隨著自動化測量技術的不斷發展， 傳統的稱重係統在功能、 精度、 智能化、 性價比等方麵越來越難以滿足人們的需要， 尤其對一些微小質量的測量更顯得力不從心 。 為了實現高智能化的微小質量測量，筆者采用以單片機89C51為控製核心的高精度、 高靈敏度電阻應變片式稱重傳感器， 設計了稱重測量係統的總體結構及軟、 硬件， 從而實現了對微小質量的測量、 控製及顯示 。

1 係統總體方案

該係統采用應變片式傳感器進行測量， 得出模擬信號； 再進行放大和模數轉換， 然後送入單片機進行處理 & 根據需要實現顯示、 打印等功能， 或者對數據進行必要的處理後送交上位機， 由上位機對數據進行再處理， 滿足了生成報表、 存儲、 稱重管理、 誤差分析等功能 。

硬件電路模塊分為 A/D 接口模塊、 單片機接口模塊 （主機模塊） 、 人機聯係模塊 （ LED 顯示器接口） 、 通信接口模塊等幾個模塊 。 硬件模塊的連接方法是以主機模塊為核心， 通過地址總線、 數據總線、控製總線連接其他功能模塊。

軟件模塊又可分成監控程序 （包括初始化、 顯示管理、 中斷管理等） 、 中斷處理程序及各種測量和監控算法等功能模塊 。 軟件模塊的連接方法是通過監控程序調用各種功能模塊， 或采用中斷的方法實時地執行響應的服務模塊。

2 硬件設計

2.1 傳感器的選擇

要達到設計的性能要求， 傳感器的精度起著決定性作用。本係統選用應用於稱重係統 90% 以上的高精度電阻應變式傳感器。

該傳感器的工作原理為： 采用全橋式等臂電橋為基本線路， 用敏感元件—— 箔式電阻應變片作為橋臂並粘貼在金屬懸臂梁的彈性表麵上。 當外力對彈性體 （彈性元件， 敏感梁） 作用時， 電橋相對橋臂的電阻應變片 （轉換元件） 受到拉伸或壓縮。 應變片變形後， 它的阻值將發生變化 （增大或減小） ， 從而使電橋失去平衡， 產生相應的差動信號， 供後續電路測量和處理。

2.2 模擬輸入通路接口

因稱重傳感器轉換後的電壓信號是幅度很小的微伏級信號， 很難直接進行模擬轉換， 因此需要對該模擬信號進行放大處理。 然而，通用運算放大器一般具有毫伏級的失調電壓和每度數微伏的溫度漂移， 顯然不能用於放大微弱信號。

本係統選用集成運放 OP07構成三運放同相輸入並串聯差動放大器電路， 以滿足測量精度的要求 。

    該放大電路具有較強的抑製共模信號的能力， 能將差模信號放大到足夠大的倍數， 且可以提高靈敏度， 減小非線性 。差模放大倍數數值愈大， 共模抑製比愈高。 當輸入信號中含有共模噪聲時， 也將被抑製［1］。

式中 uId為差模電壓輸入信號。該電路實現雙端輸入， 雙端輸出， 通過調節可調電阻Rp1 可以調節放大倍數。A3( 構成電壓跟隨器， 通過調整輸入端電位器 Rp2， 以調整 A3 ( 輸出， 再與 A2 輸出相加， 使傳感器壓力為零時， 電路輸出電壓也為零， 即對電路調零［2］。 該電路實現簡單， 能實現較大放大倍數的放大 。 根據需要將傳感器電壓變化0.1mV/g， 放大 10000倍後為 1V/g ， 滿足ICL7135的電壓輸入要求， 無須進一步轉換。

2.3 單片機功能簡介

本係統采用AT89C51單片機， 實現質量數據采樣、 串口通訊、LED顯示、 按鍵處理等功能。

2.4模數轉換接口電路

A/D轉換器位數的確定與整個測量控製係統所需測量的範圍和精度有關， 本係統選擇高精度 4 位半 CMOS雙積分型 A/D轉換器 ICL7135。其輸出電壓為 -2~+2V， 輸出的數字信號是 BCD碼， 無須單片機進一步轉換。ICL7135精度高， 有較強的抗幹擾能力， 具有精確的差分輸入， 輸入阻抗高， 可自動調零， 全部輸出與 TTL電平兼容， 且價格低廉 。利用單片機的P3.4接到ICL7135的啟動腳 R/H， 可以啟動和停止 A/D轉換。將ICL7135的 ST 接到單片機外部中斷引腳 P3.3，通過P0.4~P0.7讀取啟動 A/D後後， 連續 5次中斷時， 每次中斷對應ICL7135的B1 ，B2 ， B4 ， B8 的值， 即獲得對應的萬、 千、 百、 十、 個位的BCD碼。

2.5 鍵盤顯示接口電路

鍵盤顯示接口電路是單片機係統中的主要人機接口之一 。考慮到本係統隻用於簡單顯示質量數據，所以選用具有工作電壓低、發光控製簡單等特點的 7段共陰極LED顯示塊。采用CD4511對從P1.0~P1.3 送來的 BCD碼進行譯碼後， 送到LED顯示塊 。 通過P1.4~P1.7經74LS138譯碼器進行位選， 采用動態顯示方式。由於目前所需功能限製， 采用4個按鍵接入P0.0~P0.3， 通過對P0.0~P0.3 位查詢的方法判斷按鍵實現相應的功能 。

2.6 AT89C51與PC機通信接口

利用AT89C51 和 PC機的串行接口COM1或COM2 進行串口通信，將采集到的數據傳送給PC機處理和保存。 采用 MAX232 芯片實現 TTL( 電平和 )RS232 電平的轉換， 在串行通信前， 發送方和接收方要約定具體的數據格式和波特率 （通信協議）AT89C51與PC 機之間的通信協議是： 波特率 9600,8 個數據位， 1 個停止位， 無奇偶校驗位 。

2.7 語音控製模塊

本係統采用 ISD1420語音芯片， 它是新一代語音芯片， 具有高保真、 錄音數據永久保存、 省電且易於同單片機接口等特點。它與單片機的 P2 口進行接口， 單片機 P1.7引腳接到 ISD1420 的 PLAYL 引腳進行啟動， 外接功率放大器驅動喇叭工作 。

3 軟件設計

係統的軟件包括單片機軟件和上位機軟件， 單片機軟件主要包括 5個模塊： 主程序模塊， 數據采集模塊， 顯示模塊， 稱重管理模塊及串行通信模塊 。

3.1單片機軟件設計

1 ） 主程序模塊 " 主程序模塊主要完成編程芯片的初始化及按需要調用各模塊。

2 ） 數據采集模塊 " 該模塊完成對數據的采集及處理， 采用中斷方式讀取 A/D轉換數據 A/D。首先啟動 A/D轉換， 然後等待連續的 5 次中斷， 將每次中斷所對應的各位 BCD碼讀出， 之後存儲在內部 RAM單元。

3 ） 顯示模塊。顯示子程序是對 A/D 采集的數據進行顯示， 從內部 RAM單元提取 BCD碼進行顯示 。

4 ） 串行通信模塊。 該模塊完成了串行口的初始化、 波特率和數據格式的設置， 並將采集的數據傳給PC 機。

5） 稱重管理模塊。主要完成去皮、 調零、 累加、 打印等功能 。

3.2 上位機VB 軟件設計

采用VB作為編程語言， 利用 VB的 MSCOMM控件與單片機進行通信。采集單片機的電壓數據並轉換為所需的質量值， 上位機界麵注意風格良好、 簡潔實用。其主要功能包括： 文件管理模塊， 即數據文件保存、 數據文件打開、 圖片文件保存等； 還有稱重管理模塊， 即去皮、 調零、 累加、 語音控製、 采樣開始、停止等功能。輔助功能模塊包括文件報表打印、 數據庫和圖形動態顯示、 數據顯示、 退出等功能 。 使用者可以根據所需功能進行增加或者刪除 。 根據使用情況看， 該軟件具有實用性強、 可操作性強及容錯性強的特點。該軟件可對初始誤差進行調零， 大大抑製了零漂， 提高了精度 。 並可調用 MATLAB對數據進行分析， 對實驗曲線進行曲線在線擬合， 修正曲線擬和係數， 減小測量誤差。

4 測試結果分析

在該係統穩定運行狀態下進行測試 。 測量範圍為 0~2g， 其相對誤差較小， 平均絕對誤差可以達到1.535% ， 誤差為 -1~4mg 該係統運行穩定， 極大地滿足了測試要求 。

5 結 論

通過本電子稱重係統的成功研製可以看出， 以單片機為核心的智能稱重係統設計的實現， 提高了微小質量測量的智能化程度， 在測量精度、 靈敏度、 穩定性和性價比上有明顯改善； 同時， 也提高了儀器設備的可操作性和可維護性 " 若將多台測試係統連成網絡， 可為實現遠程測量、 數據共享、 數據分析提供良好的實驗平台， 因而具有很高的實用價值 。

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