研制了一种采用节能环保太阳能电池供电和HY11P52单片机控制的节能电子秤,给出了系统设计框图及 部分设计参数.试验结果表明,该节能电子秤能耗小,光能转化效率高,在家用日光灯光照明下就能实现高精 度测量,方便且环保节能.
单片机具有低成本、低功耗的突出优点,提出了单片机的电子秤设计,但是该设计 是采用化学电池供电,而且目前市场上使用的电子 秤大都采用外部供电或化学电池供电,不仅浪费能 源,而且还会给环境造成污染.基于这两类供电方 式存在的不足,参考提出的太阳 能电子衡器的设计,采用太阳能光伏发电系统供电,设计一款新型的太阳能电子秤,并进行试 验,以期为相关应用提供参考.
1.系统的基本结构
本太阳能电子秤系统由控制核心、LCD显示、 太阳能供电和称量检测等4个模块组成(图1). 太阳能供电模块由30 mm x40 mm太阳能电池板和 上电电路构成,采用间隙供电工作方式;控制核心 使用台湾宏康单片机HY11P52控制芯片;称量显 示采用LCD显示模块,该模块无辐射,低耗能, 散热小;称量检测模块由4个金属应变型压力传感 器构成,分别与单片机的4对I/O 口连接,构成电阻桥,实现压力的非电量转变成电信号.
2.系统硬件设计及原理
2. 1太阳能上电电路
上电电路(图2)是系统供电电路,为了确保 上电电路的正常工作,太阳能电池板必须能提供平 均每秒20 ~ 60 uA的电流和3. 0 ~ 3. 6 V的电压; 当室内的光照强度为120 lx时,就能够使太阳能电子秤进入到跑“-”待称量状态;三极管Q1起到屏蔽漏电电流作用,能防止漏电电流导致电路无法 进入正常状态.采用电源管理芯片,上电电路中的 储能大电容根据太阳能板提供的电流而定,必须采 用品质比较好的电解电容,以减小漏电电流;在光 照强度不小于120 lx的条件下,实现短路电流大于 40 uA、工作电压大于3 V、开路电压大于4 V.
2.2称量检测电路
称量检测电路的结构图如图3. 4个金属应变 型压力传感器组成一个电阻桥,VDD-VSS是供电 端,S +和S-为传感器输出的压力信号,经过128 倍的运算放大,输入到控制芯片模数转换器(An-alog to digital converter, ADC)端口.
2.3单片机控制电路和显示电路
单片机控制电路和显示电路(图4),以 HY11P52为核心控制芯片,此芯片内嵌2 kHz的高 精度ADC. ACM、AVSS和DVSS分别为参考地、 模拟地和数字地,模拟地和数字地为一点连接,且 参考地与模拟地之间加瓷片电容稳定参考地;VD- DA为芯片内部低压降稳压器电源输出,供给控制 芯片使用;FM24C02是储存芯片,用来保存标定 值,AI0和AI1是应变传感器信号输入端,AI2是 基准电源输入点,通过内部电压泵产生3V的LCD 驱动电压;COMO~COM3等用来驱动LCD; SEG2- SEG12为显示信号线。
3.系统软件设计及流程图
3.1系统主程序
系统主程序流程图如图5.系统启动后,进入 上电初始化,传感器的压力信号经过ADC后,根 据称量质量进入待机或称量工作状态,当称量质量 小于5 kg,表明没有称量任务,系统进入低功耗待 机状态;大于5 kg,则表明有称量任务,系统进入 称量状态,显示称量质量,每隔0.25 s进行ADC.
3.2上电初始化
上电初始化(图6)实际上是检测太阳能供电 电压,确保太阳能供电电压达到一定值.当检测到 电池电压小于3 V时,进入1 s唤醒,大于3 V时, 初始化显示,完成上电初始化.
3.3称量工作模式
称量工作模式(图7)包括称量任务和标定质 量两个过程.此时芯片ADC以2 kHz频率工作, 每0.25 s对传感器信号进行两次转换,每两次 ADC取第2个数据,并与之前4次数据的滑动平 均值比较进行稳定性判断,如果不稳定,显示当前 的质量,进入下一个转换过程;如果数据稳定,说 明已得到称量质量的信息,稳定显示3 ~ 5 s后, 进入待机模式;也能通过按键进入标定质量过程。
4.样机试验
依据上述的硬件和软件设计原理,制成太阳能电子秤样机(图8),控制芯片和LCD显示焊在一 块板子上.在室内日光灯照射下大约2 ~ 3 min,系 统开始启动,进入跑“-”待称量状态.图9是 太阳能电子秤样机称量试验示意图,当称量人站上 该电子秤以后,LCD显示的数字从小到大逐渐增 加,稳定后闪烁3次,显示最终称量结果.得到的数据与用其他称量方式的得到数据一致,验证了系 统设计的正确性.
5.结论
本研究的太阳能电子秤电路简洁实用,采用太 阳能电池板供电,不仅功耗低而且方便环保节能. 与之前的设计相比,本设计更为详细,控 制芯片更为通用,采用其它的方法调校和改 进后,该机能实现高精度的测量,具有非常广阔的 应用前景.