一种新型智能电子秤的设计

　　1　引言

　　随着科技的进步,对电子秤的要求也越来越高。影响其精度的因素主要有:机械结构、传感器和数显仪表。

　　在机械结构方面,因材料结构强度和刚度的限制,会使力的传递出现误差,而传感器输出特性存在非线性,加上信号放大、模数转换等环节存在的非线性,使得整个系统的非线性误差变得不容忽视,因此,在高精度的称重场合,迫切需要电子秤能在线自动校正系统的非线性。此外,为了保证准确、稳定地显示,仪器内部分辨率(主要是ADC的分辨率)一般要比外部显示分辨率高4倍以上,这就要求所采用的ADC具有足够的转换位数,而采用高精度的 ADC,自然增加了系统的成本。

　　基于电子秤的现状,本文提出了一种用单片机控制的高精度智能电子秤设计方案。通过实时地对系统的非线性进行补偿,使测量精度得到了大大提高,由于采用数字滤波技术,使稳态测量的稳定性和动态测量的跟随性都相当好,根据该方案设计的电子秤已成功地用于航空发动机推力(范围为0～ 150kN)的测试,并取得了令人满意的效果。

　　2　硬件结构及工作原理

　　硬件结构如图2-1所示,称重传感器输出信号(0～200mV)经放大和模数转换后,由单片机进行数据采集,然后通过软件完成非线性校正、数字滤波和归一运算等处理,最后将测量结果送LED显示器显示。

　　整个测量系统以单片机AT89C51为中心控制单元,AT89C51内含完整的多通道定时器/计数器和响应迅速的中断系统,并且具有4K字节的电可擦写程序存储器和接口方便的I/O口。设计提出的高分辨率V/F型模数转换和非线性校正都是在单片机控制下完成的。

　　2.1　V/F型模数转换

　　在本系统中,采用集成芯片VFC320实现模数转换,VF320为精密电压/频率转换器,当选择10kHz满度输出时(输入电压范围:0～10V),线性度可达0.005%。由于是频率输出,运用锁相倍频电路来提高分辨率,在设计中,倍频系数取20,因此锁相环电路输出的频率范围是0～200kHz。频率的测量由单片机的内部计数器T0完成,其计数闸门时间为0.25S,闸门脉冲由时基电路产生,并通过外中断INT0对计数器实施控制。T0为16位计数器,计数范围是0～65535,对于满度为200kHz的频率输入,在闸门时间内的计数值为50000,根据T0的计数值,经线性校正、数字滤波、归一运算后,便可得到测量结果。

　　对于单片机AT89C51,当时钟振荡频率为12MHz时,T0的最大输入频率为500kHz。如果在给定的闸门时间内计数脉冲数超过65535,可利用计数器T0的计数值和溢出(中断)次数来测量输入的频率,因此,此V/F型ADC可以达到很高的分辨率。

　　2.2　系统的非线性校正及实现