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    电子秤与智能仪器的设计

    作者:程经理     发布时间:2016-05-14

      电子秤与智能仪器的设计

      从器件选择、硬件设计和软件设计的角度介绍了电子秤的设计过程,并给出了设计结果;以此为例阐述了智能仪器设计的总体思路和方法。电子秤是利用称重传感器作为变换元件,把被称物体的重量按一定的比例关系转换成与其相应的电信号,用电子仪表进行测量和显示的装置。

      根据要求的技术指标和功能,电子秤的总体设计方案如图1所示。电子秤的组成包括承重和传力机械系统、称重传感器、二次仪表、微处理器、激励电源等部分。被测重量由称重传感器感应后,其阻值发生变化,经电桥电路、放大电路、A/D转换器进入CPU,经处理后显示;此外,还可以通过通讯接口与外部进行数据通讯。

      下面以0.05%精度电子秤的设计过程为例,介绍智能仪器设计的一般方法和步骤。

      1 电子秤的误差分析与器件选型

      传感器、前置放大器和A/D转换器是决定智能仪器准确度的关键部件,它们的选择需要根据给定的精度指标利用误差分配与合成原理通过分析计算来确定。

      1.1 电子秤的误差分析

      用于静态称重的电子秤,其主要的误差来源有:称重传感器、传感器输出信号的处理系统(包括前置放大器、A/D转换器)和机械承重系统等。对于电子秤来讲,机械承重系统的误差、电源波动引入的误差以及称重传感器与测量线路之间引线带来的误差等(用σJΣ表示)不易定量计算,这些误差只能通过合理的设计安装来削弱,并在误差分配时给予一定的冗余量来保证。

      1.2 误差分配

      传感器误差一般为总误差的70%,前置放大器和A/D转换器等部分的误差总和为总误差的30%。因此,由设计要求的电子秤精度σG=0.05%可以计算出称重传感器的误差σS≤0.05%×70%=0.035%,前置放大器和A/D转换器的误差总和σAΣ≤0.05%×30%=0.015%。

      具体选择如下:考虑小称量的秤,称重传感器选用上海佳华冶金仪表实业有限公司生产的HLL-2型商用悬臂梁式传感器,其精度等级σS=0.03%;前置放大器选用仪用放大器AD524,其精度等级σA1==0.003%;A/D转换器选用16位的ADC,其精度σA2=1/216=0.0016%。可见:σS=0.03%<0.035%;

      σAΣ== =0.0034%<0.015%,满足误差分配的要求,且有较大的精度冗余。

      1.3 误差合成验证

      与0.05%相比,有一定的冗余,故可以承担起对机械承重系统、电源波动以及称重传感器与测量线路引线等误差σJΣ的补偿。

      2 硬件设计

      智能测量系统及仪器的硬件设计的基本步骤是:

      (1)选择传感器和CPU;(2)设计接口电路;(3)制作印制板;(4)根据调试中发现的问题重复(2)或(1)。电子秤的硬件设计也如此进行。

      2.1 选择传感器和CPU

      称重传感器选用HLL-2型商用悬臂梁式传感器,其精度等级0.03%。

      采用微处理器可以使电子秤的功能和称量精度显著提高,满足各方面的要求。微处理器选用可靠性高的MCS-51系列的单片机87C51。87C51带有4KEPROM,写入或改写程序方便,适于电子秤的研制。批量生产时,可用价格最低的8031单片机。

      2.2 接口电路的设计

      2.2.1 称重传感器接口电路的设计

      (1)供电电源

      将220V交流电经变压、整流滤波,再通过集成稳压器来获得所需的+12V供桥电压。

      (2)前置放大器

      选择仪用放大器AD524,其精度等级0.003%。放大倍数1、10、100、1000,且可编程调节增益。因称重传感器输出约为18mV,故放大器的增益设计为100。

      (3) A/D转换器

      根据误差分配,选16位的A/D转换器ADC1143。其转换时间为100μs,非线性误差≤0.01%。

      2.2.2 键盘和LED显示器的接口电路

      选用8279可编程键盘/显示器接口芯片,连接16位LED显示器和16键(包括数字键和功能键)键盘。根据上述设计,电子秤的硬件原理图如图2所示。考虑测量的灵敏度、精度和稳定性等指标,传感器的4片特性相同的电阻应变片对称地粘贴在弹性梁上,将其接成全桥四臂工作方式,由直流稳压电源供电,构成测量电路。电桥输出电压经AD524放大,送入A/D转换器。ADC1143片内可提供时钟发生器和低噪声基准电压源,但无三态门,故输出端应加接缓冲电路。ADC1143输出的16位数据经2片缓冲器74LS244与87C51的数据线相接,并通过P2.5和P2.6分别选通高位和低位缓冲器,读取高、低8位数据。启动命令由P1.0输出,延时100μs后输出转换结果。P1.1驱动共射放大电路,利用扬声器进行声响报警。单片机87C51与8279之间通过P0口进行信息交换,由74LS373锁存。8279的RL0~7与16线译码器74LS154的两根输出线构成2×8的键盘。8279经译码/驱动器BIC8706、BIC8708驱动16位LED显示器进行显示。

      3 软件设计

      电子秤软件设计的总体思想是:根据预先编制的程序对测量进行控制,完成自校准、自动调零、自选量程、自动逻辑判断、自动存取并更改调节值以及自动完成重量的测试;搜集和处理测得的数据,根据误差理论进行误差计算,求出传感器的非线性误差,并对测试结果进行修正;通过对重量的测试,按各种参数之间的关系,经计算后自动求出一系列有关的未知参数,如重量、单价、总价和累计价等。

      监控软件采用模块技术设计。根据系统功能,将软件划分为若干个功能相对独立的模块,为每一个模块设计程序流程图。软件程序包括主程序、中断服务程序、自检程序、键盘分析程序、重量值采样处理程序、传感器非线性校正程序、温度误差补偿程序、自动量程转换程序、自动调零程序、自动去皮重程序等。

      主程序和数据采集处理子程序的结构分别如图3、图4所示。

      在主程序中,对系统初始化,调用数据采集处理子程序来清零(去零点)、数据采集处理,并将数字量量化成重量值进行显示。在数据采集处理子程序中,完成自动量程转换、采集数据并进行平均滤波、温度误差修正等系统的大部分工作。

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