基于51单片机的称重仪系统设计

郑尚真 吴琦 王壮

（沈阳理工大学 辽宁沈阳 110159）

基于51单片机的称重仪系统设计

郑尚真 吴琦 王壮

（沈阳理工大学 辽宁沈阳 110159）

称重器是电子衡器的一种，在工业称重计量过程，电子衡器是自动化称重控制和贸易计量的重要手段。本设计是饲养场单体称重器是基于单片机的称重仪，它的硬件电路设计包括单片机最小系统、A/D转换器、称重传感器、LED显示电路、±5V稳压电源电路等几部分设计内容。电子秤产品的应用性能趋向上更综合性和组合性。

称重器；单片机；称重传感器；LED显示

0 前言

自古以来称重技术就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。但是随着自动化测试技术的发展，传统的称重系统在功能、精度、性价比等方面已难以满足人们的需要，尤其在智能化、便捷式、对微小质量的测量方面更显得力不从心。本系统采用AT89S51单片机作为核心控制器件，结合高灵敏度的电阻式应变式压力传感器和高精度的A/D转换器，来设计称重系统的总体结构。实现物体质量、控制及显示报告的电气化与智能化。

1 系统设计

根据系统的功能要求，系统由 4个部分组成：控制器部分、信号采集部分、数据显示部分、和电路电源部分，系统设计总体方案框图如图2-2所示。

图1 总系统体框图

信号采集部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电压信号，而后经调理电路处理后，送A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出。控制器部分接受来自A/D转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号，并将其存储到存储单元中。控制器还可以通过对扩展I/O的控制，对键盘进行扫描，而后通过键盘控制程序，对整个系统进行控制。数据显示部分根据需要实现显示功能。电路电源部分主要是为电路提供稳定方便的电源，将工频电压直接转换成所需的±5V电压。

2 称重传感器的基本工作原理

称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，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面公式给出：

(1)

电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。

由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。下面就这三方面简要论述。

1）电阻应变片

电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数 K。我们来介绍一下它的意义。设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作，这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：（Ω）

2) 弹性体

弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场，使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变电信号的转换任务。

3）检测电路

检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。

3 系统模块设计

该系统采用单片机作为主控制系统，主要目的在于称重之后的数字化显示和实现精确的测量，故系统应该具有单片机工作所需的稳定的+5V直流电源，又考虑到数字化显示所用到的数码管中会出现某段被损坏而不被点亮的情况，系统应该具有开机自检功能，就是开机后自动逐个扫描每一个晶体管，用来检查数码管各段是否完好，可以依靠软件编程实现。

整个硬件系统由四大模块组成，下面以控制系统结构为依据就针对各模块做具体的方案设计。

（1）主控制器模块方案选型

决赛分三个环节，分别是团队必答题、团队抢答题和团队风险题。经过一轮轮的比拼，最后东华大学夺得桂冠，荣获一等奖；上海海关学院、上海师范大学获得二等奖；上海交通大学、上海交通职业技术学院、上海第二工业大学获得三等奖，其他参赛队伍获得优秀奖。

根据本设计与主控制系统的功能要求，以及性价比的最大化这里选用51单片机。而且以单片机为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。

（3）称重传感器

首先这里传感器选用L-PSII-10型压力传感器，为双孔悬臂梁形式，是电子计价秤的专用产品。计算并确定转换系数(f)，转换系数(f)是表明每一个检定分度值(V)中有多少个示值单位，是用于把全部示值单位转换为“V”的，它是由初始公称试验温度20℃时，进程负荷试脸下试脸效据平均值确定的。计算参比示值，所谓“参比值”即“理论示值”。计算各试验点EL。各试验点误差与最后一列最大允许误差相比较。将计算结果与系统对传感器的要求做出比较，以确定选型是否成功。

（2）电源模块方案选型

为了使称重仪的供电方便，这里把电源设计成用220V的交流电经过变压器后输出±9的电压，经整流滤波电路后， 通过LM7805和LM7905进行DC/DC变换得到±5V供压力传感器器和系统的其他芯片使用。

（4）数据显示模块方案选型

本设计只需要显示出所称实物的实际重量，由于LED耗电省、使用寿命长、成本低、亮度高等优点，再加上驱动简单，容易利用单片机对其进行控制和编程等特点选用LED显示。

4 结语

本次设计的主要技术指标主要有以下四点：称重范围0～50KG、分度值0.01KG、精确度0.01KG、LED显示。其中在实现电路功能中主要存在的问题就似乎称重的分度值和精确度，涉及到信号调理、转换和放大等许多方面。其外观通过LED显示所有数据结果。

[1]苏凤,王选诚,陈政,杨海利.基于单片机的数字式称重仪设计[J].传感器世界,2015,12:21-25.

[2]苏清祖,江文根,单春贤,唐平.单片机在车辆行驶称重仪中的应用[J].江苏大学学报(自然科学版),2005,02:125-128.

[3]朱宁贺.装载机智能称重仪设计[D].西南交通大学,2008.

G322

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1007-6344（2016）10-0215-01

郑尚真（1995.09--）男，吉林省长春市人，本科学历，专业：测控技术与仪器。

吴琦（1995.04--）男，辽宁省沈阳市人，本科学历，专业: 测控技术与仪器。

王壮（1995.04--）男，辽宁省葫芦岛市人，本科学历，专业：机械设计制造及其自动化。