基于STC12C5A60S2单片机的自动称重控制设计

　　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。

　　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；给出了称重系统的设计原理；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，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。