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[導讀]摘要:從器件選擇、硬件設計和軟件設計的角度介紹了電子秤的設計過程,并給出了設計結果;以此為例闡述了智能儀器設計的總體思路和方法。　　電子秤是利用稱重傳感器作為變換元件,把被稱物體的重量按一定的比例關系轉換成與其相應的電信號,用電子儀表進行測量和顯示的裝置。　　根據要求的技術指標和功能,電子秤的總體設計方案如圖1所示。電子秤的組成包括承重和傳力機械系統、稱重傳感器、二次儀表、微處理器、激勵電源等部分。被測重量由稱重傳感器感應后,其阻值發生變化,經電橋電路、放大電路、A/D轉換器進入CPU,經處理后顯示;此外,還可以通過通訊接口與外部進行數據通訊。　　下面以0.05%精度電子秤的設計過程為例,介紹智能儀器設計的一般方法和步驟。　　1　電子秤的誤差分析與器件選型　　傳感器、前置放大器和A/D轉換器是決定智能儀器準確度的關鍵部件,它們的選擇需要根據給定的精度指標利用誤差分配與合成原理通過分析計算來確定。　　1.1　電子秤的誤差分析　　用于靜態稱重的電子秤,其主要的誤差來源有:稱重傳感器、傳感器輸出信號的處理系統(包括前置放大器、A/D轉換器)和機械承重系統等。對于電子秤來講,機械承重系統的誤差、電源波動引入的誤差以及稱重傳感器與測量線路之間引線帶來的誤差等(用J表示)不易定量計算,這些誤差只能通過合理的設計安裝來削弱,并在誤差分配時給予一定的冗余量來保證。　　1.2　誤差分配　　傳感器誤差一般為總誤差的70%,前置放大器和A/D轉換器等部分的誤差總和為總誤差的30%。因此,由設計要求的電子秤精度G=0.05%可以計算出稱重傳感器的誤差S0.05%70%=0.035%,前置放大器和A/D轉換器的誤差總和A0.05%30%=0.015%。　　具體選擇如下:考慮小稱量的秤,稱重傳感器選用上海佳華冶金儀表實業有限公司生產的HLL-2型商用懸臂梁式傳感器,其精度等級S=0.03%;前置放大器選用儀用放大器AD524,其精度等級A1==0.003%;A/D轉換器選用16位的ADC,其精度A2=1/216=0.0016%。可見:S=0.03%0.035%;　　A===0.0034%0.015%,滿足誤差分配的要求,且有較大的精度冗余。　　1.3　誤差合成驗證　　與0.05%相比,有一定的冗余,故可以承擔起對機械承重系統、電源波動以及稱重傳感器與測量線路引線等誤差J的補償。　　2　硬件設計　　智能測量系統及儀器的硬件設計的基本步驟是:　　(1)選擇傳感器和CPU;(2)設計接口電路;(3)制作印制板;(4)根據調試中發現的問題重復(2)或(1)。電子秤的硬件設計也如此進行。　　2.1　選擇傳感器和CPU　　稱重傳感器選用HLL-2型商用懸臂梁式傳感器,其精度等級0.03%。　　采用微處理器可以使電子秤的功能和稱量精度顯著提高,滿足各方面的要求。微處理器選用可靠性高的MCS-51系列的單片機87C51。87C51帶有4KEPROM,寫入或改寫程序方便,適于電子秤的研制。批量生產時,可用價格最低的8031單片機。　　2.2　接口電路的設計　　2.2.1　稱重傳感器接口電路的設計　　(1)供電電源　　將220V交流電經變壓、整流濾波,再通過集成穩壓器來獲得所需的+12V供橋電壓。　　(2)前置放大器　　選擇儀用放大器AD524,其精度等級0.003%。放大倍數1、10、100、1000,且可編程調節增益。因稱重傳感器輸出約為18mV,故放大器的增益設計為100。　　(3)A/D轉換器　　根據誤差分配,選16位的A/D轉換器ADC1143。其轉換時間為100s,非線性誤差0.01%。　　2.2.2　鍵盤和LED顯示器的接口電路　　選用8279可編程鍵盤/顯示器接口芯片,連接16位LED顯示器和16鍵(包括數字鍵和功能鍵)鍵盤。根據上述設計,電子秤的硬件原理圖如圖2所示。考慮測量的靈敏度、精度和穩定性等指標,傳感器的4片特性相同的電阻應變片對稱地粘貼在彈性梁上,將其接成全橋四臂工作方式,由直流穩壓電源供電,構成測量電路。電橋輸出電壓經AD524放大,送入A/D轉換器。ADC1143片內可提供時鐘發生器和低噪聲基準電壓源,但無三態門,故輸出端應加接緩沖電路。ADC1143輸出的16位數據經2片緩沖器74LS244與87C51的數據線相接,并通過P2.5和P2.6分別選通高位和低位緩沖器,讀取高、低8位數據。啟動命令由P1.0輸出,延時100s后輸出轉換結果。P1.1驅動共射放大電路,利用揚聲器進行聲響報警。單片機87C51與8279之間通過P0口進行信息交換,由74LS373鎖存。8279的RL0~7與16線譯碼器74LS154的兩根輸出線構成28的鍵盤。8279經譯碼/驅動器BIC8706、BIC8708驅動16位LED顯示器進行顯示。　　3　軟件設計　　電子秤軟件設計的總體思想是:根據預先編制的程序對測量進行控制,完成自校準、自動調零、自選量程、自動邏輯判斷、自動存取并更改調節值以及自動完成重量的測試;搜集和處理測得的數據,根據誤差理論進行誤差計算,求出傳感器的非線性誤差,并對測試結果進行修正;通過對重量的測試,按各種參數之間的關系,經計算后自動求出一系列有關的未知參數,如重量、單價、總價和累計價等。　　監控軟件采用模塊技術設計。根據系統功能,將軟件劃分為若干個功能相對獨立的模塊,為每一個模塊設計程序流程圖。軟件程序包括主程序、中斷服務程序、自檢程序、鍵盤分析程序、重量值采樣處理程序、傳感器非線性校正程序、溫度誤差補償程序、自動量程轉換程序、自動調零程序、自動去皮重程序等。　　主程序和數據采集處理子程序的結構分別如圖3、圖4所示。　　在主程序中,對系統初始化,調用數據采集處理子程序來清零(去零點)、數據采集處理,并將數字量量化成重量值進行顯示。在數據采集處理子程序中,完成自動量程轉換、采集數據并進行平均濾波、溫度誤差修正等系統的大部分工作。　　4　結束語　　上述電子秤的設計為我們展示了智能儀器設計的一般方法和過程,實踐證明是行之有效的,可以作為設計其他智能儀器的借鑒和參考。　　參考文獻:　　[1]闕沛文.微型計算機在檢測技術及儀器中的應用[M].上海交通大學出版社,2000,1.　　[2]莊嚴,等.誤差合成與分配原理在智能儀器設計中的應用[J].計量技術,2002,(6).　　[3]趙新民.智能儀器原理及設計[M].哈爾濱工業大學出版社,1990,12.　　[4]趙負圖,等.國內外傳感器手冊[M].遼寧科學技術出版社,1997,8.　　[5]楊盤洪.最新集成運算放大器應用手冊[M].山西科學技術出版社,1998,9.　　作者簡介:莊嚴(1968),女,碩士,主要從事傳感器、檢測技術及自動化儀器儀表的研究。　　（收稿日期:2002-04）

關鍵字標籤：電子磅秤製造-尚和國際衡器