基于ADμC845的数字电子秤设计

　　1　ADμC845简介

　　ADμC845是ADI公司推出的高性能24位数据采集与处理系统,该芯片的数据处理速度达12MIPS,且设计简单,噪声低,非常适用于精密仪器仪表,主要有以下一些性能特点。

　　1.1　高分辨率Δ-∑ADC

　　(1)带有2个独立的高分辨率∑-Δ10通道、24位A/D转换器(ADC)。其中1路为主转换器, 24位分辨率,带输入缓冲器和程控增益放大器;另1路为辅转换器,分辨率也是24位。

　　(2)芯片的失调漂移为10nV/℃,增益漂移为0.5×10-6/℃。

　　(3)主转换器的输入端带程控增益放大器,最大放大倍数相当于128倍。

　　1.2　存储器

　　(1) 62K字节片内闪速/电擦除程序存储器。

　　(2) 4K字节片内闪速/电擦除数据存储器。

　　(3)闪速/电擦除存储器可使用100年,可重复擦写10万次。

　　(4)带有2304字节片内数据RAM。

　　1.3　基于8051的内核

　　(1)具有与8051兼容的指令系统。

　　(2)单周期8052内核MCU,时钟周期最高达12.5MHz。

　　(3)有3个16位定时/计数器。

　　(4)有26条可编程输入/输出线。

　　1.4　片内外围设备

　　(1) 12位电压输出DAC。

　　(2)双16位Δ-∑DAC(PWM输出)。

　　(3)片内温度传感器。

　　(4)看门狗定时器(WDT)。

　　(5)电源监视器(PSM)。

　　1.5　电源

　　(1)可用3V和5V电压工作。

　　(2)正常情况下为2.3mA/3.6V(核心时钟频率为1.57MHz)。

　　(3)掉电保持电流为20μA,可唤恒定时运行。

　　2　系统组成

　　2.1　主要功能

　　(1)可以用键盘设置单价,加重后可显示质量、单价和总价。

　　(2)找钱功能,累加功能,加款累计功能,清除功能。

　　(3)零点跟踪功能,去皮功能,音响功能,零位异常指示功能。

　　(4)设计有打印机接口,可以实现打印功能。

　　(5)具有与上位机通信的接口,可以实现信息存储、分析和处理,大大降低管理成本。

　　2.2　系统组成

　　由于ADμC845是24位分辨率的数据采集系统,且带2个独立的高分辨率∑-Δ10通道、24位A/D转换器(ADC)、12位电压输出DAC、双16位Δ-∑DAC(PWM输出)、128倍的内部放大电路,因而电子秤电路可以大大简化。整个系统由传感器、电源电路、基准电压源、供桥电路、数据采集系统、键盘显示接口电路、打印机接口和远程通信接口电路组成,如图1所示。

　　3　硬件电路设计

　　3.1　称重传感器的选择

　　电子计价秤通常选用如图2所示的以铝合金为材料的双复梁式结构的称重传感器,图3(a)为双连椭圆孔构成应力集中合理的力学结构,秤盘用悬臂梁端部上平面的两个螺孔紧固。图3(b)为用四连孔构成应力集中合理的力学结构,秤盘用悬臂梁端部侧面的两个螺孔紧固,中间圆孔安插过载保险支杆。以上两种结构型式的称重传感器均可通过锉磨修正四角误差。当称重传感器受外力F作用时,产生平行四边形变形, 4个应变片分别黏贴在变形较大的部位,电阻值随之变化。当外载荷改变时,由4个电阻应变片组成的电桥的输出电压与外加载荷成正比。

　　为满足商用电子秤的Ⅲ级秤允许误差要求,称重传感器必须选用C级,并要求进行零位及满度的温度补偿。采用深圳市尔达盛传感科技有限公司的CL611,额定载荷2~15(kg),输入阻抗1050±50Ω,灵敏度1.0±10% (mV/V),输出阻抗1000±10Ω,零点温度影响0.2% F. S/10℃,安全过载范围150% F. S,满足设计要求。

　　3.2　供桥及基准电源电路

　　供桥与基准电源电路如图3所示。由于ADμC845对模拟输入电压的限制,所以本系统仅使用5V供桥,基准电压源选择LM336-5(也可以选择ADI公司的5V输出基准电压源ADR425或ADR435)。ADμC845的参考电压输入使用电阻分压得到,R6、R7选用低温度系数的精密电阻,VREF接ADμC845的参考输入端REFIN+(第8脚), EXEC连传感器供桥端。考虑到节能设计,R1可以取较大值。

　　多数应变式传感器输出灵敏度为1.5~2.4mV/V,所以5V供桥时,传感器满量程输出电压为7.5 ~12mV。使用ADμC845内部的128倍放大器,放大后的信号范围为0.96~1.54V,因而,参考电压选用1.67V可满足大多数传感器的全量程测试。如果载荷传感器的输出灵敏度较低,可使用低于1.5V的参考电压,以更好地利用A/D转换器的分辨率。

　　3.3　传感器连接与数据采集电路

　　传感器、参考电压与ADμC845的连接如图4所示,系统的传感器供桥采用6线连接方式,这样可以实现高精度测试。差动放大器直接从传感器电桥端取得反馈信号,以调整供桥输出电压。以这种方式连线时,导线的长短对测试结果的影响小。电子秤电路通常用于静态测试,因而传感器供桥敏感线及信号线均作了必要的滤波,以减小测试噪声。

　　3.4　显示和键盘

　　3.4.1　显示接口电路

　　采用LED显示测试结果和工作状态,显示刷新使用专用电路MAX7219。MAX7219是一种串行接口的8位数码管显示驱动器。它与通用微处理器只有3根串行线相连,最多可驱动8个共阴数码管或64个发光二极管。它内部有可存储显示信息的8×8静态RAM,动态扫描电路,以及段、位驱动器。本例中使用6位7段LED显示测试结果,电路如图5所示。

　　3.4.2　键盘接口电路

　　按键个数根据实际要求设计,比如功能选择键、确认键、数值加键、清零键、打印键和数值减键等,按键直接连接到ADμC845的通用I/O口。

　　3.5　电子秤与上位机的通信

　　电子秤可以使用RS-232C与PC机通信,工业应用时,低速静态测试仪器常配以RS-485接口,以方便组成485测试总线。因此,在本系统中带有RS-232C和RS-485双接口,工作方式切换通过软件进行,通过按键设置,存储在片上存储器中,且硬件上增加数据选择器一个。如图6所示,RXD连接ADμC845的P3.0/RXD,TXD连接ADμC845的P3.1/TXD,RS-232/485为通信方式选择: 0时选择RS-485通信方式,这时的数据流向通过EN485A和EN485B控制。

　　4　软件设计

　　系统的软件主要包括以下几大模块:主程序模块、数据采集模块、称重和计价管理模块、显示模块、打印购物清单模块、串行通信模块等。

　　(1)主程序模块:主要完成系统及可编程芯片的初始化及按需要调用各模块。

　　(2)数据采集模块:完成对数据的采集及处理。

　　(3)称重计价管理模块:主要完戏去皮、调零、称重、计价、找钱和累加等。

　　(4)显示模块:主要用于显示各级菜单、实时显承货物质量、单价、总价或其他状态等参数。

　　(5)打印购物清单模块:主要完成打印购物清单功能。

　　(6)串行通信模块:控制电子秤与上位机的通信。完成串行口的初始化、波特率和数据格式的设置,并将采集或处理后的数据传给上位机,实现更高层次的管理和网络化的管理。

　　5　结束语

　　ADμC845是面向数据采集的片上系统,它的功能强、精度高、性价比好,适用范围广,以它为核心的数字电子秤电路简单、功能强、性能稳定、可靠性高,必将得到广泛应用。

　　参考文献:

　　[1]王煜东.传感器及应用[M].北京:机械工业出版社, 2008.

　　[2]张明,谢列敏.计算机测控技术[M].北京:国防工业出版社, 2007.

　　[3]林凌.新型单片机接口器件与技术[M].西安:电子科技大学出版社, 2005.

　　[4]李刚.林凌.ADμC845单片机原理、开发方法及应用实例[M].北京:电子工业出版社,2006.

　　[5]谢晓广,李业德.基于单片机的超市电子计价秤的设计[ J].电脑知识与技术, 2008(11): 377-379.

　　作者简介:陈延奎(1971—),男,讲师,主要从事电子仪器仪表的教学和研究。

　　（收稿日期:2009-09）