2 系统方案论证与硬件选型
2.1系统总体设计方案的比较与论证
在设计系统时，针对各个模块实现的功能来设计电子秤的方案有以下几种： 方案一 数码管显示。结构如图2.1所示：
图2.1 数码管显示方案
此方案利用数码管显示物体重量，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机。此设计的硬件部分简单，接口电路易于实现，并且在编程时大大减少程序量，在电路结构上只有简单的输出输入关系。缺点是：硬件部分简单，虽然可以实现电子称基本的称重功能，但是不能实现外部数据的输入，无法实时地设定各种控制参数。由于数码管只能实现简单的数字和英文字符的显示，不能显示汉字以及其他的复杂字符，不能达到显示购物清单的要求。又因为采用了具有模数转换功能的单片机，系统电路过于简单，系统硬件的扩展必受到限制，电子秤的功能过于单一，达不到设计的标准。
方案二 在前一种方案的基础上进行扩展，增加一键盘输入装置，增加外界对单片机内部的数据设定，使电子称实现称重计价的功能。结构简图如图2.2所示：
图2.2 带有键盘输入的结构简图
此方案设计的电子秤，可以实现称物计价功能，但是局限于数码管的功能，在显示
时只能显示单价、购物总额以及简单的货物代码等。在显示重量时，如果数码管没有足够的位数，那么称量物体重量的精度必受到限制，所以此方案需要较多的数码管接入电路中。这样在处理输入输出接口时需要另行扩展足够多的I/O接口供数码管使用，比较麻烦。
方案三 前端信号处理时，选用放大、信号转换等措施，尤其在显示方面采用具有字符图文显示功能的LCD显示器。这种方案不仅加强了人机交换的能力，而且满足设计要求，可以显示购物清单、所称量的物体信息等相关内容。结构简图如图2.3所示:
图2.3 LCD显示的方案
目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出被测物体的重量。单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点。但其缺点是外围电路比较复杂,编程复杂。使用这种方案会给系统设计带来一定的难度。
方案四 采用以现场可编程门阵列(FPGA)为控制核心，利用EDA软件编程，下载烧制实现。系统集成于一片Xilinx公司的SpartanⅡ系列XC2S100E芯片上，体积大大减小、逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点，可实现大规模和超大规模的集成电路。
采用FPGA测频测量精度高，测量频率范围大，而且编程灵活、调试方便，设计要求的精度较高，所以要求系统的稳定性要好，抗干扰能力要强。从下图中可以看到系统的基本工作流程和各单元电路所用到的核心器件。其中控制器采用Xilinx公司可编程器件FPGA为核心，基于ISE软件平台，采用VHDL编程实现数据处理、LED和LCD驱动、时钟芯片的I2C通讯、键盘控制等模块。结构简图如图2.4所示：
图2.4 电子称系统的组成结构图
FPGA的逻辑容量密度大，集成度高，可大大减少印刷电路板的空间，减低系统功耗，同时还可以提高设计的工艺性和产品的可靠性。
虽然以FPGA为核心的电子称系统很优化，但只有在大规模和超大规模集成电路中其高集成度才能更好得以体现。其主要在PC机接口卡的总线接口、程控交换机的信号处理与接口、雷达声纳系统的成像控制与数字处理、数控机床的测试系统等方面有广泛应用。鉴于本电子称的设计并不太复杂，单片机完全能实现所需功能，所以在具体设计时，采用了第三种设计方案。 2.2 硬件方案设计与论证 2.2.1 CPU的选择方案
本文基于以单片机为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。再则由于系统没有其它高标准的要求，又考虑到本设计中程序部分比较大，根据总体方案设计的分析，设计这样一个简单的的系统，可以选用带EPROM的单片机，由于应用程序不大，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展存储器，这样电路也可简化。INTEL公司的8051和8751都可使用，在这里选用ATMENL生产的AT89SXX系列单片机。AT89SXX系列与MCS-51相比有两大优势：第一，片内存储器采用闪速存储器，使程序写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路体积更小。此外价格低廉、性能比较稳定的MCPU，具有8K×8ROM、256×8RAM、2个16位定时计数器、4个8位I/O接口。这些配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求。
最后我们最终选择了AT89S52这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。AT89S52
内部带有8KB的程序存储器，基本上已经能够满足我们的需要。 2.2.2传感器的选择
传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。现代科技的快速发展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理，而传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知获取与检测信息的窗口；传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号。
称重传感器是力传感器当中一个重要的品种,实际应用及其广泛.称重传感器中最多的是电阻应变式称重,应变片是称重传感器的核心单元,弹性体是基础组成部分.称重传感器按结构类型分主要有S行双连孔式传感器,柱式传感器,轮辐式与桥式传感,柱环式传感器,剪切梁式传感器和单S梁式传感器.S行双连孔式传感器量程范围一般在2Kg到500Kg,这种类型称重传感器抗偏，抗侧能力较强。柱式传感器的测量范围都很大，一般最大可以达到几百吨，它刚性好，抗过载能力强，加工也简单，重量也比较轻。轮辐式传感器由于结构的对称性，所以能够承受大的侧向力，由于它有较大的滞后误差，很多场合都被桥式传感器所取代。桥式传感器的弹性体形状象桥，因此得得名。桥式传感器精度高，标定方便，普遍应用于汽车秤跟平台秤等多个场合。柱环式传感器由于本身的结构特性目前大多仅用于测量拉力，其精度一般在0.03到0.05之间。剪切梁式传感器运用剪切原理制作而成，精度跟稳定性都很高，一般都不需要要线性补偿都能达到要求。它不受测力点变化的影响。测量范围在几十千克的场合一般选用单S梁式传感器，它不适合在振动大的时候使用。
称重传感器在选用过程中一般要考虑以下问题：
(1)安装要求，有些场合就直适合某种特定的称重传感器。 (2)使用环境条件，如需密封、防爆等。
(3)传感器的精度等级。精度等级通常由弹性体结构决定，以及处理过程中是否有线性补偿。
(4)传感器的量程范围。估算被测物体的最大重量在多少，要想获得较准备的测量数值一般选择的量程是被测体最大重量的2到2.5倍。
(5)传感器使用过程受温度影响的特性和蠕变特性
经过查询资料对比，适合本设计的可以用L-PSIII型传感器，最大量程为20Kg，精度为0.01%，满量程时误差为0.002Kg；也可以采用SP20C-G501电阻应变式传感器,其最大量程为7.5 Kg，精度为0.05%，满量程时误差为0.01Kg。在称重0～2Kg的物体时，选用L-PSIII型传感器组成点称重电路，由于L-PSIII型传感器精度高，具有过载保护装置。在称重2Kg～10Kg的物体时，选用SP20C-G501电阻应变传感器组成的称重电路，由于SP20C-G501由组合式S型梁结构及金属箔式应变计构成，同样具有过载保护装置。考虑到惠斯登电桥具有诸如抑制温度变化的影响，抑制干扰，补偿方便等优点，两种电路中的传感器电路均采用惠斯登电桥设计，所以两种传感器在测量不同重量的物体时，均使得测量达到精度高、温度特性好、工作稳定等优势，广泛用于各种结构的动、静态测量及各种电子秤的一次仪表。SP20C-G501称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，其工作原理如图2.5所示：
图2.5 传感器工作原理图
其工作原理：用应变片测量时，将其粘贴在弹性体上。当弹性体受力变形时，应变片的的敏感栅也随之变形，其阻值发生相应的变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。由于内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由下式（2.1）给出：
Eout?R2?R4?△R1△R2△R3△R4????????Ein （2.1）
(R2?R4)?R1R2R3R4?2.2.3 放大电路的选择方案
方案一 利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。
普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于信号转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以，此种方案不宜采