电子秤与智能仪器的设计

　　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。