基于 51單片機的地磅稱重儀系統設計

稱重器是電子衡器的一種，在工業稱重計量過程，電子衡器是自動化稱重控制和貿易計量的重要手段。本設計是飼養場單體稱重器是基于單片機的地磅稱重儀，它的硬件電路設計包括單片機最小系統、A/D轉換器、稱重傳感器、LED顯示電路、±5V穩壓電源電路等幾部分設計內容。地磅產品的應用性能趨向上更綜合性和組合性。

一、引言

自古以來稱重技術就被人們所重視，作為一種計量手段，廣泛應用于工農業、科研、交通、內外貿易等各個領域，與人民的生活緊密相連。地磅是電子衡器中的一種，地磅是國家法定計量器具，是國計民生、國防建設、科學研究、內外貿易不可缺少的計量設備，地磅產品技術水平的高低，將直接影響各行各業的現代化水平和社會經濟效益的提高。但是隨著自動化測試技術的發展，傳統的稱重系統在功能、精度、性價比等方面已難以滿足人們的需要，尤其在智能化、便捷式、對微小質量的測量方面更顯得力不從心。本系統采用 AT89S51 單片機作為核心控制器件，結合高靈敏度的電阻式應變式壓力傳感器和高精度的 A/D  轉換器，來設計稱重系統的總體結構。實現物體質量、控制及顯示報告的電氣化與智能化。

二、系統設計

根據系統的功能要求，系統由  4 個部分組成：控制器部分、信號采集部分、數據顯示部分、和電路電源部分，系統設計總體方案框圖如圖 2-2 所示。

信號采集部分是利用稱重傳感器檢測壓力信號，得到微弱的電壓信號，而后經調理電路處理后，送A/D  轉換器，將模擬量轉化為數字量輸出。控制器部分接受來自 A/D  轉換器輸出的數字信號，經過復雜的運算，將數字信號轉換為物體的實際重量信號，并將其存儲到存儲單元中。控制器還可以通過對擴展 I/O 的控制，對鍵盤進行掃描，而后通過鍵盤控制程序，對整個系統進行控制。數據顯示部分根據需要實現顯示功能。電路電源部分主要是為電路提供穩定方便的電源，將工頻電壓直接轉換成所需的±5V 電壓。

三、稱重傳感器的基本工作原理

稱重傳感器主要由彈性體、電阻應變片電纜線等組成，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面公式給出：

電阻應變式稱重傳感器是基于這樣一個原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發生變化（增大或減小），再經測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。

由此可見，電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。下面就這三方面簡要論述。

（1）電阻應變片

電阻應變片是把一根電阻絲機械的分布在一塊有機材料制成的基底上，即成為一片應變片。他的一個重要參數是靈敏系數  K。我們來介紹一下它的意義。設有一個金屬電阻絲，其長度為 L，橫截面是半徑為 r 的圓形，其面積記作 S，其電阻率記作，這種材料的泊松系數是μ。當這根電阻絲未受外力作用時，它的電阻值為 R：（Ω）

（2）彈性體

彈性體是一個有特殊形狀的結構件。它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產生反作用力，達到相對靜平衡；其次，它要產生一個高品質的應變場，使粘貼在此區的電阻應變片比較理想的完成應變電信號的轉換任務。

（3）檢測電路

檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變為電壓輸出。因為惠斯登電橋具有很多優點，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應用。因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，各臂參數一致，各種干擾的影響容易相互抵銷，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。

四、系統模塊設計

該系統采用單片機作為主控制系統，主要目的在于稱重之后的數字化顯示和實現精確的測量，故系統應該具有單片機工作所需的穩定的+5V  直流電源，又考慮到數字化顯示所用到的數碼管中會出現某段被損壞而不被點亮的情況，系統應該具有開機自檢功能，就是開機后自動逐個掃描每一個晶體管，用來檢查數碼管各段是否完好，可以依靠軟件編程實現。

整個硬件系統由四大模塊組成，下面以控制系統結構為依據就針對各模塊做具體的方案設計。

（1）主控制器模塊方案選型

根據本設計與主控制系統的功能要求，以及性價比的最大化這里選用 51 單片機。

而且以單片機為主控制器的設計，可以容易地將計算機技術和測量控制技術結合在一起，組成新型的只需要改變軟件程序就可以更新換代的“智能化測量控制系統”。

（2）稱重傳感器

首先這里傳感器選用 L-PSII-10 型壓力傳感器，為雙孔懸臂梁形式，是電子計價秤的專用產品。計算并確定轉換系數(f)，轉換系數(f)是表明每一個檢定分度值(V)中有多少個示值單位，是用于把全部示值單位轉換為“V”的，它是由初始公稱試驗溫度20℃時，進程負荷試臉下試臉效據平均值確定的。計算參比示值，所謂“參比值”即“理論示值”。計算各試驗點 EL。各試驗點誤差與最后一列最大允許誤差相比較。將計算結果與系統對傳感器的要求做出比較，以確定選型是否成功。

（3）電源模塊方案選型

為了使稱重儀的供電方便，這里把電源設計成用 220V 的交流電經過變壓器后輸出±9 的電壓，經整流濾波電路后，  通過 LM7805 和 LM7905 進行  DC/DC 變換得到±5V 供壓力傳感器器和系統的其他芯片使用。

（4）數據顯示模塊方案選型

本設計只需要顯示出所稱實物的實際重量，由于 LED 耗電省、使用壽命長、成本低、亮度高等優點，再加上驅動簡單，容易利用單片機對其進行控制和編程等特點選用 LED 顯示。

五、結束語

本次設計的主要技術指標主要有以下四點：稱重范圍 0~50KG、分度值 0.01KG、精確度0.01KG、LED 顯示。其中在實現電路功能中主要存在的問題就似乎稱重的分度值和精確度，涉及到信號調理、轉換和放大等許多方面。其外觀通過 LED 顯示所有數據結果。