称重仪的设计
[摘要] 本系统采用单片机 AT89C51 为控制核心，实现电子秤的基本控制功能。系统的硬件部分包括最小系统板，数据采集两大部分。最小系统部分主要是实现数码管显示及键盘控制，数据采集部分由称重仪模拟器、信号的前级处理（采用仪表放大器INA121）和 双积分A/D 转换部分组成。由于称重仪设计中电路的精度及抗工频干扰能力要求较高，故选用精度较高的仪表放大器INA121和抗工频干扰能力较强的双积分A/D转换器MC14433。
引言
称重仪是电子衡器的一种，电子衡器是自动化称重控制和贸易计量的重要手段,对加强企业管理、严
格生产、贸易结算、交通运输、港口计量和科学研究都起到了重要作用。电子衡器具有反应速度快、测量范围广、应用面广、结构简单、使用操作方便、信号远传便于计算机控制等特点，被广泛应用于煤炭、石油、化工、电力、轻工、冶金、矿山、交通运输、港口建筑机械制造和国防等各个领域。
在工业现场和环境中干扰源是各种各样的，如噪音干扰、工频干扰等，抗工频干扰能力成为衡量电子衡器性能的重要指标。为了具备这一性能，市场上的电子衡器的电路普遍较复杂，相对地，成本也较高。而本产品电路简单，成本低，抗工频干扰强，具有很好的推广价值。
1. 设计要求与系统设计方案
1.1设计要求
简述此次的设计要求如下：设计一称重仪，对模拟器输出的微弱信号（0~12mV）进行前级放大处理，再以较小的失真、误差来进行A/D转换，并要求具备较强的抗工频干扰能力。最后利用单片机AT89C51对数字信号进行处理，控制数码管显示等。要求浮动误差在0~2.00%之内，显示值与输入信号值比值在1.55~1.75之内。
1.2系统总体设计
输入信号送入前级放大器放大，再经过A/D转换器转换成BCD码，然后把BCD码送入单片机AT89C51
中进行处理，最后把数据送出数码管显示。
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输入信号 AT89C51 前级放大 数码管显示 A/D转换 键盘处理
图1-1 系统总体设计
2、各电路模块设计方案的选择
2.1 电源模块
放大模块与A/D转换模块需要正负电源，且要求电源具有稳定性。 方案一：采用 MC7812(正压)MC7912MC（负压）构成的的±12V稳压电源。但其不可调，不能满足所需要的正负5V电源的要求。
方案二：采用自制电源，可调式三端集成稳压器是输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的CW317系列（LM317）三端稳压器；有输出负电压的CW337系列（LM337）三端稳压器。自制电源输出电压的可调范围为Uo=-12~12V，满足要求。
2.2放大模块
由于压力传感器输出的电压信号为毫伏级，所以对运算放大器精度的要求很高。
方案一：高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放 ( 如 OP07) 做成一个差动放大器，如图2-1所示。
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图2-1 OP07构成的差动放大器
电阻 R1 、 R2 电容 C1 、 C2 、 C3 、 C4 用于滤除前级的噪声， C1 、 C2 为普通小电容，可以滤除高频干扰， C3 、 C4 为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。 但其电路复杂，需要的元器件多，成本较高。
方案二：选用仪表放大器INA121芯片。其内部结构图如图2-2所示：
图2-2 INA121内部结构图
INA121是Texes Instruments BB公司生产的FET输入、低功耗仪器放大电路，性能优越。前置放大电路的放大倍数设置为50。较小的前置放大倍数可以避免极化电压的影响。电压放大电路的放大倍数设置的较高（取为100~200倍），则可以保证总的放大倍数。
采用仪表放大器INA121构成的电路简单，元器件少，成本较低。
2.3 A/D转换模块
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方案一：采用8位A/D转换器ADC0809。ADC0809是逐次逼近式A/D转换期，双列直插式，最快的转换速度为100us，其引脚图如图2-3所示。
图2-3 ADC0809引脚图
它由8路模拟开关，8位A/D转换器，三态输出锁存器以及地址锁存器译码器等组成。但其抗工频干扰能力较弱。
方案二：采用双积分A/D转换器。双积分型 A/D转换器具有很强的抗工频干扰能力。对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50HZ的工频干扰抑制能力较强，对高于工频干扰（例如噪声电压）已有良好的滤波作用。只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。故而采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。
作为电子秤，系统对 AD的转换速度要求并不高，精度上11位的AD足以满足要求。另外双积分型A/D转换器较强的抗干扰能力，和精确的差分输入，低廉的价格。综合的分析其优点和缺点，我最终选择了MC14433。
2.4 控制模块
方案一：采用CPLD（复杂可编程逻辑电路）或FPGA（现场可编程门列阵）作为系统的控制器。CPLD具有丰富的可编程I/O引脚，、使用方便灵活，不但可实现常规的逻辑器件功能，还可实现复杂的时序逻辑功能，适合完成各种算法和组合逻辑，但是功耗要比较大 ,且集成度越高越明显。FPGA可作为实现各种复杂的逻辑功能，特别用于大电流、大电压场合的控制，规模大，密度高，它将所有的器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。但由于设计的是摆锤运动控制，FPGA的高速处理功能不能得到充分的体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时芯片的引脚多使实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计的实际焊接的工作，降低了PCB板的灵活性。
方案二：采用普通单片机控制，如8位的51单片机AT89C51。AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。
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AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
2.5 显示模块
显示模块主要用于重量的显示。 方案一：采用字符型液晶模块 JM1602C，JM1602C能显示基本的ASCⅡ码字符，采用CMOS工艺低功耗，内置KS0066驱动器，数据可直接传送，用并行输入输出形式，数据传送快，低延迟显示体现多样性，但是JM1602C的引脚电平为+5V，RAM的引脚电平为+3.3V，这样就要解决电压不匹配问题，灵活性降低。
方案二：采用七段LED数码管显示，LED能显示数字和一些基本的字母，简单易用，把它和74LS164（串入并出移位寄存器）相使用，大大减少了控制器的I/O口。
2.6 各个模块的最终方案
经过仔细的分析和比较、实际模拟和理论论证，决定了系统各模块的最终方案如下： （1）电源模块：采用自制可调式三端集成稳压电源； （2）放大模块：采用仪表放大器INA121；
（3）A/D转换模块：采用双积分A/D转换器MC14433； （4）控制模块：采用单片机AT89C51； （5）显示模块：采用七段LED数码管；
3. 系统硬件设计和实现
3.1 前级放大模块
仪表放大器INA121构成的放大器及滤波电路如图3-1所示：
图3-1 INA121构成的放大器
通过调节 R3的阻值来改变放大倍数。微弱信号V-和V+被分别放大后从INA121的第6脚输出。双积分A/D转换器MC14433的输入电压变化范围是-2V～+2V，称重仪模拟器的输出电压信号在0～12mv左右，因此放大器的放大倍数在100~200左右，可将 R3接成 1K的滑动变阻器，从而改变其放大倍数。
由于输入信号为直流电压，在INA121的输入管脚之前需接入滤波电路（图中的R1，R2，C1，C2，C3，C4电路）。
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