1、基于51单片机和AD574的简易电子秤的设计

本文根据当前电子秤的应用情况，分析采用单片机和AD574设计一款简易电子秤装置，在分析测量原理的基础上，选择了比较简单的51系列单片机作为主控制系统，根据测量要求设计了传感器电路、AD转换电路、超量程报警电路、显示电路、按键电路等，根据硬件电路，完成了相应的软件设计。

1、测量原理

电子秤一般由三部分组成，称重传感器、承重系统、传力复位系统。在这个基础上，分成了其他的硬件电路子单元，如单片机最小系统电路、传感器电路、AD转换电路、超量程报警电路、显示电路、按键电路、存储电路等。其测量原理是：将物体放置在承重系统的秤台上时，其重量参数会通过传感器，产生压力-电效应，转换为与其重量相对应的电信号，然后通过放大电路将电信号放大并经过AD处理，最后将信号输入给单片机处理，经单片机处理后，将输入信息显示在LCD上。测量的精度一般由称重传感器决定。

2、硬件电路设计

2.1、总体设计框图

根据其测量原理，设计整体硬件框图如图1所示。主要包含压力传感器电路模块、放大电路模块、AD转换模块、LCD显示器模块、阈值报警模块、单片机控制系统模块。

图1硬件原理框图

2.2、传感器电路设计

设计采用SP20C-G501电阻应变式传感器，称重传感器由组合式S型梁结构及金属箔式应变计构成，具有过载保护装置。过程设计中采用惠斯登电桥进行电压采集转换，它能抑制温度变化的影响，抑制干扰能力强，补偿方便简单，因此选用的传感器精度高、零漂小、工作稳定等。传感器原理图如图2所示：

图2传感器工作原理图

其工作原理：用应变片测量时，将其粘贴在弹性体上。当弹性体受力变形时，应变片的敏感栅也随之变形，其阻值发生相应的变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。由于内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由下式(1)给出：

2.3、AD转换电路设计

AD574是美国AnalogDevice公司生产的12位单片A/D转换器。它采用逐次逼近型的A/D转换器，最大转换时间为25us，转换精度为0.05%，所以适合于高精度的快速转换采样系统。芯片内部包含微处理器借口逻辑(有三态输出缓冲器)，故可直接与各种类型的8位或者16位的微处理器连接，而无需附加逻辑接口电路，切能与CMOS及TTL电路兼容。AD574采用28脚双列直插标准封装。

2.4、LCD显示电路设计

显示电路采用LCD显示。其驱动方式包括静态驱动、动态驱动。

2.5、报警电路设计

报警电路采用有源蜂鸣器设计，只要通电流即可发声进行报警，在其两端并联一个反向的二极管，防止误报警。

3、程序设计

根据硬件原理分析和设计，软件同样分为几个部分：传感器信号采集部分、AD转换部分、显示部分和报警部分，其中数据处理部分最为重要，处理过程同样比较复杂。

4、结论

本论文通过对电子秤的称重原理进行分析，在此基础上介绍了硬件设计和软件设计，最后完成了本简易电子秤装置的设计，采用高精度AD转换芯片AD574和实时处理的MCUAT89C52单片机进行处理，精度高，操作简单，可推广性强。

2、电子秤的工作原理和特点分析

电子秤是衡器的一种，是利用胡克定律或力的杠杆平衡原理测定物体质量的工具。电子秤主要由承重系统(如秤盘、秤体)、传力转换系统(如杠杆传力系统、传感器)和示值系统(如刻度盘、电子显示仪表)3部分组成。

组成：

(1)承重机构和传力系统即电子秤的秤台，是将被称物体的重量或力传递给称重传感器的系统，通常包括：接受被称重物体的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减震机构等。

(2)称重传感器即将非电量(质量)转换成电量的转换元件，它可以将作用于其上的重量或力按一定的函数关系(通常是线性关系)转换成便于测量的物理量(通常是电量，如电压、电流或频率等)输出。

(3)通用显示仪表即处理称重传感器信号的电子线路(包括放大器，刀D转换器等)和指示部件(如显示、打印等)。

(4)电源即向称重传感器测量桥路馈电的、稳定度较高的激励电源，可以是交流或直流的稳压电源。其中称重传感器、显示组件、电源等部分，再包括重量信号的分析处理等都是由核心部件CPU统一管理，统称为电子秤控制器，是电子秤的中枢。

工作原理：

当物体放在秤盘上时，压力施加给传感器，该传感器发生弹性形变，从而使阻抗发生变化，同时使用激励电压发生变化，输出一个变化的模拟信号。该信号经放大电路放大输出到模数转换器。转换成便于处理的数字信号输出到CPU运算控制。CPU根据键盘命令以及程序将这种结果输出到显示器。直至显示这种结果。

特点：

(1) 称量方便、分辨率高、秤量值可以用数字显示，因此便于信号的远距离传输，从而达到集中管理和生产自动控制的目的。

(2)精度高;

(3)传感器的响应速度快，因此称重速度快;

(4)稳定性好、机械磨损小、寿命长、维修方便;

(5)不少传感器的密封性能好，从而可以在环境恶劣的场合下工作;

(6)由于结构简单，因此体积小、重量轻。由于_L述优点，电子秤已成为衡器发展的主流，普遍应用于工业、商业和其它领域，对提高人民生活水平、增强劳动生产率、减轻劳动强度、降低成本都有着重要的意义。

3、电子秤方案设计的原理及技术参数

日常生活中随处可见电子秤的身影。菜市场、珠宝店、药店甚至是家里都有这个电子秤的身影。电子秤的出现让人们对计量数据更敏感、也逐渐开始追求更精确的计量。

电子秤是利用胡克定律或力的杠杆平衡原理测定物体质量的工具。它按照结构原理可分为机械秤、电子秤、机电结合秤三大类。而电子秤主要由承重系统、传感器和显示系统组成。它的主要工作流程就是将物体放在秤盘上时，物体压力施加给传感器，该传感器发生弹性形变，从而使阻抗发生变化，同时使用激励电压发生变化，输出一个变化的模拟信号。该信号经放大电路放大输出到模数转换器。转换成便于处理的数字信号输出到CPU运算控制。CPU根据键盘命令以及程序将这种结果输出到显示器。直至显示这种结果。

这里我们说的CPU是用由芯片和PCBA的设计，完成电子秤所需要的功能参数要求。电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，才能满足并解决现实生活中提出的"快速、准确、连续、自动称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。

人体秤方案性能参数：

开机方式：自动上秤开机,重量为5.0kg+0.1kg。

单位和显示分度：支持两个单位kg、Ib, 对应的分度值为0.1kg、0.2lb,

拨动开关改变单位。

称重范围：3.0kg ~ 183.0kg

电压电流：正常工作时，传感器部分供电电压2.3V,工作电流6mA,待机电流1uA,扫描电流200uA。

校准:三点校准，分别是50kg, 100kg 和150kg。

低电提示：当电池电压低于2.4+0.1V时，LCD显示"Lo",4秒后自动待机。

过载提示：当称重值大于183.0kg时, LCD将会显示"oL”。

自动待机时间：

锁定重量后: 10+1S;

不稳定关机: 20+1S;

开机归零后: 10+1S;

归零：开机全显稳定后归零;称重状态,重量小于3kg并且稳定后自动归零;

温湿度特性：芯片工作温度为-40°C~ 85°C相对湿度:≤90%。

工作电压：2.4V ~ 3.6V 供电

记忆范围：3组记忆值,记忆范围是0.3+-0.1kg

背光：开机或称重背光亮起，称重稳定或无操作10S背光灭

人体秤功能特征

工作电压: 2.4V~3.6V

支持LCD/L .ED显示

称重 范围高达183KG

带 3组记忆值

正常称重功能

支持两个单位kg、lb

低电提示

过载提示

自动归零

语音播报

背光模式

4、如何更换电子秤中的传感器

我们在日常生活中随处可见到电子秤，电子秤是我们日常生活中必不可少的重要工具，不仅在日常生活中占有重要位置，在商业和经济发展领域上也占有重要的主导作用，根据工作环境的要求，电子秤的量程和形态也会随之改变，不管是哪种形态的电子秤，其最主要的核心在于传感器的性能，当传感器出现问题，电子秤的使用就会受到影响，那么我们改如何进行更改呢：

首先，需要打开传感器上方的秤体;

第二，检查传感器线缆的连接情况;

第三，更换传感器，保证线缆连接正确;

第四，重新调整好秤体，且重新标定、校正以上处理方法为我司技术人员的一些维修经验。

5、高性能、低成本电子秤的参考设计

Colm Slattery 和 Mariah Nie

电子秤向更高精度和更低成本的方向发展，对低成本高性能模拟信号处理的需求不断增加。此要求的范围并不明显;大多数电子秤以1：3，000或1：10，000的分辨率输出最终重量值，这很容易通过12位至14位ADC(模数转换器)满足。然而，对电子秤的仔细检查表明，满足分辨率要求并不容易实现;事实上，ADC精度需要接近20位。在本文中，我们将讨论电子秤的一些系统规格，并讨论设计和构建电子秤系统的注意事项。考虑的主要方面是峰峰值噪声分辨率、模数转换器动态范围、增益漂移和滤波。我们将来自实际称重传感器的测量数据与来自稳定基准电压源的输入进行比较，使用电子秤参考设计作为评估板。

称重传感器

最常见的称重秤实现方案是使用桥式称重传感器，其电压输出与放置在其上的重量成正比。典型的称重传感器电桥如图1所示;它是一个具有至少两个可变臂的4电阻桥电路，其中电阻随施加的重量而变化，在2.5 V(电源电压的一半)的共模电平下产生差分电压。典型的电桥将具有 300 欧姆量级的电阻器。

称重传感器本质上是单调的。称重传感器的主要参数是灵敏度、总误差和漂移。

敏感性

典型称重传感器的电灵敏度(定义为满载输出与激励电压之比)为2 mV/V。具有 2mV/V 灵敏度和 5V 激励时，满量程输出电压为 10mV。通常，为了使用称重传感器量程中最线性的部分，只会使用该范围的三分之二左右。因此，满量程输出电压约为6 mV。因此，挑战在于测量6 mV满量程范围内的小信号变化，以获得可实现的最高性能，这在通常使用电子秤的工业环境中并非易事。

总误差

总误差是输出误差与额定输出之比。典型的电子秤的总误差规格约为 0.02%。这是一个非常重要的规格，因为它限制了理想信号调理电路所能达到的精度。因此，它决定了A/D转换器分辨率的选择，以及放大电路和滤波器的设计。

漂移

称重传感器也会随着时间的推移而漂移。图2显示了在24小时内测量的实际称重传感器漂移特性。在测量期间，温度基本上是恒定的，因此漂移与温度无关。所示结果(使用24位ADC测量的位变化数)显示总漂移为125 LSB，或约7.5 ppm。

电子秤系统

设计电子秤系统时要考虑的最重要参数是内部计数、ADC动态范围、无噪声分辨率、更新速率、系统增益和增益误差漂移。系统必须设计为比率式，因此与电源电压无关——这将在后面讨论。

内部计数

如前所述，用户看到的典型电子秤系统的分辨率范围从低端的1：3，000到高端解决方案的1：10，000。例如，一个称重秤的重量分辨率可达 5 公斤，计数为 1：10，000，重量分辨率为 0.5 克。此分辨率(如LCD显示屏所示)通常称为外部计数。为了保证准确满足此分辨率，系统的内部分辨率必须至少提高一个数量级。事实上，一些标准规定系统的内部计数比外部计数好 20 倍。对于上面的示例，内部计数需要为 1：200，000。

模数转换器动态范围

在使用标准高分辨率A/D转换器的电子秤应用中，不太可能使用ADC的整个满量程范围。在图1的示例中，称重传感器具有5 V电源和10 mV满量程输出。线性范围为6 mV。在前端使用增益为128级时，ADC输入将看到约768 mV满量程。如果使用标准2.5 V基准电压源，则仅使用ADC动态范围的30%。

如果在1 mV满量程范围内，内部计数需要精确到200：000，770，则ADC需要提高3×至4×才能满足性能要求。在这种情况下，对于1：800，000的计数，ADC将需要19位到20位的精度。现在可以理解信号处理要求带来的实际挑战。

增益和失调漂移

工业秤系统通常在 50 摄氏度的温度范围内运行。设计人员必须考虑系统在高于室温的温度下的精度，因为增益随温度漂移可能是误差的主要来源。例如，增益误差漂移为20 ppm/°C的1位稳定系统在50度范围内将具有50 LSB的误差。尽管系统在1°C时可能稳定为25 LSB，但在整个温度范围内实际上只有50 LSB的精度。因此，在设计电子秤时，选择具有低增益漂移的ADC是一个非常重要的考虑因素。

失调漂移不是那么大的考虑因素。大多数Σ-Δ型ADC采用固有的斩波模式技术设计，具有漂移更低、抗1/f噪声能力更强等优点，这对电子秤设计人员非常有用。例如，AD7799模数转换器的失调漂移规格为10 nV/°C。 在 20 位系统中，在整个 1 度工作范围内，总共仅产生 4/50 LSB 误差。

无噪声分辨率

阅读数据手册时的一个常见错误是没有注意噪声是指定为均方根(rms)还是峰峰值(p-p)。对于电子秤应用，最重要的规格是p-p噪声，它决定了无噪声代码分辨率。ADC的无噪声码分辨率是分辨率位数，超过该位数，由于与所有ADC相关的有效输入噪声，无法明确分辨单个代码。该噪声可以表示为均方根量，通常表示为LSB单位的数量(计数，2–n满量程)。乘以 6.6(捕获标准分布中所有值的 99.9%)得到合理的等效峰峰值(以 LSB 表示)。大多数ADI公司的Σ-Δ型ADC数据手册都规定了均方根和峰峰值或无噪声代码，如下表所示，摘自AD7799数据手册。

更新速率

在图4中可以看出，系统的无噪声分辨率取决于ADC的更新速率。例如，使用2.5 V基准电压源和4.17 Hz的更新速率，分辨率为20.5位p-p(增益为128);而在 500 Hz 时，分辨率降低到 16.5 位。在电子秤系统中，设计人员需要在ADC采样的最低更新速率与更新LCD显示屏所需的输出数据速率之间取得平衡。对于高端电子秤，通常使用10 Hz ADC更新速率。