随着自动化测量技术的不断发展， 传统的称重系统在功能、 精度、 智能化、 性价比等方面越来越难以满足人们的需要， 尤其对一些微小质量的测量更显得力不从心 。 为了实现高智能化的微小质量测量，笔者采用以单片机89C51为控制核心的高精度、 高灵敏度电阻应变片式称重传感器， 设计了称重测量系统的总体结构及软、 硬件， 从而实现了对微小质量的测量、 控制及显示 。

1 系统总体方案

该系统采用应变片式传感器进行测量， 得出模拟信号； 再进行放大和模数转换， 然后送入单片机进行处理 & 根据需要实现显示、 打印等功能， 或者对数据进行必要的处理后送交上位机， 由上位机对数据进行再处理， 满足了生成报表、 存储、 称重管理、 误差分析等功能 。

硬件电路模块分为 A/D 接口模块、 单片机接口模块 （主机模块） 、 人机联系模块 （ LED 显示器接口） 、 通信接口模块等几个模块 。 硬件模块的连接方法是以主机模块为核心， 通过地址总线、 数据总线、控制总线连接其他功能模块。

软件模块又可分成监控程序 （包括初始化、 显示管理、 中断管理等） 、 中断处理程序及各种测量和监控算法等功能模块 。 软件模块的连接方法是通过监控程序调用各种功能模块， 或采用中断的方法实时地执行响应的服务模块。

2 硬件设计

2.1 传感器的选择

要达到设计的性能要求， 传感器的精度起着决定性作用。本系统选用应用于称重系统 90% 以上的高精度电阻应变式传感器。

该传感器的工作原理为： 采用全桥式等臂电桥为基本线路， 用敏感元件—— 箔式电阻应变片作为桥臂并粘贴在金属悬臂梁的弹性表面上。 当外力对弹性体（弹性元件， 敏感梁） 作用时， 电桥相对桥臂的电阻应变片 （转换元件） 受到拉伸或压缩。 应变片变形后， 它的阻值将发生变化 （增大或减小） ， 从而使电桥失去平衡， 产生相应的差动信号， 供后续电路测量和处理。

2.2 模拟输入通路接口

因称重传感器转换后的电压信号是幅度很小的微伏级信号， 很难直接进行模拟转换， 因此需要对该模拟信号进行放大处理。 然而，通用运算放大器一般具有毫伏级的失调电压和每度数微伏的温度漂移， 显然不能用于放大微弱信号。

本系统选用集成运放 OP07构成三运放同相输入并串联差动放大器电路， 以满足测量精度的要求 。 

    该放大电路具有较强的抑制共模信号的能力， 能将差模信号放大到足够大的倍数， 且可以提高灵敏度， 减小非线性 。差模放大倍数数值愈大， 共模抑制比愈高。 当输入信号中含有共模噪声时， 也将被抑制［1］。# 输出电压  ，

式中 u_Id为差模电压输入信号。该电路实现双端输入， 双端输出， 通过调节可调电阻R_p1 可以调节放大倍数。A₃( 构成电压跟随器， 通过调整输入端电位器R_p2， 以调整 A₃ ( 输出， 再与 A₂ 输出相加， 使传感器压力为零时， 电路输出电压也为零， 即对电路调零［2］。 该电路实现简单， 能实现较大放大倍数的放大 。 根据需要将传感器电压变化0.1mV/g， 放大 10000倍后为 1V/g ， 满足ICL7135的电压输入要求， 无须进一步转换。

2.3 单片机功能简介

本系统采用AT89C51单片机， 实现质量数据采样、 串口通讯、LED显示、 按键处理等功能。

2.4模数转换接口电路

A/D转换器位数的确定与整个测量控制系统所需测量的范围和精度有关， 本系统选择高精度 4 位半 CMOS双积分型 A/D转换器 ICL7135。其输出电压为-2~+2V， 输出的数字信号是 BCD码， 无须单片机进一步转换。ICL7135精度高， 有较强的抗干扰能力， 具有精确的差分输入， 输入阻抗高， 可自动调零， 全部输出与 TTL电平兼容， 且价格低廉 。利用单片机的P3.4接到ICL7135的启动脚 R/H， 可以启动和停止 A/D转换。将ICL7135的 ST 接到单片机外部中断引脚 P3.3，通过P0.4~P0.7读取启动 A/D后后， 连续 5次中断时， 每次中断对应ICL7135的B1 ，B2 ， B4 ， B8 的值， 即获得对应的万、 千、 百、 十、 个位的BCD码。

2.5 键盘显示接口电路

键盘显示接口电路是单片机系统中的主要人机接口之一 。考虑到本系统只用于简单显示质量数据，所以选用具有工作电压低、发光控制简单等特点的 7段共阴极LED显示块。采用CD4511对从P1.0~P1.3 送来的 BCD码进行译码后， 送到LED显示块 。 通过P1.4~P1.7经74LS138译码器进行位选， 采用动态显示方式。由于目前所需功能限制， 采用4个按键接入P0.0~P0.3， 通过对P0.0~P0.3 位查询的方法判断按键实现相应的功能 。

2.6 AT89C51与PC机通信接口

利用AT89C51 和 PC机的串行接口COM1或COM2 进行串口通信，将采集到的数据传送给PC机处理和保存。 采用 MAX232 芯片实现 TTL( 电平和 )RS232 电平的转换， 在串行通信前， 发送方和接收方要约定具体的数据格式和波特率 （通信协议）AT89C51与PC 机之间的通信协议是： 波特率 9600,8 个数据位， 1 个停止位， 无奇偶校验位 。

2.7 语音控制模块

本系统采用 ISD1420语音芯片， 它是新一代语音芯片， 具有高保真、 录音数据永久保存、 省电且易于同单片机接口等特点。它与单片机的 P2 口进行接口， 单片机 P1.7引脚接到 ISD1420 的 PLAYL 引脚进行启动， 外接功率放大器驱动喇叭工作 。

3 软件设计

系统的软件包括单片机软件和上位机软件， 单片机软件主要包括 5个模块： 主程序模块， 数据采集模块， 显示模块， 称重管理模块及串行通信模块 。

3.1单片机软件设计

1 ） 主程序模块 " 主程序模块主要完成编程芯片的初始化及按需要调用各模块。

2 ） 数据采集模块 " 该模块完成对数据的采集及处理， 采用中断方式读取 A/D转换数据 A/D。首先启动 A/D转换， 然后等待连续的 5 次中断， 将每次中断所对应的各位 BCD码读出， 之后存储在内部 RAM单元。

3 ） 显示模块。显示子程序是对 A/D 采集的数据进行显示， 从内部 RAM单元提取 BCD码进行显示 。

4 ） 串行通信模块。 该模块完成了串行口的初始化、 波特率和数据格式的设置， 并将采集的数据传给PC 机。

5） 称重管理模块。主要完成去皮、 调零、 累加、 打印等功能 。

3.2 上位机VB 软件设计

采用VB作为编程语言， 利用 VB的 MSCOMM控件与单片机进行通信。采集单片机的电压数据并转换为所需的质量值， 上位机界面注意风格良好、 简洁实用。其主要功能包括： 文件管理模块， 即数据文件保存、 数据文件打开、 图片文件保存等； 还有称重管理模块， 即去皮、 调零、 累加、 语音控制、 采样开始、停止等功能。辅助功能模块包括文件报表打印、 数据库和图形动态显示、 数据显示、 退出等功能 。 使用者可以根据所需功能进行增加或者删除 。 根据使用情况看， 该软件具有实用性强、 可操作性强及容错性强的特点。该软件可对初始误差进行调零， 大大抑制了零漂， 提高了精度 。 并可调用 MATLAB对数据进行分析， 对实验曲线进行曲线在线拟合， 修正曲线拟和系数， 减小测量误差。

4 测试结果分析

在该系统稳定运行状态下进行测试 。 测量范围为 0~2g， 其相对误差较小， 平均绝对误差可以达到1.535% ， 误差为 -1~4mg 该系统运行稳定， 极大地满足了测试要求 。

5 结 论

通过本电子称重系统的成功研制可以看出， 以单片机为核心的智能称重系统设计的实现， 提高了微小质量测量的智能化程度， 在测量精度、 灵敏度、 稳定性和性价比上有明显改善； 同时， 也提高了仪器设备的可操作性和可维护性 " 若将多台测试系统连成网络， 可为实现远程测量、 数据共享、 数据分析提供良好的实验平台， 因而具有很高的实用价值 。

参考文献：

［1］ 童诗白 " 模拟电子技术基础 ［M］ " 第 & 版 " 北京： 高等教育出版社，2002.78-79

［2］ 张靖 " 检测技术与系统设计 ［M］ " 北京： 中国电力出版社，2001.368-369

 

 

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