基于PSD电路设计大学学士学位论文.docx

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基于PSD电路设计大学学士学位论文

大学学士论文:

基于PSD电子秤电路设计

摘要

电子秤是日常生活中常用的电子衡器，是衡器的一种，是利用胡克定律或力的杠杆平衡原理测定物体质量的工具，广泛应用于超市、大中型商场、物流配送中心。

电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。

相比传统的机械式称量工具，电子秤具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点，在外形布局、工作原理、结构和材料上都是全新的计量衡器。

电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐，所以电子秤替代机械秤是发展的趋势。

而目前市场上电子秤产品的整体水平不高，部分小型企业产品质量差且技术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。

因此，有针对性地开发出一套有实用价值的电子秤系统，从技术上要克服上述诸多缺点，改善电子秤系统在应用中的不足之处，具有现实意义。

该设计以单片机为控制核心，实现电子秤的基本控制功能，并且以位置敏感传感器作为称重传感器的电子称电路计。

我们选用了TI公司的MSP430系列中的MSP430F135单片机（内置12位A/D转换器）用于完成数据采集、运算、显示及控制等工作。

关键词单片机；PSD；位置敏感传感器；放大器；数模转换

BasedonPSDElectronicScaleDesign

Abstract

Electronicscalesiscommonlyusedelectronweighingapparatusindailylife,isakindofinstruments,istouseHookerlawortheleverprincipleofbalanceofforceasdeterminationofthequalityoftheobjecttools.widelyusedinsupermarket,largeandmedium-sizedstores,logisticsdistributioncenter,Electronicscalesinthestructureandprincipleofthesubstitutedwiththeprincipleofleverbalancefortraditionalmechanicalweighingtools.Comparedwiththetraditionalmechanicalweighingtools,electronicscaleshastoweighthehighprecision,smallvolume,installedtheapplicationrange,easytooperate,etc,andinshapelayout,workingprinciple,structureandmaterialarenewmeasuringinstruments.Electronicweighingdeviceelectronicscale,electronicbalancetoitsaccurate,rapidandconvenient,directdisplayalotofadvantageandgetthefavourofpeople,soelectronicscalesalternativemachineryscaleisthetrendofthedevelopment.Andonthemarketatpresentthewholeproductmicro-electroniclevelisnothigh,somesmallenterprisepoorproductqualityandtechnicalforceisweak,theequipmentisnotcomplete,lackofproductdevelopmentability,qualityofproductswanderatalowlevel.So,havespecificaimtodevelopasetofhavethepracticalvalueoftheelectronbalancesystem,fromtechnologytoovercomethedisadvantagestheabove,improvetheelectronbalancesysteminthedefectsoftheapplication,haverealisticsignificance.

ThisdesignwithSingle-chipmicrocomputerascontrolcore,realizethebasiccontrolfunctionelectronicscales,andwithdisplacementsensorsensitiveasweighingtransducerelectronicscalescircuitdesign.WeselectMSP430F135mcuofTI’sMSP430family（12bitA/Dinside）toacquireinformation,calculate,display,control,etc.

Keywordssingle-chipmicrocomputer；PSD；displacementsensorsensitive；amplifier；analog-to-digitalconversion

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摘要

Abstract

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第1章绪论

1.1课题背景

本课题研究的是基于PSD电子秤电路设计。

物体重量是实际应用中非常重要的物理量，所以它的测量工具在工作和生活中经常被使用。

利用作用于物体上的重力来测量该物体质量的计量仪器称做秤。

物品称量是市场交易中很基本的活动，是商业领域最基本的衡具。

电子秤是衡器的一种，人类最早使用的衡器是原史天平约在公元前5000年，埃及就已使用等臂天平秤。

它是在简易杠杆中点设一支点，在杠杆一端的盘（钩）上放置被测物，在另一端的盘上逐个放置形状、质量一样的物体，当这种装置平衡时，就意味着两边的质量相等，并可从左端物体的个数确定右端被测物的质量，中国杠杆的应用历史也比较悠远。

传统的量具是杆秤或盘秤，随着电子技术的飞速发展，20世纪70年代开始出现了电子秤。

二十世纪初期外国人将金属质电子秤带进我国。

据载，我国于1918年出现了修理外国电子秤的作坊。

当时英国人到中国来进行贸易，货船自带电子秤，电子秤损坏了由中国工人为他们修理，但控制很严格，不准仿造。

后来我们掌握了技术，于1922年在上海开始仿造，首家厂名为“岑南德记台秤修理厂”；1926年南洋华侨陶志祖先生在上海开办“陶记磅台秤修理制造厂”，修理并制造台秤，秤的承重件都是铸造的，标尺是铸铜件，承重转换件为“球式”；1931年日本产品进入中国，他们用的承重转换件为“刀式”，由铸刀改为鑲刀。

早期的电子秤多通过模拟电路实现，随着电子技术的不断发展，数字芯片的价格下降，模拟控制已经逐步被数字控制所代替[4]。

在科学技术高速发展的今天，如何用简单便宜，性能良好的元器件制造出对人类生活有用的产品，已经成为人们研究的主要趋势数字电子秤在各种生产领域和人民日常生活中得到广泛应用。

1.2课题研究的目的和意义

衡器广泛用于工业、农业、商业、科研、医疗卫生等部门。

衡器是利用力的形变平衡原理（胡克原理）或力的杠杆平衡原理测定物体质量的。

形变平衡根据被测物自身重量所引起的弹性体形变量来测定被测物质量，形变量随着重力加速度的变化而变化；杠杆平衡根据标定砝码重量与被测物重量在杠杆上的平衡来测定被测物质量。

杠杆平衡与重力加速度的变化无关，但在重力加速度等于零时，衡量失效。

衡器主要由承重系统（如秤盘）、传力转换系统（如杠杆传力系统）和示值系统（如刻度盘）三部分组成。

衡器按照结构和原理可分为三大类：

机械秤、电子秤、机电结合秤。

衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。

称重装置的应用已遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效益。

因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。

衡器发展的重点是电子衡器。

60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过40多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。

现今电子衡器制造技术及应用得到了新发展。

电子称重技术从静态称重向动态称重发展：

计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。

通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。

生产工艺，质量保证，可靠性考核等规模生产中的关键技术与工艺，提高批量生产能力，使我国的民族衡器工业走上健康持续发展的轨道。

1.3电子秤的组成

电子秤主要由承重系统（如秤盘、秤体）、传力转换系统（如杠杆传力系统、传感器）和示值系统（如刻度盘、电子显示仪表）三部分组成。

1.3.1电子秤的基本结构

电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。

不管根据什么原理制成的电子秤均由以下三部分组成：

（1）承重、传力复位系统

它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。

（2）光电位置传感器

高灵敏度光电位置传感器PSD（PositionSensitiveDetector）是一种新型的光电器件，或称为坐标光电池,它是一种非分割型器件，可将光敏面上的光点位置转化为电信号。

当一束光射到PSD的光敏面上时，在同一面上的不同电极之间将会有电流流过,这种电压或电流随着光点位置变化而变化的现象就是半导体的横向光电效应。

因此利用PSD的PN结上的横向光电效应可以来检测入射光点的照射位置。

它不像传统的硅光电探测器只能作为光电转换、光电耦合、光接收和光强测量等方面的应用；而能直接用来测量位置、距离、高度、角度和运动轨迹等。

它与阵列式图像传感器也不一样，不像固态图像传感器的测量表面由于敏感单元有一定大小而存在死区；PSD器件能连线检测光点的位置，没有死区，分辨力高，适配电路简单等特点；正日益引起人们的重视[1]。

（3）测量显示和数据输出的载荷测量装置

即处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补偿元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮器件等）。

这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。

在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。

1.3.2电子秤的工作原理

电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，才能满足并解决现实生活中提出的快速、准确、连续、自动称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。

首先是通过压力传感器采集到物体重量的变化，并将其转换成电压信号。

输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。

放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。

1.3.3电子秤的计量性能

电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有：

量程、分度值、分度数、准确度等级等。

（1）量程：

电子衡器的最大称量Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大值。

（2）分度值：

电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值。

用e或d来表示。

（3）分度数：

衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用n表示。

电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积来表示，即Max=n•d。

（4）准确度等级

国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类等级，分别对应不同准确度的电子秤和分度数n的范围，如下表1所示：

表1电子秤等级分类

标志及等级

电子秤种类

分度数范围

特种准确度

基准衡器

n>100000

高准确度

精密衡器

10000

中准确度

商业衡器

1000

普通准确度

粗衡器

100

（5）电子称技术指标：

测量范围：

0—1000g

测量精度：

1g

1.4设计思路

目前，台式电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍，但存在较大的局限性：

体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。

现有的便携秤为杆秤或以弹簧、拉伸变形来实现计量的弹簧秤，居民用户使用的基本是杆秤。

弹簧盘秤制造工艺要求较高，弹簧的疲劳问题无法彻底解决，一旦超过弹簧弹性限度，弹簧秤就会产生很大误差，以至损坏，影响到称重的准确性和可靠性，只是一种暂时的代用品，也被列入逐渐取消的行列。

微控制器技术、传感器技术的发展和计算机技术的广泛应用，电子产品的更新速度达到了日新月异的地步。

本系统在设计过程中，系统的微控制器部分选择了兼容性比较好的MSP430系列单片机，在系统更新换代的时候，只需要增加很少的硬件电路，甚至仅仅删改系统控制程序就能够实现。

另外由于实际应用当中，称可以有一定量的过载，但不能超出要求的范围，为此我们还设计了过载提示和声光报警功能。

综上所述，本课题的主要设计思路是：

利用光电位置传感器采集因位移变化产生的电压信号，经过电压放大电路放大，然后再经过数模转换器转换为模拟信号，最后把模拟信号送入单片机。

单片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的重量，然后再显示出来。

这种高精度智能电子秤体积小、计量准确、携带方便，集质量称量功能与价格计算功能于一体，能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。

第2章系统方案论证与选型

按照本设计功能的要求，系统由6个部分组成：

控制器部分、测量部分、报警部分、数据显示部分、和电路电源部分，系统设计总体方案框图如图2-1所示。

图2-1设计思路框图

测量部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设计为电压信号），而后经处理电路（如滤波电路、差动放大电路）处理后，送A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出。

控制器部分接受来自A/D转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号，并将其存储到存储单元中。

控制器还可以通过对扩展I/O的控制，对整个系统进行控制。

数据显示部分根据需要实现显示功能。

当超载时报警装置报警。

2.1控制器部分

本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器，而且以单片机为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。

这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。

再则由于系统没有其它高标准的要求，又考虑到本设计中程序部分比较大，根据总体方案设计的分析，设计这样一个简单的的系统，可以选用带EPROM的单片机，由于应用程序不大，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展存储器，这样电路也可简化。

这些配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求。

51系列单片机：

由ATMEL公司生产的AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

而且，它还具有一个看门狗（WDT）定时/计数器，如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路[3]。

430系列单片机：

MSP430系列单片机是一个特别强调超低功耗的单片机品种，很适合应用与电池供电的长时间工作场合。

在这个系列中有很多个型号，它们是由一些基本功能模块按不同的应用目标组合而成。

MSP430系列的CPU采用16位精简指令系统，集成有16位寄存器和常数发生器，发挥了最高的代码效率。

它采用数字控制振荡器（DCO），使得从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于6µs。

其中MSP430x41x系列微控制器设计有一个16位定时器，一个比较器，96段LCD驱动器和48个通用I\O引脚。

MSP430F1x系列具有以下一些共同特点：

（1）超低功耗。

（2）强大的处理能力。

（3）丰富的片上外围模块。

（4）方便高效的开发方式。

（5）多种存储器形式。

（6）适应工业及运行环境。

在本设计中选择MSP430F135系列单片机[14]。

2.2数据采集部分

电子秤的数据采集部分主要包括称重传感器、处理电路和A/D转换电路，因此对于这部分的论证主要分三方面。

2.2.1传感器的选择PSD光电位置传感器

在设计中，传感器是一个十分重要的元件，因此对传感器的选择也显的特别的重要，不仅要注意其量程和参数，还有考虑到与其相配置的各种电路的设计的难以程度和设计性价比等等。

高灵敏度光电位置传感器PSD是一种新型的光电器件，或称为坐标光电池，它是一种非分割型器件，可将光敏面上的光点位置转化为电信号。

当一束光射到PSD的光敏面上时，在同一面上的不同电极之间将会有电流流过，这种电压或电流随着光点位置变化而变化的现象就是半导体的横向光电效应。

因此利用PSD的pn结上的横向光电效应可以来检测入射光点的照射位置。

它不像传统的硅光电探测器只能作为光电转换、光电耦合、光接收和光强测量等方面的应用;而能直接用来测量位置、距离、高度、角度和运动轨迹等。

它与阵列式图像传感器也不一样,不像固态图像传感器的测量表面由于敏感单元有一定大小而存在死区；PSD器件能连线检测光点的位置，没有死区分辨力高。

适配电路简单等特点；正日益引起人们的重视。

PSD应用于位移测量基本原理如图所示，由半导体激光器（LD）发射出的光束经过透镜1聚焦，光斑照射到待测物体上，部分反射光通过透镜2会聚到PSD的光敏面上。

当激光光斑投射到被测物的某一位置时，会聚到PSD的光斑恰好位于光敏面的中央位置。

此时，PSD两电极输出电流相同。

由图（2-2）可知光敏面上位置坐标x=0，以该位置作为基准点。

图中B点表示待测物的基准点，则其散射光斑会聚到PSD光敏面中央b处，而待测点A和C的散射光斑分别会聚到PSD光敏面ac两处，分别测得两电极的电流信号，再经过后续处理电路就可以精确测试出A、C两点与基准点B之间的位移[2]。

图2-2位移测试原理图

当重力压在位移敏感传感器的重力盘上时，重力盘弹性元件的形变位移在上图中位置A、B、C范围内变化，此时PSD的敏感表面上的光斑位置发生变化，从而使PSD产生相应的电流信号，有电流信号的变化可以看出重力大小的变化，再经过后续一系列处理使电信号转变为数字信号显示出来。

2.2.2放大电路的介绍

经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低；经由电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行A/D转换。

为此，测量电路中常设有模拟放大环节。

这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。

放大器的输入信号一般是由传感器输出的。

传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。

因此，一般对放大器有如下一些要求：

1．输入阻抗应远大于信号源内阻。

否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。

2．抗共模电压干扰能力强。

3．在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。

从而保证放大器输出性能稳定。

4．能附加一些适应特定要求的电路。

如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。

我们考虑了以下几种方案：

方案一利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。

普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。

由于A/D转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。

所以，此种方案不宜采用。

方案二由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。

差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放（如OP07）做成一个差动放大器，如图2-3所示：

图2-3利用普通运放构成的放大器

电阻R1、R2和电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声，C1、C2为普通小电容，可以滤除高频干扰，C3、C4为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。

优点：

输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，滑动变阻器R6可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。

输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用要求。

缺点：

此电路要求R3、R4相等，误差将会影响输出精度，难度较大。

实际测量，每一级运放都会引入较大噪声，对精度影响较大[12]。

方案三采用专用仪表放大器，如：

AD620，INA126等。

此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。

以AD620为例，内部结构如图2-4所示：

图2-4AD620的内部等效图

接口如图2-5所示：

图2-5AD620的接口图

AD620由传统的三运算放大器发展而成，但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计，如电源范围宽（±2.3～±18V）,设计体积小，功耗非常低（最大供电电流仅1.3mA），因而适用于低电压、低功耗的应用场合。

AD620的单片结构和激光晶体调整，允许电路元件紧密匹配和跟踪，从而保证电路固有的高性能。

AD620为三运放集成的仪表放大器结构，为保护增益控制的高精度,其输入端的三极管提供简单的差分双极输入，并采用β工艺获得更低的输入偏置电流，通过输入级内部运放的反馈，保持输入三极管的集电极电流恒定，并使输入电压加到外部增益控制电阻RG上。

AD620的两个内部增益电阻为24.7k8，因而增益方程式为：

（2-1）

对于所需的增益，则外部控制电阻值为：