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一、引言
電子衡器有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)，如顯示讀數(shù)快、清晰、抗干擾性好、精確、不易產(chǎn)生計(jì)數(shù)誤差等等。微機(jī)控制的電子衡器，更擴(kuò)充了秤的功能，如去皮重、打印、累計(jì)、計(jì)數(shù)、搖測等。專用稱重儀表，可以設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的終端，因而在現(xiàn)代化生產(chǎn)和管理中，電子衡器是不可缺少的計(jì)量手段?，F(xiàn)在國內(nèi)電子衡器發(fā)展迅速，在分析一些電子衡器基礎(chǔ)上，用上一些如OP07、ICL7135、A/D轉(zhuǎn)換器和8039單片機(jī)等，開發(fā)出一臺通用稱重儀表，并用于100kg臺秤和改造一臺30t的汽車衡。儀表按照III級秤標(biāo)準(zhǔn)，功能有去皮、累計(jì)和打印等。
二、系統(tǒng)工作原理與組成

儀表原理框圖如圖1所示。

電阻應(yīng)變式穩(wěn)重傳感器把重量轉(zhuǎn)換相應(yīng)的電壓信號，經(jīng)高性能測量放大器放大后，由A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135轉(zhuǎn)換成BCD碼。每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，產(chǎn)生中斷請求信號，8039單片機(jī)在中斷服務(wù)程序中輸入數(shù)據(jù)。在主程序中，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的大小，判斷是空秤（零點(diǎn)）還是稱重。開機(jī)后，當(dāng)程序檢測到零點(diǎn)已穩(wěn)定后，顯示器顯示全零符號，并可以稱重。稱重的計(jì)算公式為：
G=K1N1-K0N0
式中：N1—有稱重物時(shí)，微機(jī)輸入的BCD數(shù)；
N0—零點(diǎn)的BCD數(shù)；
K0、K1—當(dāng)量值，表示每一個(gè)BCD

數(shù)代表的重量值。
由于稱重傳感器受力與輸出電壓呈非線性關(guān)系，K0與K1在不同受力條件下，其值不同。使用時(shí)，我們用的標(biāo)準(zhǔn)砝碼實(shí)測傳感器的輸出特性，用折線代替曲線，每5kg為一個(gè)校正點(diǎn)（限于量程為100kg臺秤）把測得的一組K值以數(shù)據(jù)表格形式，固化在EPROM中，以供程序作非線性處理時(shí)自動查找。微機(jī)把重量計(jì)算結(jié)果，送顯示器顯示，同時(shí)可以鍵入打印命令，打印稱量結(jié)果。如果稱量值G小于0.5d，則顯示器仍顯示零，并把此值視作零點(diǎn)值處理。儀表采用零點(diǎn)自動跟蹤的方法，以克服硬件引起的零點(diǎn)漂移。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

稱重儀表微機(jī)系統(tǒng)由8039單片機(jī)、程序存貯器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、測量放大器、顯示器、鍵盤、打印接口電路組成。
顯示部分包括±號共6位，四位顯示重量值，累計(jì)顯示可用五位。顯示器用CL002BCD碼顯示器。內(nèi)部有鎖存功能，用外部存貯器訪問指令MOVX@Ro，A完成送數(shù)。一片8D鎖存器74LS273用來控制應(yīng)顯示的位。T1腳輸出2MHz時(shí)鐘，經(jīng)74LS938分頻后，用作ICL7135A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘。

三、模擬部分設(shè)計(jì)
模擬部分是保證電子衡器精度指標(biāo)的重要部分，因此必須精心設(shè)計(jì)和裝配，才能達(dá)到預(yù)定的精度指標(biāo)，并應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡單可靠，成本降低。
（一）儀表誤差估算和分配
為使電子衡有0.05%的精度，必須對各部件的誤差作出估算和合理分配，以此作為各部件的設(shè)計(jì)和選購的依據(jù)。由儀表原理框圖可見，儀表測量誤差主要來自于稱重傳感器、測量放大器和A/D轉(zhuǎn)換器等三個(gè)方面。
（1）稱重傳感器
傳感器是外購整件。稱重傳感器是綜合精度，表現(xiàn)在非線性、滯后、重復(fù)性和溫度補(bǔ)償?shù)?。由于使用微機(jī)作數(shù)據(jù)處理，非線性可以校正到所需精度范圍之內(nèi)，溫度影響也可得到一定補(bǔ)償。數(shù)據(jù)滯后尚未找到合適的解決方法。經(jīng)微機(jī)處理后，稱重傳感器綜合精度可達(dá)到0.05%~0.03%。系統(tǒng)選用0.04%精度。
（2）A/D轉(zhuǎn)換器
稱重傳感器引起的誤差ε1是系統(tǒng)誤差的主要部分。假設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器引起的誤差為ε2，測量放大器引起的誤差為ε3，則綜合誤差為：

故選用ICL7135。這是雙積分型精密1/2位A/D轉(zhuǎn)換集成電路，抗共模干擾能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)換數(shù)字范圍為-19999~+20000，分辨率為1/40000，精度不低于0.015%，滿足要求。
（3）測量放大器
測量放大器精度主要是增益精度和輸出漂移，它們都會使讀數(shù)直接產(chǎn)生誤差。增益精度比較容易保證。根據(jù)運(yùn)算放大器理論，如果開環(huán)增益足夠高，反饋放大器的增益將由反饋電阻和輸入電阻決定。如開環(huán)增益大于106，電阻選用精度為0.05%精密電阻，增益精度達(dá)0.01%并不困難。輸出漂移的控制，一方面要選用低漂移運(yùn)放，其次要設(shè)計(jì)放大電路，盡可能抑制漂移。但微機(jī)控制的稱重儀表，有獨(dú)特的工作方式，由于稱重操作的間斷性，儀表只要求在稱量期間保證漂移量不超過的允差即可，被稱物在秤的臺面上最長時(shí)間不應(yīng)超過20min。在空秤期間，微機(jī)自動跟蹤零點(diǎn)，零點(diǎn)在機(jī)內(nèi)是浮動的，漂移量被淹沒，而不會被積累，這就降低系統(tǒng)對硬件漂移的要求。
（二）低漂移測量放大器的設(shè)計(jì)
根據(jù)上述分析，可定出測量放大器的技術(shù)指標(biāo)（限于量程為100kg臺秤）：
（a）增益K=91
（b）增益誤差≤0.01%
（c）折合到輸入端的溫漂≤0.8μV/℃
（d）最大輸出電壓2V
（e）共模抑制比≥20db
增益的確定是根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器滿量程輸入電壓2000mV與傳感器滿量程輸出22mV之比求得。而漂移量的確定，則是根據(jù)秤的靈敏度而定。否則將會使開機(jī)預(yù)熱時(shí)間過長，以及承重20min保持讀數(shù)準(zhǔn)確難以達(dá)到。
（1）放大電路的選擇
根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，測量放大器必須為低漂移、低噪聲、高增益精度和高抗干擾能力，符合要求的橋路放大器，目前流行的測量放大器如圖3所示。其中，A1、A2、A3為低漂移運(yùn)放。第一級是由A1和A2組成雙端輸入、雙端輸出差動放大電路。由于都接成同相端輸入信號，因而有較高的輸入阻抗。電路的對稱結(jié)構(gòu)，使A1、A2輸出端的共模電壓和漂移電壓對稱，并在第二級A3所組成的差動放大電路得以抵消，故該電路有較高的共模抑制能力和較低的漂移。第一級放大電路嚴(yán)格對稱，可把R0的中點(diǎn)視作接地點(diǎn)，根據(jù)運(yùn)算放大器工作原理，可推算出該級差動輸入信號的增益為（1+2RF/R0），改變R0的值，即可以改變該級的增益，而不影響電路的對稱性和對共模信號的抑制能力，這是該種放大器的優(yōu)點(diǎn)。第二級放大器的增益通常設(shè)計(jì)為1，并且四只R1要求嚴(yán)格匹配，這樣可使該電路有較高的共模抑制能力和低漂移。

（2）測量放大器的參數(shù)計(jì)算

1）運(yùn)算放大器的選擇
測量放大器要求A1、A2、A3都為低漂移、低噪聲運(yùn)放，才能滿足整個(gè)電路的技術(shù)指標(biāo)，故選用5GOP07D，主要性能參數(shù)：輸入失調(diào)電壓Vos為60μV；輸入失調(diào)電流Ios為0.8nA；溫度漂移TCVos為0.7μV/℃；共模抑制比CMRR為126db。以上參數(shù)指標(biāo)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。
2）確定RF、R0的值
根據(jù)測量放大器增益公式，寫出：
1+2RF/R0=91
RF=45R0
為使放大器兩個(gè)輸入端偏置電流盡量平衡，應(yīng)使輸入回路中的電阻與R0//2RF相等。橋路電阻約為350Ω?？紤]到OP07偏置電流IB僅為±2nA，以及不同量程的電子衡，需改變R0的值調(diào)節(jié)增益，故選RF=20kΩ，R0=440Ω。二只RF必須嚴(yán)格匹配，精度選用0.05%，并經(jīng)精密電橋測試，挑選配對使用。R0選用0.1%的精度。為抑制串態(tài)干擾，放大器的輸入、輸出端需接濾波電容，電容也要選用高精度、高穩(wěn)定性元件。
3）為抑制共態(tài)干擾和簡化結(jié)構(gòu)采取的措施
本儀表測量電橋用±5V供電，使放大器的輸入端工作占電位接近零電位，因而由電源引入的共模信號大大減少，測量電橋供電電源只需用普通三端穩(wěn)壓器供電即可，而不需要用高精度的電橋電源。設(shè)計(jì)的另一個(gè)特點(diǎn)：省去了一只價(jià)格高低漂移運(yùn)放A2，把A1、A2差動輸出通過二只R1電阻直接耦合到ICL7135輸入端。這是因?yàn)镮CL7135允許差動輸入，并有較好的對稱性。經(jīng)以上設(shè)計(jì)，整個(gè)模擬電路如圖4所示。經(jīng)測試，在ICL7135輸出端接數(shù)碼管顯示，放大器輸入端接傳感器，在環(huán)境溫度較高的情況下，開機(jī)后連續(xù)工作四小時(shí)，漂移不超過七個(gè)最低位字。

圖4整個(gè)模擬電路示意圖

四、ICL7135與8039的連接
ICL7135輸出方式為動態(tài)掃描的BCD碼，輸出時(shí)序如圖5所示。當(dāng)時(shí)鐘頻率選用100KHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為400ms。這對于轉(zhuǎn)換精度要求高，而轉(zhuǎn)換速度允許低的電子衡器是較適用的。

每當(dāng)一次轉(zhuǎn)換結(jié)束，STROB即連續(xù)產(chǎn)生五個(gè)脈沖，脈沖寬5μs，間隔2ms，它分別使五個(gè)位信號D5、D4、D3、D2、D1依次有效。每個(gè)位信號有效時(shí)，同時(shí)在B8、B4、B2、B1四根數(shù)據(jù)線上出現(xiàn)該位BCD碼。D5對應(yīng)的是最高位BCD碼，它是在第一個(gè)STROB下跳時(shí)出現(xiàn)。經(jīng)2ms的間隔，STROB第二次下跳，使D4有效，同時(shí)在四根數(shù)據(jù)線上出現(xiàn)次高位BCD碼。經(jīng)10ms時(shí)間，五位BCD碼全部在數(shù)據(jù)線上出現(xiàn)過一次。在400ms后下一組STROB到來時(shí)，重復(fù)上述過程，它表示一次新的轉(zhuǎn)換結(jié)束。根據(jù)ICL7135輸出時(shí)序，設(shè)計(jì)出與8039的連接電路。8039的P1和P27共九條線，輸入四位數(shù)據(jù)和五個(gè)位號，STROB作為8039的中斷請求信號。在中斷服務(wù)程序中輸入數(shù)據(jù)，每中斷一次可接收一位BCD碼。用判斷那一位位信號有效的方法，可以確定本次輸入的那一位BCD碼。為保證輸入一個(gè)完整的五位BCD碼，在最高位BCD碼輸入后建立一個(gè)標(biāo)志。當(dāng)該位未輸入時(shí)，其余四位也不予輸入。五位BCD碼全輸入后再建立一個(gè)標(biāo)志，用來告訴主程序，一次數(shù)據(jù)采樣已結(jié)束。中斷服務(wù)程序框圖如圖6所示。

五、系統(tǒng)應(yīng)用軟件
系統(tǒng)應(yīng)用軟件由主程序、子程序和中斷服務(wù)主程序第一段程序的任務(wù)是開機(jī)后等待系統(tǒng)硬件工作點(diǎn)穩(wěn)定，同時(shí)檢查系統(tǒng)硬件工作是否正常。當(dāng)硬件工作點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)，計(jì)算機(jī)每次讀入的采樣值的誤差，在精度允許的誤差范圍內(nèi)。因此，可用比較程序，完成這一判斷。工作點(diǎn)穩(wěn)定后，機(jī)內(nèi)零點(diǎn)值也被確定，于是程序進(jìn)入稱量程序段。計(jì)算機(jī)按上述稱量計(jì)算公式完成稱量。但在稱量計(jì)算前，需先判斷當(dāng)前輸入的采樣值是零點(diǎn)（空秤）值還是稱重值。如是零點(diǎn)值，則由零點(diǎn)自動跟蹤程序處理。零點(diǎn)是稱量的基準(zhǔn)，需認(rèn)真對待。由于硬件的溫漂和各種干擾使零點(diǎn)產(chǎn)生偏移，零點(diǎn)自動跟蹤的方法是：不斷用新的零點(diǎn)值去代替上一次的零點(diǎn)值。電路的噪聲和干擾使每次讀得的零點(diǎn)值是不同的，絕對零點(diǎn)值是不存在的。因此，有必要建立一個(gè)零點(diǎn)區(qū)，凡讀得的值進(jìn)入零點(diǎn)區(qū)，都視作零點(diǎn)值。取十個(gè)這樣的零點(diǎn)值的平均數(shù)，作稱理基準(zhǔn)，并不斷被用同樣方法所取得的新的平均數(shù)所取代。零點(diǎn)區(qū)范圍應(yīng)小于±0.5d，因重量值等于±0.5d時(shí)，經(jīng)四舍五入應(yīng)顯示±1個(gè)d的值。但零點(diǎn)區(qū)也不能取太小，太小了很容易脫離零點(diǎn)自動跟蹤范圍，使秤不能回零，如圖8所示。

六、結(jié)束語
儀表采用單片微型計(jì)算機(jī)技術(shù)，它具有很高的功能價(jià)格比指標(biāo)；體積小、I/O功能強(qiáng)、使用靈活、抗干擾性能好、價(jià)格低廉是它的突出優(yōu)點(diǎn)，這對于數(shù)據(jù)處理量不大的稱重儀表是非常實(shí)用的。
稱重傳感器橋路用±5V供電，使測量放大器的輸入端接近零電位，因而大大削弱共模信號，它的直接利益是可以簡化橋路電源。在保證精度的前提下，測量放大器中還省去所有這一切的努力，都是為了進(jìn)一步簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低儀表的成本，為普及電子衡的應(yīng)用帶來技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。

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