一、引言
电子衡器有许多明显的优点，如显示读数快、清晰、抗干扰性好、精确、不易产生计数误差等等。微机控制的电子衡器，更扩充了秤的功能，如去皮重、打印、累计、计数、摇测等。专用称重仪表，可以设计一个计算机系统的终端，因而在现代化生产和管理中，电子衡器是不可缺少的计量手段。现在国内电子衡器发展迅速，在分析一些电子衡器基础上，用上一些如OP07、ICL7135、A/D转换器和8039单片机等，开发出一台通用称重仪表，并用于100kg台秤和改造一台30t的汽车衡。仪表按照III级秤标准，功能有去皮、累计和打印等。
二、系统工作原理与组成

仪表原理框图如图1所示。

电阻应变式稳重传感器把重量转换相应的电压信号，经高性能测量放大器放大后，由A/D转换器ICL7135转换成BCD码。每次A/D转换结束，产生中断请求信号，8039单片机在中断服务程序中输入数据。在主程序中，根据输入数据的大小，判断是空秤（零点）还是称重。开机后，当程序检测到零点已稳定后，显示器显示全零符号，并可以称重。称重的计算公式为：
G=K1N1-K0N0
式中：N1—有称重物时，微机输入的BCD数；
N0—零点的BCD数；
K0、K1—当量值，表示每一个BCD

数代表的重量值。
由于称重传感器受力与输出电压呈非线性关系，K0与K1在不同受力条件下，其值不同。使用时，我们用的标准砝码实测传感器的输出特性，用折线代替曲线，每5kg为一个校正点（限于量程为100kg台秤）把测得的一组K值以数据表格形式，固化在EPROM中，以供程序作非线性处理时自动查找。微机把重量计算结果，送显示器显示，同时可以键入打印命令，打印称量结果。如果称量值G小于0.5d，则显示器仍显示零，并把此值视作零点值处理。仪表采用零点自动跟踪的方法，以克服硬件引起的零点漂移。系统原理图如图2所示。

称重仪表微机系统由8039单片机、程序存贮器、模数转换器、测量放大器、显示器、键盘、打印接口电路组成。
显示部分包括±号共6位，四位显示重量值，累计显示可用五位。显示器用CL002BCD码显示器。内部有锁存功能，用外部存贮器访问指令MOVX@Ro，A完成送数。一片8D锁存器74LS273用来控制应显示的位。T1脚输出2MHz时钟，经74LS938分频后，用作ICL7135A/D转换器的时钟。

三、模拟部分设计
模拟部分是保证电子衡器精度指标的重要部分，因此必须精心设计和装配，才能达到预定的精度指标，并应尽可能使结构简单可靠，成本降低。
（一）仪表误差估算和分配
为使电子衡有0.05%的精度，必须对各部件的误差作出估算和合理分配，以此作为各部件的设计和选购的依据。由仪表原理框图可见，仪表测量误差主要来自于称重传感器、测量放大器和A/D转换器等三个方面。
（1）称重传感器
传感器是外购整件。称重传感器是综合精度，表现在非线性、滞后、重复性和温度补偿等。由于使用微机作数据处理，非线性可以校正到所需精度范围之内，温度影响也可得到一定补偿。数据滞后尚未找到合适的解决方法。经微机处理后，称重传感器综合精度可达到0.05%~0.03%。系统选用0.04%精度。
（2）A/D转换器
称重传感器引起的误差ε1是系统误差的主要部分。假设A/D转换器引起的误差为ε2，测量放大器引起的误差为ε3，则综合误差为：

故选用ICL7135。这是双积分型精密1/2位A/D转换集成电路，抗共模干扰能力强，转换数字范围为-19999~+20000，分辨率为1/40000，精度不低于0.015%，满足要求。
（3）测量放大器
测量放大器精度主要是增益精度和输出漂移，它们都会使读数直接产生误差。增益精度比较容易保证。根据运算放大器理论，如果开环增益足够高，反馈放大器的增益将由反馈电阻和输入电阻决定。如开环增益大于106，电阻选用精度为0.05%精密电阻，增益精度达0.01%并不困难。输出漂移的控制，一方面要选用低漂移运放，其次要设计放大电路，尽可能抑制漂移。但微机控制的称重仪表，有独特的工作方式，由于称重操作的间断性，仪表只要求在称量期间保证漂移量不超过的允差即可，被称物在秤的台面上最长时间不应超过20min。在空秤期间，微机自动跟踪零点，零点在机内是浮动的，漂移量被淹没，而不会被积累，这就降低系统对硬件漂移的要求。
（二）低漂移测量放大器的设计
根据上述分析，可定出测量放大器的技术指标（限于量程为100kg台秤）：
（a）增益K=91
（b）增益误差≤0.01%
（c）折合到输入端的温漂≤0.8μV/℃
（d）最大输出电压2V
（e）共模抑制比≥20db
增益的确定是根据A/D转换器满量程输入电压2000mV与传感器满量程输出22mV之比求得。而漂移量的确定，则是根据秤的灵敏度而定。否则将会使开机预热时间过长，以及承重20min保持读数准确难以达到。
（1）放大电路的选择
根据技术指标，测量放大器必须为低漂移、低噪声、高增益精度和高抗干扰能力，符合要求的桥路放大器，目前流行的测量放大器如图3所示。其中，A1、A2、A3为低漂移运放。第一级是由A1和A2组成双端输入、双端输出差动放大电路。由于都接成同相端输入信号，因而有较高的输入阻抗。电路的对称结构，使A1、A2输出端的共模电压和漂移电压对称，并在第二级A3所组成的差动放大电路得以抵消，故该电路有较高的共模抑制能力和较低的漂移。第一级放大电路严格对称，可把R0的中点视作接地点，根据运算放大器工作原理，可推算出该级差动输入信号的增益为（1+2RF/R0），改变R0的值，即可以改变该级的增益，而不影响电路的对称性和对共模信号的抑制能力，这是该种放大器的优点。第二级放大器的增益通常设计为1，并且四只R1要求严格匹配，这样可使该电路有较高的共模抑制能力和低漂移。

（2）测量放大器的参数计算

1）运算放大器的选择
测量放大器要求A1、A2、A3都为低漂移、低噪声运放，才能满足整个电路的技术指标，故选用5GOP07D，主要性能参数：输入失调电压Vos为60μV；输入失调电流Ios为0.8nA；温度漂移TCVos为0.7μV/℃；共模抑制比CMRR为126db。以上参数指标，可以满足设计要求。
2）确定RF、R0的值
根据测量放大器增益公式，写出：
1+2RF/R0=91
RF=45R0
为使放大器两个输入端偏置电流尽量平衡，应使输入回路中的电阻与R0//2RF相等。桥路电阻约为350Ω。考虑到OP07偏置电流IB仅为±2nA，以及不同量程的电子衡，需改变R0的值调节增益，故选RF=20kΩ，R0=440Ω。二只RF必须严格匹配，精度选用0.05%，并经精密电桥测试，挑选配对使用。R0选用0.1%的精度。为抑制串态干扰，放大器的输入、输出端需接滤波电容，电容也要选用高精度、高稳定性元件。
3）为抑制共态干扰和简化结构采取的措施
本仪表测量电桥用±5V供电，使放大器的输入端工作占电位接近零电位，因而由电源引入的共模信号大大减少，测量电桥供电电源只需用普通三端稳压器供电即可，而不需要用高精度的电桥电源。设计的另一个特点：省去了一只价格高低漂移运放A2，把A1、A2差动输出通过二只R1电阻直接耦合到ICL7135输入端。这是因为ICL7135允许差动输入，并有较好的对称性。经以上设计，整个模拟电路如图4所示。经测试，在ICL7135输出端接数码管显示，放大器输入端接传感器，在环境温度较高的情况下，开机后连续工作四小时，漂移不超过七个最低位字。

图4整个模拟电路示意图

四、ICL7135与8039的连接
ICL7135输出方式为动态扫描的BCD码，输出时序如图5所示。当时钟频率选用100KHz，转换时间约为400ms。这对于转换精度要求高，而转换速度允许低的电子衡器是较适用的。

每当一次转换结束，STROB即连续产生五个脉冲，脉冲宽5μs，间隔2ms，它分别使五个位信号D5、D4、D3、D2、D1依次有效。每个位信号有效时，同时在B8、B4、B2、B1四根数据线上出现该位BCD码。D5对应的是最高位BCD码，它是在第一个STROB下跳时出现。经2ms的间隔，STROB第二次下跳，使D4有效，同时在四根数据线上出现次高位BCD码。经10ms时间，五位BCD码全部在数据线上出现过一次。在400ms后下一组STROB到来时，重复上述过程，它表示一次新的转换结束。根据ICL7135输出时序，设计出与8039的连接电路。8039的P1和P27共九条线，输入四位数据和五个位号，STROB作为8039的中断请求信号。在中断服务程序中输入数据，每中断一次可接收一位BCD码。用判断那一位位信号有效的方法，可以确定本次输入的那一位BCD码。为保证输入一个完整的五位BCD码，在最高位BCD码输入后建立一个标志。当该位未输入时，其余四位也不予输入。五位BCD码全输入后再建立一个标志，用来告诉主程序，一次数据采样已结束。中断服务程序框图如图6所示。

五、系统应用软件
系统应用软件由主程序、子程序和中断服务主程序第一段程序的任务是开机后等待系统硬件工作点稳定，同时检查系统硬件工作是否正常。当硬件工作点稳定时，计算机每次读入的采样值的误差，在精度允许的误差范围内。因此，可用比较程序，完成这一判断。工作点稳定后，机内零点值也被确定，于是程序进入称量程序段。计算机按上述称量计算公式完成称量。但在称量计算前，需先判断当前输入的采样值是零点（空秤）值还是称重值。如是零点值，则由零点自动跟踪程序处理。零点是称量的基准，需认真对待。由于硬件的温漂和各种干扰使零点产生偏移，零点自动跟踪的方法是：不断用新的零点值去代替上一次的零点值。电路的噪声和干扰使每次读得的零点值是不同的，绝对零点值是不存在的。因此，有必要建立一个零点区，凡读得的值进入零点区，都视作零点值。取十个这样的零点值的平均数，作称理基准，并不断被用同样方法所取得的新的平均数所取代。零点区范围应小于±0.5d，因重量值等于±0.5d时，经四舍五入应显示±1个d的值。但零点区也不能取太小，太小了很容易脱离零点自动跟踪范围，使秤不能回零，如图8所示。

六、结束语
仪表采用单片微型计算机技术，它具有很高的功能价格比指标；体积小、I/O功能强、使用灵活、抗干扰性能好、价格低廉是它的突出优点，这对于数据处理量不大的称重仪表是非常实用的。
称重传感器桥路用±5V供电，使测量放大器的输入端接近零电位，因而大大削弱共模信号，它的直接利益是可以简化桥路电源。在保证精度的前提下，测量放大器中还省去所有这一切的努力，都是为了进一步简化系统的结构，降低仪表的成本，为普及电子衡的应用带来技术和经济效益。

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