畢業(yè)設計電子秤的設計

1、電子秤設計電子秤設計 摘摘 要要 電子秤是將檢測與轉換技術、計算機技術、信息處理、數(shù)字技術等技術 綜合一體的現(xiàn)代新型稱重儀器。它與我們日常生活緊密結合成為一種方便、 快捷、稱量精確的工具，廣泛應用于商業(yè)、工廠生廠、集貿(mào)市場、超市、大 型商場、及零售業(yè)等公共場所的信息顯示和重量計算。 電子稱主要以單片機作為中心控制單元，通過稱重傳感器進行模數(shù)轉換 單元，在配以鍵盤、顯示電路及強大軟件來組成。電子稱不但計量準確、快 速方便，更重要的自動稱重、數(shù)字顯示，對人們生活的影響越來越大，廣受 歡迎。 本系統(tǒng)針對電子稱的自動稱重、數(shù)據(jù)處理等進行了設計和制作。為了闡 明用單片機是如何對采樣數(shù)據(jù)進行處理，對數(shù)據(jù)的

2、采集和轉換、計算問題進 行了研究，討論了單片機控制系統(tǒng)中關鍵的計算問題。本文在給出智能電子 稱硬件設計的基礎上，詳細分析了電子稱的軟件控制方法。單片機控制的電 子稱結構簡單，成本低廉，深受人們的喜愛，本文將對此進行詳細討論。 關鍵詞關鍵詞：電子稱；單片機；稱重傳感器 abstract intelligent electronic scale is the detection and conversion technology, computer technology, information processing, digital technology, an integrated moder

3、n technology of new weighing equipment. it is closely integrated with our daily lives into a convenient, fast, precision weighing instrument, widely used in commercial, plant health plant, country markets, supermarkets, shopping malls, and retail and other public places, information display and weig

4、ht. intelligent electronics said the key to scm as the central control unit, through the weighing sensor analog-digital conversion unit, in the accompanied keyboard, display circuit and powerful software to component. said not only accurate measurement of the electronic, fast and convenient, more im

5、portantly, automatic weighing, statistics show that by the majority of users. intelligent electronics said that as easy to carry, easy to use, the impact on peoples lives more and more. this system is known for the electronic automatic weighing and data processing of research. to illustrate how to u

6、se the mcu is sampling data processing, data acquisition and conversion, computational problems studied. discuss the key scm system calculation. this paper presented the hardware design of intelligent electronics that, based on detailed analysis of the electronic control, said the software. as the s

7、tructure of microprocessor controlled electronics that simple, low cost and very popular, this will be discussed in detail. keywords: electronic scale; mcu; load sensor 目目 錄錄 摘 要.i abstract .ii 目 錄.1 第一章 緒 論.1 1.1 稱重技術和衡器的發(fā)展.1 1.2 電子秤的組成 .2 1.2.1 電子秤的基本結構.2 1.2.2 電子秤的工作原理.3 1.2.3 電子秤的計量性能.3 1.3 本設計思

8、路.4 第二章 系統(tǒng)方案論證與選型.6 2.1 控制器部分.6 2.2 數(shù)據(jù)采集部分.8 2.2.1 傳感器的選擇.8 2.2.2 放大電路選擇.9 第三章 硬件設計.12 3.1 總體規(guī)劃 .12 3.2 主控制器電路 .12 3.3 傳感器放大電路 .12 3.4 顯示電路 .13 第四章 軟件設計.15 4.1 系統(tǒng)應用程序組成 .15 4.2 主程序流程圖 .16 4.3 ad 采樣程序塊 .16 4.4 液晶顯示程序塊 .17 4.5 稱重數(shù)據(jù)處理技術 .21 第五章 總結與展望.24 參考文獻.26 致 謝.27 附錄一.28 附錄二 .29 第一章第一章 緒緒 論論 1.1 稱重

9、技術和衡器的發(fā)展 稱重技術自古以來就被人們所重視，作為一種計量手段，廣泛應用于工 農(nóng)業(yè)、科研、交通、內外貿(mào)易等各個領域，與人民的生活緊密相連。電子秤 是電子衡器中的一種，衡器是國家法定計量器具，是國計民生、國防建設、 科學研究、內外貿(mào)易不可缺少的計量設備，衡器產(chǎn)品技術水平的高低，將直 接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會經(jīng)濟效益的提高。 電子秤的發(fā)展過程與其它事物一樣，也經(jīng)歷了由簡單到復雜，由粗糙到 精密，由機械到機電結合再到全電子化，由單一功能到多功能的過程。特別 是近 30 年以來，工藝流程中的現(xiàn)場稱重、配料定量稱重、以及產(chǎn)品質量的 監(jiān)測等工作，都離不開能輸出電信號的電子衡器。這是由于電子衡器

10、不僅能 給出質量或重量信號，而且也能作為總系統(tǒng)中的一個單元承擔著控制和檢驗 功能，從而推進工業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易交往的自動化和合理化。 近年來，電子秤已愈來愈多地參與到數(shù)據(jù)處理和過程控制中?，F(xiàn)代稱重 技術和數(shù)據(jù)系統(tǒng)已經(jīng)成為工藝技術、儲運技術、預包裝技術、收貨業(yè)務及商 業(yè)銷售領域中不可缺少的組成部分。隨著稱重傳感器各項性能的不斷突破， 為電子秤的發(fā)展奠定了其礎，國外如美國、西歐等一些國家在 20 世紀 60 年 代就出現(xiàn)了 0.1%稱量準確度的電子秤，并在 70 年代中期約對 75%的機械秤 進行了機電結合式的電子化改造。 稱重裝置不儀是提供重量數(shù)據(jù)的單體儀表，而且作為工業(yè)控制系統(tǒng)和商 業(yè)管理系統(tǒng)的一個

11、組成部分，推進了工業(yè)生產(chǎn)的自動化和管理的現(xiàn)代化，它 起到了縮短作業(yè)時間、改善操作條件、降低能源和材料的消耗、提高產(chǎn)品質 量以及加強企業(yè)管理、改善經(jīng)營管理等多方面的作用。稱重裝置的應用已遍 及到圍民經(jīng)濟各領域，取得了顯著的經(jīng)濟效益。 因此，稱重技術的研究和衡器工業(yè)的發(fā)展各國都非常重視。50 年代中期 電子技術的滲入推動了衡器制造業(yè)的發(fā)展。60 年代初期出現(xiàn)機電結合式電子 衡器以來，經(jīng)過 40 多年的不斷改進與完善，我國電子衡器從最初的機電結 合型發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型?，F(xiàn)今電子衡器制造技術及應用得 到了新發(fā)展。電子稱重技術從靜態(tài)稱重向動態(tài)稱重發(fā)展；計量方法從模擬測 量向數(shù)字測量發(fā)展；測

12、量特點從單參數(shù)測量向多參數(shù)測量發(fā)展，特別是對快 速稱重和動態(tài)稱重的研究與應用。通過分析近年來電子衡器產(chǎn)品的發(fā)展情況 及國內外市場的需求，電子衡器總的發(fā)展趨勢是小型化、模塊化、集成化、 智能化；其技術性能趨向是速率高、準確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功 能趨向是稱重計量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其應用 性能趨向于綜合性和組合性。電子秤是電了衡器中的一種，衡器是國家法定 計量器具，是圍計民生、國防建設、科學研究、內外貿(mào)易不可缺少的計量設 備，衡器產(chǎn)品技術水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會經(jīng) 濟效益的提高。 1.2 電子秤的組成 1.2.1 電子秤的基本結構 電子秤是

13、利用物體的重力作用來確定物體質量（重量）的測量儀器，也 可用來確定與質量相關的其它量大小、參數(shù)、或特性。不管根據(jù)什么原理制 成的電了秤均由以下三部分組成： （1）承重、傳力復位系統(tǒng) 它是被稱物體與轉換元件之間的機械、傳力復位系統(tǒng)，又稱電子秤的秤 體，一般包括接受被稱物體載荷的承載器、秤橋結構、吊掛連接部件和限位 減振機構等。 （2）稱重傳感器 即由非電量（質量或重量）轉換成電量的轉換元件，它是把支承力變換 成電的或其它形式的適合于計量求值的信號所用的一種輔助手段。 按照稱重傳感器的結構型式不同，可以分直接位移傳感器（電容式、電 感式、電位計式、振弦式、空腔諧振器式等）和應變傳感器（電阻應變式、

14、 盧表面諧振式）或是利用磁彈性、壓電和壓阻等物理效應的傳感器。 對稱重傳感器的基本要求是：輸出電量與輸入重量保持單值對應，并有 良好的線性關系；有較高的靈敏度；對被稱物體的狀態(tài)的影響要小；能在較 差的工作條件下工作；有較好的頻響特性；穩(wěn)定可靠。 (3) 測量顯示和數(shù)據(jù)輸出的載荷測量裝置 即處理稱重傳感器信號的電子線路（包括放人器、模數(shù)轉換、電流源或 電壓源、調節(jié)器、補嘗元件、保護線路等）和指示部件（如顯示、打印、數(shù) 據(jù)傳輸和存貯器件等） 。這部分習慣上稱載荷測量裝置或二次儀表。在數(shù)字 式的測量電路中，通常包括前置放大、濾波、運算、變換、計數(shù)、寄存、控 制和驅動顯示等環(huán)節(jié)。 1.2.2 電子秤的

15、工作原理 當被稱物體放置在秤體的秤臺上時，其重量便通過秤體傳遞到稱重傳感 器，傳感器隨之產(chǎn)生力一電效應，將物體的重量轉換成與被稱物體重量成一 定函數(shù)關系（一般成正比關系）的電信號（電壓或電流等） 。此信號由放大 電路進行放大、經(jīng)濾波后再由模數(shù)( a/d)器進行轉換，數(shù)字信號再送到微 處器的 cpu 處理，cpu 不斷掃描鍵盤和各功能開關，根據(jù)鍵盤輸入內容和各 種功能開關的狀態(tài)進行必要的判斷、分析，再由軟件來控制各種運算。運算 結果送到內存貯器，需要顯示時，cpu 發(fā)出指令，從內存貯器中讀出送到顯 示器顯示，或送打印機打印。一般地信號的放大、a/d 轉換在硬件電路中完 成，濾波以及信號各種運算處

16、理在 cpu 中完成。 1.2.3 電子秤的計量性能 電子秤的計量性能涉及的主要技術指標有：量程、分度值、分度數(shù)、準 確度等級等。 (1) 量程：電子衡器的最大稱量 max，即電子秤在正常工作情況下，所 能稱量的最大值。 (2) 分度值：電子秤的測量范圍被分成若干等份，每份值即為分度值。 用 e 或 d 來表示。 (3) 分度數(shù)：衡器的測量范圍被分成若干等份，總份數(shù)即為分度數(shù)用 n 表示。電子衡器的最大稱量 max 可以用總分度數(shù) n 與分度值 d 的乘積來表示， 即 max=nd (4) 準確度等級 國際法制計量組織把電子秤按不同的分度數(shù)分成 t、ii、iii、四類等 級，分別對應不同準確度

17、的電子秤和分度數(shù) n 的范圍，如表 1 所示： 表 1 不同準確度的電子秤和分度數(shù) 1.3 本設計思路 目前，臺式電子秤在商業(yè)貿(mào)易中的使用已相當普遍，但存在較大的局限 性：體積大、成本高、攜帶不便、應用場所受到制約。現(xiàn)有的便攜秤為桿秤 或以彈簧、拉伸變形來實現(xiàn)計量的彈簧秤，居民用戶使用的基本是桿秤。彈 簧盤秤制造工藝要求較高，彈簧的疲勞問題無法徹底解決，一旦超過彈簧彈 性限度，彈簧秤就會產(chǎn)生很大誤差，以至損壞，影響到稱重的準確性和可靠 性，只是一種暫時的代用品，也被列入逐漸取消的行列。 微控制器技術、傳感器技術的發(fā)展和計算機技術的廣泛應用，電子產(chǎn)品 的更新速度達到了日新月異的地步。本系統(tǒng)在設計

18、過程中，除了能實現(xiàn)系統(tǒng) 的基本功能外，還增加了打印和通訊功能，可以實現(xiàn)和其他機器或設備（包 括上位 pc 機和數(shù)據(jù)存儲設備）交換數(shù)據(jù)，除此之外，系統(tǒng)的微控制器部分 選擇了兼容性比較好的 51 系列單片機，在系統(tǒng)更新?lián)Q代的時候，只需要增 標志及等級電子秤分類分度數(shù)范圍 特種準確度基準衡器 n 100000 高準確度精密衡器 10000 n 100000 中準確度商業(yè)衡器 1000 n 10000 普通準確度粗衡器 100 n 1000 加很少的硬件電路，甚至僅僅刪改系統(tǒng)控制程序就能夠實現(xiàn)。 另外由于實際應用當中，稱可以有一定量的過載，但不能超出要求的范 圍，為此還設計了過載提示。 綜上所述，本設

19、計的主要思路是：利用壓力傳感器采集因壓力變化產(chǎn)生 的電壓信號，經(jīng)過電壓放大電路放大，然后再經(jīng)過模數(shù)轉換器轉換為數(shù)字信 號，最后把數(shù)字信號送入單片機。單片機經(jīng)過相應的處理后，得出當前所稱 物品的重量及總額，然后再顯示出來。主要技術指標為：稱量范圍 03000g，分度值 1kg，精度等級 iii 級，電源 ac220v。 這種高精度智能電子秤體積小、計量準確、攜帶方便，能夠滿足商業(yè)貿(mào) 易和居民家庭的使用需求。 第二章第二章 系統(tǒng)方案論證與選型系統(tǒng)方案論證與選型 按照本設計功能的要求，系統(tǒng)由 5 個部分組成：控制器部分、測量部分、 數(shù)據(jù)顯示部分、鍵盤部分、和電路電源部分，系統(tǒng)設計總體方案框圖如圖 1

20、 所示。 圖 1 設計思路框圖 測量部分是利用稱重傳感器檢測壓力信號，得到微弱的電信號（本設計 為電壓信號） ，而后經(jīng)處理電路（如濾波電路，差動放大電路， ）處理后，送 單片機中的 a/d 轉換器，將模擬量轉化為數(shù)字量輸出，控制器接受來自 a/d 轉換器輸出的數(shù)字信號，經(jīng)過復雜的運算，將信號轉換為物體的實際重量信 號，并將其送到顯示單元中。 2.1 控制器部分 本設計由于要求必須使用單片機作為系統(tǒng)的主控制器，而且以單片機為 主控制器的設計，可以容易地將計算機技術和測量控制技術結合在一起，組 成新型的只需要改變軟件程序就可以更新?lián)Q代的“智能化測量控制系統(tǒng)” 。 這種新型的智能儀表在測量過程自動化

21、、測量結果的數(shù)據(jù)處理以及功能的多 樣化方面，都取得了巨大的進展。再則由于系統(tǒng)沒有其它高標準的要求，又 考慮到本設計中程序部分比較大，根據(jù)總體方案設計的分析，設計這樣一個 簡單的的系統(tǒng)，可以選用帶 a/d 轉換器的單片機，由于應用程序不大，應用 程序直接存儲存片內，不用在外部擴展存儲器，這樣電路也可簡化。stc 公 司的 12 系列的單片機都可使用，在這里選用 stc 生產(chǎn)的 stc12c5a60s2 單片 機。stc12c5a60s2 與 mcs-51 相比有如下優(yōu)勢： 1、指令集與 mcs-51 系列單片機完全兼容 2、片內存儲器采用閃速存儲器，并且支持 spi-isp 在線編程，使程序 寫

22、入更加方便，提高了調試效率，縮短了開發(fā)周期； 3、提供了更小尺寸的芯片，使整個硬件電路體積更小。此外價格低廉、 性能比較穩(wěn)定的 mpu，具有 64k8rom、1ram、2 個 16 位定時計數(shù)器、4 個 8 位 i/o 接口。這些配置能夠很好地實現(xiàn)本儀器的測量和控制要求。 4、單指令周期，運行速度高。 5、自帶上電復位電路，可減低單片機外圍電路的復雜程度。 6、內置 8 路 10 位高速 a/d 轉換，轉換速度 25 萬次/秒。 經(jīng)過放大電路的信號是模擬信號即模擬量，需要把它變成數(shù)字量才能送 入單片機控制系統(tǒng)受理，所以需要有 a/d 轉換電路?？紤]到其他部分所帶來 的干擾 ,8 位 a/d 無

23、法滿足系統(tǒng)精度要求。作為一般小商品稱重需求，我們 只需要選擇 10 位的 a/d 轉換器就可以了。 最后我選擇了 stc12c5a60s2 這個比較常用的單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)的功能 要求。stc12c5a60s2 內部帶有 60kb 的程序存儲器，并且?guī)в?8 路 10 位精度 的 a/d 轉換器，基本上已經(jīng)能夠滿足我們的需要。stc12c5a60s2 單片機的引 腳圖如圖 2 所示。 圖 2 stc12c5a60s2 單片機的引腳圖 2.2 數(shù)據(jù)采集部分 電子秤的數(shù)據(jù)采集部分主要包括稱重傳感器、處理電路電路，因此對于 這部分的論證主要分兩方面。 2.2.1 傳感器的選擇 在設計中，傳感器是一個十

24、分重要的元件，因此對傳感器的選擇也顯的 特別的重要，不僅要注意其量程和參數(shù)，還有考慮到與其相配置的各種電路 的設計的難以程度和設計性價比等等。 傳感器量程的選擇可依據(jù)秤的最大稱量值、選用傳感器的個數(shù)、秤體的 自重、可能產(chǎn)生的最人偏載及動載等因素綜合評價來確定。一般來說，傳感 器的量程越接近分配到每個傳感器的載荷，其稱量的準確度就越高。但在實 際使用時，由于加在傳感器上的載荷除被稱物體外，還存在秤體自重、皮重、 偏載及振動沖擊等載荷，因此選用傳感器量程時，要考慮諸多方面的因素， 保證傳感器的安全和壽命。傳感器量程的計算公式是在充分考慮到影響秤體 的各個因素后，經(jīng)過大量的實驗而確定的。本設計要求稱

25、重范圍 0-3000g， 重量誤差不大于 0.1kg。 為保證電子秤稱量結果的準確度，克服傳感器在低量程段線性度差的缺 點。傳感器的量程應根據(jù)皮帶秤的最大流量來選擇。在實際工作中，要求稱 重傳感器的有效量程在 20%80%之間。線性好，精度高。重量誤差應控制存 0.01kg，又考慮到秤臺自重、振動和沖擊分量，還要避免超重損壞傳感器， 根據(jù)設計需要，確定傳感器的額定載荷為 5kg，允許過載為 150%f.s，精度 為 0.05%，最大量程時誤差0.1kg，可以滿足本系統(tǒng)的精度要求。 綜合考慮，本設計采用電阻應變式傳感器，其最大量程為 5kg.稱重傳感 器由平行梁結構及金屬箔式應變片構成，具有過載

26、保護裝置。由于惠斯登電 橋具諸如抑制溫度變化的影響，抑制干擾，補償方便等優(yōu)點，所以該傳感器 測量精度高、溫度特性好、工作穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛用于各種結構的動靜態(tài)測 量及各種電子稈的一次儀表。該稱重傳感器主要由彈性體、電阻應變片電纜 線等組成，其工作原理如圖 3 所示。 rdra rcrb res bridge ein eout 圖 3 稱重傳感器原理圖 本設計的測量電路采用最常見的橋式測量電路，用到的是電阻應變傳感 器半橋式測量電路。它的兩只應變片和兩只電阻貼在彈性梁上，測量電阻隨 重力變化導致彈性梁應變而產(chǎn)生的變化。其測量原理：用應變片測量時，將 其粘貼在彈性體上。當彈性體受力變形時，應變片的敏

27、感柵也隨同變形，其 電阻值發(fā)生相應變化，通過轉換電路轉換為電壓或電流的變化。由于內部線 路采用惠更斯電橋，當彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時，輸出信號電壓可由下式 給出： 上式說明電橋的輸出電壓 v 和四個橋臂的應變片感受的應變量的代數(shù)和 成正比。 2.2.2 放大電路選擇 稱重傳感器輸出電壓振幅范圍 020mv。而 a/d 轉換的輸入電壓要求為 02v，因此放大環(huán)節(jié)要有 100 倍左右的增益。對放大環(huán)節(jié)的要求是增益可 調的（70150 倍） ，根據(jù)本設計的實際情況增益設為 100 倍即可，零點和增 益的溫度漂移和時間漂移極小。按照輸入電壓 20mv，分辨率 20000 碼的情況， 漂移要小于 1 舊

28、。由于其具有極低的失調電壓的溫漂和時漂（li.lv） ，從 而保證了放大環(huán)節(jié)對零點漂移的要求。殘余的一點漂移依靠軟件的自動零點 跟蹤來徹底解決。穩(wěn)定的增益量可以保證其負反饋回路的穩(wěn)定性，并且最好 選用高阻值的電阻和多圈電位器。 由稱重傳感器的稱量原理可知，電阻應變片組成的傳感器是把機械應變 轉換成r/r，而應變電阻的變化一般都很微小，例如傳感器的應變片電阻 值 120，靈敏系數(shù) k=2，彈性體存額定載荷作用下產(chǎn)生的應變?yōu)?l000， 應變電阻相對變化量為： r/r=k=2100010-6 =0. 002 由上式可以看出電阻變化只有 0.24，其電阻變化率只有 0.2%。這樣 小的電阻變化既難以

29、直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉換 電路，把應變計的r/r 變化轉換成電壓或電流變化，但是這個電壓或電流 信號很小，需要增加增益放大電路來把這個電壓或電流信號轉換成可以被 a/d 轉換器接收的信號。在前級處理電路部分，我們考慮可以采用以下幾種 方案： 方案一：利用普通低溫漂運算放大器構成前級處理電路； 普通低溫漂運算放大器構成多級放大器會引入大量噪聲。由于 a/d 轉換 器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號就會直接影響最后的測量精度。 所以，此種方案不宜采用。 方案二：主要由高精度低漂移運算放大器構成差動放大器，而構成的前 級處理電路；差動放人器具有高輸入阻抗，增益高的特點，可

30、以利用普通運 放(如 op07)做成一個差動放大器。 一般說來，集成化儀用放大器具有很高的共模抑制比和輸入阻抗，因而 在傳統(tǒng)的電路設計中都是把集成化儀器放人器作為前置放人器。然而，絕人 多數(shù)的集成化儀器放大器，特別是集成化儀器放大器，它們的共模抑制比與 增益相關：增益越高，共模抑制比越大。而集成化儀器放大器作為心電前置 放大器時，由于極化電壓的存在，前置放大器的增益只能在幾十倍以內，這 就使得集成化儀器放大器作為前置放大器時的共模抑制比不可能很高。有同 學試圖在前置放大器的輸入端加上隔直電容（高通網(wǎng)絡）來避免極化電壓使 高增益的前置放大器進入飽和狀態(tài)，但由于信號源的內阻高，且兩輸入端不 平衡，隔直電容（高通網(wǎng)絡）使等共模干擾轉變?yōu)椴钅８蓴_，結果適得其