基于STC12C5A60S2单片机的自动称重控制设计

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摘要： 使用压力传感器采集信号、单片机集成的ADC转换器进行A/D转换、光电耦合器件减小干扰、电机的点动控制减小误差，基于单片机设计了一个自动称重电路。实践证明，这个电路完全可以满足普通称重包装要求。

Abstract： Based on the stc12c5a60s2 microcontroller， a automatic weighing instrument is designed which analogue signals are collected by a pressure sensor， analogue signals are converted into digital signals by the microcontroller's integrated A/D converter， interference is reduced by using optical coupler， weighing deviation is reduced by the intermittent running of the motor. Practicing has shown that this circuit can meet the requirement of the general weighing and packing.

关键词： 单片机；压力传感器；A/D转换；程序

Key words： microcontroller；pressure sensor；A/D converter；program

中图分类号：TM921 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）04-0119-02

0 引言

传统的自动磅控制电路是使用模拟电子元件完成的。随着近年工业技术的发展，包含有自动称重控制设备的数字监测系统的技术也开始成熟。例如，文献[1]提供的饲料生产监控管理系统，使用了A/D转换技术、显示技术及电机的PID控制技术、自由落料的误差控制技术等；文献[2]给出了称重系统的设计原理；文献[3]给出了使用PLC设计称重系统的原理。但是这些文献只给出硬件的逻辑结构，没有给出具体的硬件电路，并且自动包装设备成品对于初期创业的小微企业来说费用较高。

本文采用STC12C5A60S2单片机，设计了一个简单的称重包装电路，给出关键硬件电路图及软件设计思路，成本较低。

1 硬件电路设计

整个电路采用+5V单电源设计，与单片机控制电路共用接地。单片机内部集成A/D转换电路对电源的电压的稳定性要求较高，设计电源电路时注意。

1.1 信号采集

采用余姚市火云衡器配件制造厂制造的型号为CZA-A的称重压力传感器，其内部电路为桥式结构，引线有四根，红、白线为电压输入，绿、黑线为信号输出。输出灵敏度2.00.2mV/V，采用5V激励。满载荷10kg的传感器，满载荷时输出101mV。实际应用时建议最大载荷小于满载荷。

由于传感器输出信号的电压幅度较小，所以需要放大电路。因为在编程时，可以对包装重量进行调整，所以采用简单的放大电路。图1中的放大电路采用电压串联负反馈放大。采用OPA333运算放大器，它的基本输入电流在70pA左右，电压开环放大增益为130dB，输出端短路电流±5mA。放大器输入端有滤波电路。其放大倍数为：

可调整的值以确定放大倍数，使输入到单片机的信号电压满载时近+5V。

称重电路中没有包含去除包装皮重的电路，这可在软件设计中加以考虑。单片机ADC0引脚在软件中设为“仅为输入（高阻）工作模式”。

1.2 电机控制电路

电机控制电路如图2所示。

光电耦合器分为线性和非线性的两种。线性的适用于A/D转换及开关电源，非线性的适用于开关信息的传输。电机控制电路是开关控制，所以选用非线性光电耦合器6N137（高速光耦，晶体管输出）就可以。6N317的2、3引脚之间接有一个发光二极管，其正向电压降为1.2～1.7V，典型值是1.4V，正向电流6.3～15mA。P2.0不能直接连接在6N317间的输入端。6N317的5、8引脚之间需要接一个高频特性良好的0.1uF电容，如瓷介质或钽电容，安装时尽量接近于5、8引脚，其作用是为了减小对电源的冲击。6N317的6引脚集电极开路输出，最大允许13mA的灌电流。因其不满足功率继电器的负载要求，输出需要进行功率放大。

小型功率继电器的型号是HF-3FD，其触点转换电流可达10A，所以限制了电机的功率。如果电机的功率比较大，建议采用ULN2008替换9013，它是专门用来驱动继电器的芯片，同时选用触点转换电流更大的继电器。

2 软件设计

使用电机进行加料。刚开始时电机连续运转加料，当超过包装重量的二分之一时，开始间断加料。利用定时器0控制电机的点动时间。定时与A/D转换均禁止中断，用查询方式确定是否达到定时时间、A/D转换是否完成。一次包装程序设计思想如图3所示，其中“G”表示当前称重值，“G0”表示包装重量。

对单片机来说，A/D转换在初始化时，打开A/D转换电源之后一定要延时1ms左右，然后才能启动转换。图3中的“G0”值在包装重量发生变化时需要调整，可加一个调整按键来设置。需要两个显示电路，一个显示设置值，另外一个显示实时重量值。

3 结束语

称重传感器产生的误差主要是系统误差，如果用砝码校正，这个可消除掉。所以包装误差产生的原因有两个，一是单片机A/D转换的精度，二是点动加料对误差的影响。根据《国家质量监督检验检疫总局令（第75号）》对于包装商品只有对短缺量有要求，比如1kg的物品短缺最大不能超过1.5%，即0.015kg。价值越高的物品，允许的短缺量越小。

以包装1kg物品为例，具体分析如下：

①A/D转换对称重精度的影响。STC12C5A60S2单片机A/D转换的精度是10位精度，调整电阻R5的值，当称重1kg的时候信号放大到2.5V，那么10位精度对应的是■kg，此时产生的绝对误差为：

②以一次电机点动加料0.02kg为例，产生的绝对误差为0.02kg。总的绝对误差为±0.002+0.02kg。

根据上面的分析，只要电动机一次点动加料大于0.002kg，那么就符合国家对于商品包装的要求。根据实际调试，一次点动加料的重量越大，可以增加包装速度，但是商家的损失会加大；如果一次点动加料的重量变小，可以降低商家的损失，但是以牺牲包装效率为前提的。降低采集信号的放大倍数（增加R5电阻值）或降低“G0”值，可以调整这个矛盾，但是会降低包装精度，并且包装质量更加依赖于一次点动加料的精度。

改变包装重量，需要调整R5的值和图3的“G0”的数值。所以根据此原理制作包装设备，不适合大批量生产。

参考文献：

[1]姚燕.基于单片机的饲料生产厂微机监测控管理系统[D]. 电子科学大学硕士论文，2010：7-8.

[2]白云峰.车号识别与自动称重数据记录系统的研发设计及应用[J].中国煤炭，2014，40：348.

[3]张荣军，罗向东，焦红玉.基于AVS的水泥宣传散装控制系统[J].自动化技术与应用，2015，34（8）：59.

[4]陈桂友.增强型8051单片机实用开发技术[M].北京航空航天大学出版社，2009.

[5]陈黎敏.传感器技术及其应用[M].机械工业出版社，2013：84-86.