称重传感器中，其主要是根据被测物体的自身重力对传感器产生压力作用，将压力转换为与之对应关系的电量。称重传感器的选取指标由以下几部分组成：（1）总误差总误差是说明物体的质量的测量和物体质量的实际值之间的不一致性，存在差异。总误差对于电路的精确度很重要，这就意味着在硬件设计中对于模数转换电路、放大电路和滤波电路有了更高的设计要求。（2）灵敏度灵敏度就是当输入端有电流时，输出端是否立即产生电流。灵敏度作为选取称重传感器的重要指标来说关系到电子秤系统的稳定度和准确性。漂移称重传感器本身由微电子技术构成，这就意味着半导体器件的自由电子的漂移运动形成电流。当输入信号为零时，输出不为零。就目前来看传感器有压电式称重传感器、电阻应变式传感器等的传感器。下面就这些个称重传感器进行选择性比较。（1）电容式传感器一般稳定性好，使用寿命长、精确度高和灵敏度高，但是对环境存在强的依赖性。（2）电阻应变式称重传感器是主要由可以拉伸的应变式电阻构成，当电阻发生形变时，电阻阻值也就相应的发生变化，这就使得产生差动信号电阻应变式传感器一般稳定性好、使用寿命长和灵敏度高，对环境不存在依赖性。（3）压电式压力传感器是由于称重物体带动平板电容，使平板电容的两极之间的距离发生改变，这样使得平板电容的电容量发生改变。压电式压力传感器精确度、稳定性、灵敏度都具有很好的优势，但是大量程的压电式压力传感器还存在问题，需要进一步研究。由以上的分析得出结论：应变式压力传感器最具有优势。应变式压力传感器有四个可拉伸电阻构成，当被测物体放在秤盘的时候由惠更斯电桥组成的电路的电阻阻值将会发生变化，打破原有的平衡，产生差动信号。经过后续电路的滤波、放大将其传给后面的采集处理模块进行处理。惠更斯电桥基本结构如图2-6所示：图2-2惠更斯电桥典型的惠更斯电桥具有两个可变电桥臂的4电阻结构的电桥。当没有称重物体时，电阻将不会发生形变，电桥保持平衡。当被测物体对传感器产生压力作用时，电阻发生形变，电阻阻值发生了改变。下面就惠更斯电桥的各个参量作简单的介绍：R1、R2、R3、R4分别为四个应变式电阻，在惠更斯电桥中，核心也就是这四个电阻了，主要原理就是这四个电阻值发生变化失去平衡达到目的。Rm为温度补偿电阻，负责当温度对其产生影响时，自动使得电阻平衡。e为输入激励输入电压，V为响应输出电压，也就是转换后的输出的差动信号。在忽略温度补偿电阻Rm时，电桥的输出电压是（2.6.1）：（2.6.1）由于没有称重物体此时R1=R2=R3=R4=R,此时输出电压V=0。当有称重物体时此时的电桥中的电阻的阻值将变为原来基础上的电桥的输出电压变为（2.6.2）：（2.6.2）通过简化输出电压变为（2.6.3）：（2.6.3）有上式可以看出，此时的输出的电压当量和电阻的变化一般成正比关系。当被测物体位于秤盘时，就会给下面的传感器产生压力作用，此时R1、R3被拉伸发生形变，电阻阻值发生改变，阻值将增大，R2、R4被压缩发生形变，电阻阻值也会发生变化，阻值将会减小。若考虑Rm，则电桥输出电压变为：(2.6.4)(2.6.5)令，则,此时的SU在电子秤设计系统中称为灵敏度。电阻应变式传感器的使用必须结合机械结构的承重部件，这就使得传感器有了一定的误差。为了减小这部分的误差，一般采取的方法就是运用软件方法去改善。2.6.2A/D转换模块的选型考虑到电子秤的精度方面，如果选用ADC0809，ADC0809不仅占用过多的I/O口，而且ADC0809是8位的AD转换芯片，误差太大满足不了设计要求。增加I/O口就必须加锁存，在功耗方面增加了负担。考虑到电子秤的功耗、性能要求，所以选择HX711作为模数A/D转换模块及放大电路选择模块。HX711是24位模数转换芯片，内部具有放大电路，该芯片与其他类型芯片相比较表现出了优越性和简易型。HX711芯片内部继承了片内时钟震荡电路、稳压电源等，此外该芯片响应速度快、抗干扰能力强。在与后端的电路接口中与后续MCU芯片的接口和软件设计比较简单。2.7人机交换模块设计选型由于系统要求人机交互给人一种更加直观的交互界面，选择人机交互模块时应注意直观和方便两方面的考虑。电子秤是一种低功耗的电子设备，在考虑人机交互时还需注意功耗方面。2.7.1键盘输入模块键盘输入主要是为了当称出物体的质量时，方便人们计算总价格的一种人机交换方式。考虑到本设计中按键的数量多和使用单片机作为数据信息采集模块，4*4键盘可以提高单片机的I/O的利用率，一般矩阵键盘使用行线和列线来控制，这样一来就是的I/O口的利用率大大提高。方便STC89C52作为核心处理器来控制。2.7.2输出显示模块在本设计要求中提到注意系统功耗和性价比方面，如果系统显示模块采用数码管，就会占用单片机过多的I/O口，I/O口的利用率大大降低，此外还需要引用两片MAX7219。由于电子秤显示的物体的质量，当输入单价时，必须显示物体的总价格。因此采用其它的显示方式不能达到预期的效果。液晶显示更加直观的显示出信息，考虑到电子秤必须要考虑功耗，还考虑到设计中必须以中文显示才能直观的被人们所接受。采用数码管或者LED系列的显示方式不能满足要求，因此采用液晶显示可以既满足人们的感官需求又可以满足低功耗。在电子秤设计中，有两方面的考虑本系统设计的要求和性价比，设计系统时必须要注意这两方面。因此再选用液晶的时候必须注意，出于对这些方面的考