新型便携式电子秤设计

新型便携式电子秤设计

张海霞　滕召胜　易　霞　孙传奇

(湖南大学电气与信息工程学院,长沙410082)

摘　要　本文研究了一种利用变极距电容式传感器实现质量-电量转换、以PIC16F877单片机为信息处理核心的便携式电子秤,论述了仪器的测量原理,介绍了减少变极距电容式传感器质量称量误差的自校准方法,给出了仪器原理框图、单片机单元硬件电路和仪器程序流程图。

关键词　电子秤;变极距电容式称重传感器;自校准;PIC16F877单片机

0　引言

目前,台式电子秤在商业销售中的使用已相当普遍,但存在较大的局限性:体积大,成本高,需要工频交流电源供电,不能随身携带,商贩更改不易发现,应用前景受到制约。现有的便携秤为杆秤和弹簧秤,计量误差较大,属国家明令淘汰产品。多年来人们一直期待测量准确、携带方便、价格低廉的便携式电子秤(袖珍电子秤)投放市场。为此,本文研究了一种利用变极距电容式传感器实现质量-电量转换、以低功耗单片机PIC16F877为信息处理核心的便携式电子秤。这种新型电子秤体积小,计量准确,快速方便,集质量称量功能与价格计算功能于一体,可以满足贸易商贩和家庭使用需要。仪器的最大称量为15kg,分度值10g,精度等级Ⅲ级,采用电池供电,具有自检、去皮、计价、累计、单价设定、自动休眠、中文提示等智能功能。

112　仪器的测量原理

本文研究的便携式电子秤采用变极距电容式传感器,它的电容量很小,仅几十至几百皮法。仪器设计中,将调理电路紧靠传感器的极板,尽量减小信号线分布电容的影响,并利用单片机对电容式传感器的温度特性和非线性特性进行了补偿。

变极距电容式传感器由一对距离可变的平行极板构成,其一固定,其二为活动板,两板以弹性元件相连。称量时,被测试样向活动板施加拉力,两极板距离发生变化,平板电容器的电容量发生相应变化。此时,活动板的位移与被测试样的质量成正比:

Δd=aΔm(1)式中:a为质量与两极板距离的转换系数;Δm为被测试样的质量。

由于两极板的面积很大,而它们之间的距离很小,所以两极板构成的电容只与极距有关,可以忽略极板的边缘效应。两极板间的电容量为:C=ε・S/d积;d为极板间的距离。

质量称量时,电容极板间距的变化将导致电容量的变化量。但电容的直接测量非常困难。因此,系统将不易测量的电容变化量转换成易于测量的频率信号的变化量,并采用高稳定参考电容生成参考频率信号,消除系统误差,实现高精度测量。电容—频率转换框图如图2所示。两路频率分别送入后级处理电路,经数据选择传入单片机系统。113　仪器的自校准

图1　仪器结构框图

1　仪器的构成与测量原理

111　仪器的构成

(2)

式中:ε为极板间介质的介电常数;S为极板的面

便携式电子秤硬件系统由变极距电容式传感

器、高稳定参考电容、定时器、模拟开关、单片机系统、键盘、LCD显示器等组成。电源为1节115V(AA)电池,经DC-DC电源变换后成为各电路单元稳定的5V供电电压。仪器结构框图如图1所示。

电容传感器可以利用参考电容进行测量补

计量技术20051No9・　6・

　测量与设备　

Cx=

TxC+Trefref

Tx-1E0Tref

(6)

实际在测量系统中使用的计算公式为

Cx=Tx/TrefCref

图2　电容—频率转换框图

(7)

根据式(7)计算Cx的相对误差为

γs=

E0Tx-1CxTref(8)

偿[1]。仪器选用包含2个555定时器的ICM7556定时器、PIC16F877单片机和自校准技术的测量电路。若传感器电容为Cx,高稳定参考电容为Cref(固定、已知),电容控制振荡器的主体由ICM7556构成,可将电容量转换成脉冲频率信号,PIC16F877单片机控制模拟开关MAX325,用来切换测量通道(fx,fc)。通过对脉冲的测量实现高精度传感器电若不用上述参考电容法,而直接由555输出值测量Cx,则相对误差为γ′s=KE0KE0E0=≈TxK(Cx+E0)Cx

(9)

可见,采用参考电容后,测量相对误差降为直接

测量法的(Tx/Tref-1)倍。参电容Cref越接近被测电容Cx,相对误差越小。而且,由于非线性关系、环境温度变化、电阻值变化、555端电容影响等因素引起的系统误差也可消除。

容量的测量,单片机由已存的拟合曲线数学模型和测得的频率信息,计算出被测试样的质量。测量运算结果传送至LCD显示。

由ICM7556和外接电阻R5、R6及参考电容

Cref,电容式传感器Cx,构成如图3所示的电容控制

2　硬件电路设计

硬件电路主要由传感器、电容频率转换电路和

单片机系统等组成。根据低功耗和低成本的设计要求,仪器选用PIC16F877单片机,运行速度快,功耗低,体积小,工作电压低,可直接驱动液晶显示器[3,4]。PIC16F877的输入端口有跳变中断能力,能方便接收按键输入;另有多级外部及内部中断,可通过程序禁止主晶振振荡而使单片机进入低功耗状态,非常适合以电池作能源、需液晶驱动的应用场合。

单片机系统完成键盘输入检测、采样通道选择、信号分析处理、液晶显示、欠压提示和过载报警等多

振荡器,输出脉冲的周期T为

T=ln2・RC

(3)

图3　电容控制振荡器

设K=ln2・R,则T=KC。当切换测量通道(fx,

fc)时,R分别是R5、R6。RET1、RET2分别与PIC16F877的RB1、RB2连接,利用RB口电平变化

触发振荡器,实现电容到频率的转换。

当C<100pF时,振荡器输出脉冲周期T与C之间有一定的非线性,T会受到555端电容的影响[2]。设仪器的误差源为E0,则当模拟开关分别接至参考电容和传感器电容时,555输出脉冲的周期分别为

(4)Tref=K(Cref+E0)

Tx=K(Cx+E0)

(5)

种智能功能,电路如图4所示。PIC16F877的RB3

引脚与精密单电源模拟开关MAX325两控制端(IN1、IN2)连接,控制两路频率信号输入通道的选择。以MAX1676直流升压转换芯片为核心构成提供5V直流信号的电源电路MAX1676具有电池欠压监测功能,在电池电压低于1V时,产生报警显示。低电压检测信号通过PIC16F877的INT输入,低压时产生外部中断。键盘检测信号与RB4～RB6相连,有键按下就产生RB口电平变换中断,在中断服务程序中扫描键盘取得键值。

仪器的键盘输入电路使用3×5矩阵键盘和1个扳键开关。扳键开关用于控制系统电源的通断。矩阵键盘完成数字输入和功能的选择。LCD显示器采用长沙太阳人电子有限公司生产的电子秤专用

・　7・

由式(4)和式(5)得

计量技术20051No9　测量与设备　

图4　单片机系统电路

显示芯片SMS0501C。LCD显示器电路完成质量、单价和金额的显示。

系统中按键组合成键盘后排列成3×5矩阵形式,采用RB口中断的方式检测键盘中有无按键。

对各列线都置低电平(全扫描),若有键按下,则会产生中断。进入中断程序后,通过逐列送低电平(逐列扫描),查看各行线电平值来鉴别被按下的键,返回键值。键盘检测中断服务程序流程图如图6所示。系统传感器单元含有两个电容—频率转换电路,两个电路输出信号的获取均通过单片机PIC16F877的计数器1实现。利用定时器0的定时中断功能,每隔011s切换一次振荡工作电路及模拟开关MAX325通道。定时器0中断服务程序流程图如图7所示。

计量技术20051No93　软件设计

软件设计采用模块化结构,主要有校正模块、欠压提示模块、键盘管理模块、采样通道切换模块和数据处理模块。

系统上电后,对系统进行初始化。初始化程序主要完成对单片机内专用寄存器的设定,单片机工作方式及各端口的工作状态的规定。系统初始化之后,进行计数器读取、零点校正、过载检测等工作。主程序流程图如图5所示。

・　8・

　测量与设备　

Flag10为欠电标志位;Flag16为功能切

Flag11为单价键按下标志位;mass为质量显示寄存区;

mun为键盘信息寄存区;lcd为显示数据寄有区;

sleep为系统不工作时间定时寄存器

换键标志位;count为采样次数计数寄存器图7　定时器0中断服务程序流程图

图5　系统主程序流程图

4　结束语

本文设计的电子秤结构简单、操作方便、轻巧实

用、便于携带,具有自检、去皮、计价、累计、中文液晶显示、自动休眠、过载报警和欠压提示等多种智能功能,且准确性高、重复性好,应用前景十分广阔。

参考文献

[1]EugeneV1Sypin,EvgeniyS1Povemov,AlexandreV1Terentiev,

GennadiyV1Leonov1TheElectronicScales[J]1ElectronDevicesandMaterials,2003(4):199-201

[2]X1Li,G1C11M11Meijer1EliminationofShuntingConductanceEf2

fectsinaLow2CostCapacitiveSensorInterface[J]1IEEETrans1Instrum1Meas1,2000,49(3):531-534

[3]窦振中1PIC系列单片机原理和程序设计[M]1北京:北京航空

航天大学出版社,1999

[4]MicrochipTechnologyInc1PIC16F62XDataSheetFLASH2Based8

-BitCMOSMicrocontroller[EB/OL]1www1MicrochipInc12003-01-20/2004-03-10

图6　键盘中断服务程序流程图

计量技术20051No9・　9・