针对传统的桌面秤在节能省电，操作方式等方面存在的一些缺陷，设计了一种基于STC89C516RD+的数字式电子桌面秤； 主要介绍了电子桌面秤的硬件系统框架及其关键功能模块；硬件电路采用层次式设计模式，使硬件系统模块化程度和可读性增强。数字 式桌面秤的最大量程为30 kg，最小检定分度值为10 g等；根据《固定式电子秤GB/T 7723 — 2002》的测试和标定结果表明，整个系统 不仅架构简单、操作灵活、巧妙节能，而且具有较强的电磁兼容性，所有称重技术指标均达到国家标准III级等级。
0.引言
数字式电子桌面秤是机械、电子以及计算机技术有机结合 的新型称重仪器，因其较传统的机械秤而言具有准确、快捷、 结构简单、性能稳定的特点，因而被广泛应用于各种场合。但 目前的桌面秤在节能、省电方面存在缺陷，而且界面不直观, 操作不灵活。本文介绍了一种基于STC89C516RD+的数字式 电子桌面秤的硬件系统设计方案，系统中采用了合理的节能、 省电方法，使系统功耗大幅降低；使用数字液晶显示，操作灵 活，使用方便；针对系统中可能存在的干扰因素，采取了有效 的抗干扰措施。
1.硬件设计思想及其系统框架
—般地，硬件电路设计包括平坦式（Flat)和层次式 (Hierarchical)两种思想和方法。在平坦式电路设计中，硬件 系统中各个电路模块被布置在同一张或多张原理图中，各个原 理图通过网络标号相连接。本系统中，为突出电路原理图的可 阅读性、易维护性和提高开发效率，依据层次式方法将硬件系 统按功能模块分类，并以方框图代替实际硬件电路，其中各个 功能模块之间的连接关系由各个方块图之间的端口连接来实 现。这种层次式的电路设计会使硬件系统框架变得清晰。
分析数字式电子桌面秤的功能要求，加之考虑其经济性、 可靠性等因素，硬件系统主要由称重传感器、信号调理电路、 A/D转换电路、控制器、液晶显示与键盘电路、存储器、串 口通信电路、声光报警电路、系统供电等功能模块组成，如图1所示。
图1数字式电子桌面秤硬件系统模块框架 本系统以ALtium Designer 6. 9为硬件设计平台，自上而 下地设计系统硬件电路，其顶层电路如图2所示。
如图2所示，称重传感器感测作用在桌面秤上的质量信 号，并将其转换成相应的电信号，此电信号经过信号调理电路 后进入A/D转换电路；A/D转换电路将放大后的模拟信号转 换成单片机可识别的数字信号，并且送入控制器；控制器对 A/D转换后的信号进行处理后进行显示，然后通过串口通信 电路送入计算机进行更深入的数据分析；键盘电路负责处理用 户的输入，从而对桌面秤的参数进行设置与修改；存储电路用 来保存用户设置的信息以及软件运行所需的附加信息；当质量 超过系统的最大称重时，系统通过声光报警电路进行提示；系 统供电电路主要用来提供称重传感器的激励电压、A/D转换 电路的基准参考电压以及其它电路所需的工作电压。
2.硬件系统主要功能模块
2.1称重传感器及测量电路
数字式电子桌面秤的核心是称重传感器，它的优劣直接 决定了称重的精度以及非线性误差等技术指标。本系统中设计 一种铝合金材质的双孔弹性梁作为其弹性敏感元件。这种双孔 弹性梁具有良好的抗偏载特性，即传感器的输出结果与所加载 荷在横轴上的位置无关。如图3所示，应变片R1、R2、R3、 R4 (R1 =R2 =R3 =R4 =R)粘贴在如图3所示的位置。
2.2信号调理电路与A/D转换电路
在测量时，称重传感器输出的信号可能受到不同频率的噪 声干扰，所以必须采取有效措施进行抑制或消除。
在如图5所示数字式电子桌面秤的信号调理电路中，电阻R22与电容C32、电阻R24与电容C34分别构成了低通滤波器， 可以有效抑制高频信号。该电路中，如果忽略信号源的内阻， 则低通滤波器的输出电压为U。与输入电压为u，之间具有如 下关系：
电压信号经过上述低通滤波电路后，由仪表放大器 AD623进行放大。AD623外接电阻时，增益范围1?1000，具 有优良的直流性能，增益精度高。当增益增加时，可减小误 差，并且可以抑制电源噪声与电源谐波。信号经八D623 放大后，由LTC1864进行转换，如图6所示。
如图⑴）所示，LTC1864是一种16位串行高速A/D转 换器，其分辨率为可达1/65535，当量程为30 kg，因此最小 可分辨30000 g/65535 = 0. 458 g的质量，而本桌面秤的最小检 度值为10 g，因此LTC1864不仅满足精度要求，而且拥有足 够的裕量。另外LTC1864正常供电电流仅为850 pA，而在转 换速率为1 ksps时可自动将供电电流减至2 pA。
在该模块中，采用高精密基准电压源芯片八D780输出的 3V电压作为LTC1864的参考电压。这种设计可以避免八/D 转换器的参考电压易于受到外部干扰，造成一定程度的波动， 从而极大地保证了 A/D转换器输出结果的稳定性。
2. 3控制器
根据对数字式桌面秤功能要求的分析，硬件系统采用 STC89系列单片机STC89C516RD+作为控制器，该单片机拥 有64 kB Flash存储器以及1280字节的RAM，由于其内部的 供电系统、I/O 口、复位电路、时钟电路、看门狗都增加了可 靠性和稳定性处理，具有良好的抗干扰性能和节能性能， 而且相比其它种类的单片机，价格更便宜，其性能完全满足本 系统的要求。
2.4显示与键盘电路
为了降低硬件系统的功耗，使系统更加节能、省电， 采用液晶显示器代替LED数码管进行显示。系统选用以 KS0108为控制器的128X 64液晶，从而增加了待机时间，而 且丰富了显示信息，使操作更加灵活，其显示电路如图7所 示。为了便于对显示电路的控制，液晶的全部可控制引脚通过 一定方式接至单片机。
传统的矩阵键盘一般通过并行方式将I/O 口线直接与单片 机相连，使用这种方式连接的键盘，其扫描速度比较快，在很 多场合仍被广泛使用，但是它占用了大量的单片机I/O资源， 使单片机应用系统的扩展变得很不方便。因此，在单片机I/O 口资源比较紧张的情况下不宜采用并行方式扩展矩阵键盘。本 系统采用I/O 口扩展芯片PCF8574扩展4X4矩阵键盘，如图 8所示。PCF8574通过I2C总线接口与单片机相连，只需要串 行数据线（SDA)与串行时钟线（SCL)，即可轻松实现与单 片机的数据交互。
2.5串口通信电路
在本系统中，为了方便与计算机之间的数据传输，也为系 统测试以及后期数据处理便捷起见，设计了独立的串口通信电 路，如图9所示。
在图9中，MAX232是用于RS232接口电路中的电源转 换芯片，使用+ 5V即可供电。
3.数字式电子桌面秤系统实现
将层次式架构硬件系统植入整个称重系统，开发出数字式 电子桌面秤的样机。样机中的称重传感器量程为40 kg、精度 等级为C3级，其输出灵敏度为2±0. 15mV/V，接线方式为 红输入（+ )、绿输入（一）、白输出（+ )、黑输出（一）四 根线，通过将其焊接到排座上的方法与电路板上的排针相连， 从而方便插拔。本系统供电方式为：八C220V/50HZ。
为了进一步提高称重的精确度，在本系统中，除了设计精 度较高的称重传感器、使用高分辨率的八/D转换器以及在硬 件电路中合理处理好电磁兼容性外，还在软件中做了滤波处 理。鉴于大量的调试发现八/D转换器输出的数字量呈上下波 动较为均匀的特点，本系统中采用了算术平均法进行数字滤 波，从而使得经过滤波后的A/D转换器输出曲线变得平滑很 多，且数据较为稳定。在调试时，通过RS232接口接到计算 机可以清晰地观测到软件滤波的功用。如图10中所示，上下 波动较大的曲线为A/D转换数据未经软件滤波的波形，中间 一条平滑曲线为A/D数据经过软件滤波后的波形。
本系统的最大量程为30 kg，最小检定分度值为10g。根据中华人民共和国国家标准《固定式电子秤GB/T 7723— 2002》，对本系统的开发样机进行了置零准确度、称量性能、 除皮、偏载、鉴别力、重复性等项目的测定，部分测定结果如 表1所示。由表可知，本系统达到国家标准III级等级。
4.结论
设计了一种基于STC89C516RD+的数字式电子桌面秤的 硬件系统。主要特点为：
1)采用层次式设计模式，根据功能将硬件系统进行模块 分类，以方框图代替实际电路。很高的模块化程度增强了系统 架构的清晰度，突出了电路原理图的可读性和易维护性，提高 了硬件系统的开发效率。
2)尽量采用低功耗芯片，加之软件设计中所提供的用户 待机时间设置，从而可大大节约能耗，延长待机时间。
3)充分考虑模拟信号与数字信号之间的相互影响，系统 设计使用分别接地，并且单独供电。
4)设计独立的串口通信电路，既方便系统与计算机之间 的通信，也便于系统测试和数据后期处理。
5)采用数字液晶代替数码管，丰富了显示界面，拓展了 功能，使操作更加灵活。
测试和标定表明，本系统设计科学，架构合理，不仅具有 较高的灵敏度与精确度，符合《固定式电子秤GB/T7723 — 2002》III级等级，而且具有良好的电磁兼容性。
