【正文】 ................................. 52 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 1 頁 1 緒論 課題 稱重技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r 電子稱重技術(shù)是現(xiàn)代稱重計量和控制系統(tǒng)工程的重要基礎(chǔ)之一。自 50年代中期電子技術(shù)滲入到衡器的輔助測量裝置， 60年代初期出現(xiàn)機(jī)電結(jié)合式電子衡器以來，經(jīng)過多年的不斷改進(jìn)與完善，電子衡器從最初的機(jī)電結(jié)合型發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字化智能型。由于它具有稱量準(zhǔn)確、快速，讀數(shù)方便，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，便于與電子計算機(jī)結(jié)合而實現(xiàn)稱重計量與過程控制自動化等特點， 在工商貿(mào)易、能源交通、冶金礦山、輕工食品、醫(yī)藥衛(wèi)生、航空航天等部門得到了廣泛的應(yīng)用。 近年來，隨著計算機(jī)和稱重傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的相互滲透，電子稱重技術(shù)及應(yīng)用又有了新發(fā)展。稱重技術(shù)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(yīng)用，已為世界各國所關(guān)注?？梢哉f電子稱重技術(shù)的發(fā)展水平，已成為衡量一個國家科學(xué)技術(shù)水平和工業(yè)發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志之一。 各工業(yè)發(fā)達(dá)國家長期以來 , 都把電子稱重技術(shù)的研究及應(yīng)用提高到電子稱 重設(shè)備制造工程的高度來認(rèn)識。稱重計量的內(nèi)涵不斷擴(kuò)展，由狹義到廣義，由單項到系統(tǒng)，新型的現(xiàn)代稱重計量概念已脫穎而出，一躍成為當(dāng)代世界矚目的技術(shù)與行業(yè)。盡管 80 年代以來，我國衡器行業(yè)打破了部門和地區(qū)的界限，取得了較好的成績，但電子稱重技術(shù)的研究與應(yīng)用，電子衡器產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比還有較大差距，行業(yè)的總體水平還跟不上國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展步伐。 當(dāng)前稱重技術(shù)的原理方法和特點 目前，各種不同物理原理在電子稱重系統(tǒng)中獲得了應(yīng)用。稱重傳感器也有多種形式，大致有電磁式、壓電式、振弦式、電容式、電阻應(yīng)變式等 。 電磁式 電磁式稱重傳感器的機(jī)械傳感器部分是一個杠桿結(jié)構(gòu)，多用于電子天平。當(dāng)電磁式稱重傳感器為上電時（空載），杠桿是不平衡的。上電后，由于 PID調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的作用，杠桿恢復(fù)到平衡狀態(tài)，此時磁缸線圈中有初始電流，當(dāng)加載重物時，通過調(diào)節(jié)加力線圈中的電流的大小，使得杠桿再次平衡，這樣根據(jù)加力線圈中的電流和力矩平衡，便可測 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2 頁 得重物的質(zhì)量?？梢?，加載重物的重量與加力線圈中電流的大小成正比，確定空載時的電流，即可測得重物的重量，進(jìn)而確定待測物的質(zhì)量。 圖 電磁式傳感器結(jié)構(gòu)圖 。 圖 電磁式稱重傳 感器結(jié)構(gòu)圖 電磁式稱重傳感器主要特點如下 ： （ 1）速度快。約 5 ~ 8秒即可穩(wěn)定。 （ 2）精度高。目前最高精度可達(dá) 。 （ 3）重復(fù)性好。 （ 4）可偏心測重，而且也很準(zhǔn)。 電磁式傳感器廣泛地應(yīng)用于國防、 科研、工廠、實驗室。不僅能作常規(guī)的測試，還可以在一些特殊的場合 做 物質(zhì)質(zhì)量的測定，如：在流水線上作檢測儀、對放射性物質(zhì)的稱量、在鐘表元件廠對鐘表元件進(jìn)行程量及計數(shù)、作糧食水分檢測儀等。 壓電式 壓電式稱重傳感器是利用石英晶體的縱向壓力效應(yīng)將重量信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。傳感器中的石英晶體敏感元 件測量的是應(yīng)力，是它產(chǎn)生的電荷對于應(yīng)力的平均值，也就是說石英晶體具有把敏感元件（石英圓片）整個表面上的載荷進(jìn)行積分的能力。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 。 圖 壓電式稱重傳感器結(jié)構(gòu)圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 3 頁 壓電式稱重傳感器特點如下： （ 1）石英晶體沒有熱電效應(yīng)，即使是溫度瞬變也不會引起信號漂移，而且靈敏度溫度系數(shù)非常小，約為 ﹣ %176。C，因此不必采取特殊手段補(bǔ)償溫度的影響。 （ 2）壓電式傳感器的量程范圍廣，測量范圍達(dá) 10的幾次方，一個稱重傳感器即可完成全程測量。 （ 3）靈敏度高，測量值可到上百噸載荷，又能分辨出小至幾公斤的動 態(tài)力。 （ 4）剛度大，固有頻率高（幾十千赫以上），動態(tài)響應(yīng)快。 （ 5）時間老化率低，無熱釋電現(xiàn)象，工作可靠性高，壽命長。 （ 6）石英晶體的居里點高（ 573176。C），對溫度的靈敏性低，靈敏度變化極小，長期穩(wěn)定性好 。 （ 7）石英晶體具有較好的線性，在一般情況下無滯后，組裝成稱重傳感器其動態(tài)測量的綜合誤差優(yōu)于 1%。 （ 8）結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，高度低，重量輕，可用多個石英晶體片組裝大型稱重傳感器。 （ 9）用多分量稱重傳感器進(jìn)行稱重計量時，抗交叉干擾能力強(qiáng)，交叉干擾達(dá)到 800Hz時，測量誤差仍然低于 10%，交叉干擾到 400Hz時，測量誤差小于 2%以內(nèi)。 （ 10）使用溫度范圍廣，通常為 ﹣ 200 ~ 200176。C。 （ 11）不能在長時間內(nèi)進(jìn)行靜態(tài)測量。 以石英晶體為敏感元件的稱重傳感器多用于測量動態(tài)量，應(yīng)用于公路車輛軸載超載預(yù)判，橋梁超載報警，隧道保護(hù)和車輛軸載計量等。 振弦式 振弦式傳感器主要用于實驗室的電子稱和其他小稱以及在工業(yè)上的臺秤和皮帶電子稱重。振弦是在兩個永久磁鐵的氣隙內(nèi) ， 每根振弦都與使振弦按固有頻率振蕩的電子振蕩回路相連。用參考質(zhì)量對兩根振弦預(yù)加負(fù)荷，當(dāng)未知負(fù)荷通過角度為 E的弦線施加于負(fù)荷連接點 D時 ， 左弦將受到增強(qiáng)的張力作用。從而增大了該弦的固有頻率 ， 反之右弦由于張力減弱將降低其固有頻率。左右弦的頻率之差正比于所施加的負(fù)荷 A， 傳感器的輸出與將頻率差變成脈沖串的電子線路相連。通過一個預(yù)設(shè)定時間的脈沖計數(shù)器對該脈沖采樣 ， 即可直接讀出重量值。 圖 振弦式稱重傳感器稱重原理 圖。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 頁 圖 振弦式稱重傳感器稱重原理圖 電容式 電容傳感器分為三種：變極距式、變面積式、變介質(zhì)式。變極距 式電容傳感器，在傳感器中裝有一對平行極板構(gòu)成的一個平板電容器。 圖 圖。圖中固定極 板與傳感器基座相固定，動極板 1與傳感器彈性元性活動端相連。當(dāng)在秤盤上施加重物時， 彈性元件活動端帶動定極板 1向下移動平板電容，兩極板之間的距離 6發(fā)生變化，從而改變了平板電容器的電容量。通過計算變化的電容量就可以計算出所稱物體的重量。 圖 電容式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 電容傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，動態(tài)特性好，抗過載能力大，對高溫、輻射、強(qiáng)烈振動等惡劣條件適應(yīng)性強(qiáng)，價格便宜等一系列優(yōu)點。因此國內(nèi)外不少人認(rèn)為電容式傳感器是未來最有希望的傳感器。 電阻應(yīng)變式 電阻應(yīng)變式稱重傳感器之所以能作 為質(zhì)量 —電量的轉(zhuǎn)換元件，是基于金屬絲在受拉 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 頁 或受壓后會發(fā)生彈性形變，其電阻值也隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變化這一物理特性實現(xiàn)的。傳感器由兩個部分組成：一為彈性敏感元件，其作用是將待測量轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥泽w的應(yīng)變值 ； 二為電阻應(yīng)變片，它作為一種傳感元件負(fù)責(zé)將彈性體的應(yīng)變值同步轉(zhuǎn)換為電阻值的變化值。傳感器通過上述變化后，必須將其轉(zhuǎn)換成電流或電壓值后才能進(jìn)行測量和顯示。通常采用惠斯 通 電橋?qū)D(zhuǎn)換量進(jìn)行測量。目前電阻應(yīng)變片式稱重傳感器的測量形式主要有懸臂梁式、平行梁式、柱式、 S 型式、輪輻式等等 ，如圖 。 (a)懸臂梁式 (b)平行梁式 (c)柱式 (d)S型式 (e)輪輻式 圖 電阻應(yīng)變片式稱重傳感器的測量形式 電阻應(yīng)變式稱重傳感器具有如下特點： （ 1）穩(wěn)定性、線性度好； （ 2）具有較高的分辨率； （ 3）可以進(jìn)行絕對測量和靜態(tài)稱重，特別是非常適用于精確稱重； （ 4）具有較長的疲勞壽命，一般這一指標(biāo)可達(dá) 106。 電阻應(yīng)變式稱重傳感器的固有缺點 是： （ 1）在動態(tài)稱重中受到較多限制，不適合動態(tài)稱重； （ 2）剛度偏小，固有頻率低； 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 6 頁 （ 3） 適用溫度范圍小，一般為 ﹣ 10 ~ 60176。C； （ 4）容易受溫度的影響，需要進(jìn)行零點和靈敏度溫度補(bǔ)償。 近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，電阻應(yīng)變式稱重傳感器已開始從工業(yè)電子衡器領(lǐng)域發(fā)展到商業(yè)和家用電子衡器領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于商業(yè)、輕工、食品 、 郵電等部門，已經(jīng)成為應(yīng)用較多 、 較廣泛的傳感器形式。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁 2 系統(tǒng)方案及工作原理 方案論證與比較 方案一： 利用 AT89S52 作為主控制芯片；顯示部分采用八段數(shù)碼管；電阻應(yīng)變式稱重傳感器采用雙孔平衡梁式，惠斯通電橋結(jié)構(gòu)；信號放大部分采用集成放大器芯片LM324； AD 轉(zhuǎn)換部分采用 8 通道 8 位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809；存儲部分采用 EEPROM串行存儲方式的 AT24C02 芯片；鍵盤操作部分采用 44 矩陣鍵盤；電源部分采用獨立電源。結(jié)構(gòu)如 圖 。 圖 方案一原理框圖 此方案不足的地方有：該電子稱重儀要求能顯示類別、單價、重量和總金額，用的數(shù)碼管很多，就需要外加至少兩片 MAX7219，占用單片機(jī)較多的 I/O 口 ，由于該電子稱重儀是用獨立電源供電，需要功耗消耗少，數(shù)碼管數(shù)量多會增加能量的消耗； ADC0809是 8 位分辨率的 AD 轉(zhuǎn)換芯片，若設(shè)定的承重上限為 10Kg， 10000/255≈40，即最小精度40g，誤差太大，滿足不了要求，此外 ADC0809 是逼近式并行轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，占用單片機(jī)過多的 I/O 口，需要外加鎖存器，增加了芯片的數(shù)量，也增加了能量的消耗。 方案二：采用 STC89C52 作為主控芯片；顯示部分采用 12864LCD 液晶顯示；稱重傳感器采用雙孔平衡梁式，電阻應(yīng)變式；惠斯通電橋輸出信號利用 LM324 組成差動放大電路進(jìn) 行放大； AD 轉(zhuǎn)換部分采用 11 通道 12 位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 TLC2543；存儲部分采用 AT24C02；鍵盤操作采用 44 矩陣鍵盤；電源為獨立電源。 組成 如 圖 所示。 此方案較方案二優(yōu)點有： STC89C52 單片機(jī)完全兼容 AT89S52，國產(chǎn)芯片，價格便宜，低功耗，穩(wěn)定可靠； 12864LCD 液晶顯示可顯示漢字，能夠提供友好客戶界面，控 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 8 頁 圖 方案二原理框圖 制管腳少，占用單片機(jī) I/O 口少，此外，可以選擇液晶背光開或關(guān)，能夠根據(jù)周圍環(huán)境光線的情況不同來節(jié)省電源能量； AD 轉(zhuǎn)換部分的 TLC2543 能進(jìn)行 12 位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，稱重上限 10kg， 10000/4096≈，即最小精度 ，基本滿足要求，且數(shù)據(jù)輸入輸出采用串行通訊，占用單片機(jī) I/O 口少。 鑒于上述內(nèi)容，本設(shè)計采用方案二。 系統(tǒng)組成及基本工作原理 圖 系統(tǒng) 組成 框圖 系統(tǒng)框圖如圖 所示 。 系統(tǒng)由獨立電源部分、稱重傳感器部分、信號放大部分、AD 轉(zhuǎn)換部分、單片機(jī)主控部分、顯示部分、存儲部分和鍵盤控制部分。獨立電源由電池提供， L7805 保證電壓穩(wěn)定在 5V，給整個系統(tǒng)器件供電。稱重傳感器的電橋電路由正壓供電，系統(tǒng)正壓通過 MAX232 產(chǎn)生正負(fù)壓，給運算放大器 LM324 供電，保證工作。當(dāng)有物體放在托盤內(nèi)，由于電阻應(yīng)變片形變產(chǎn)生電壓的變化，稱重傳感器輸出電壓信號，微弱信號通過運放的放大，使之轉(zhuǎn)變成 0 ~ 5V 信號，再由 TLC2543 轉(zhuǎn)換成單片機(jī)識別的數(shù)字信號。單片機(jī)對 AD 部分采集的信號進(jìn)行處理，通過 12864LCD 實時地顯示在液 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 9 頁 晶屏上。通過矩陣鍵盤可以對物品單價進(jìn)行修改，并存儲在 AT24C02 串行 EEPROM 內(nèi)。此外，系統(tǒng)開啟時，可以根據(jù)物品情況通過矩陣鍵盤選擇相應(yīng)的價格，根據(jù)相應(yīng)的按鍵，單片機(jī)從 AT24C02 內(nèi)讀出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 10 頁 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 主控 電路 部分 設(shè)計 單片機(jī)的選用 與基本特性 主控部分采用宏晶科技公司的 STC89C52RC 單片機(jī)， STC89C52RC 單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的 8051單片機(jī)。 STC89C52 單片機(jī)有如下特點： （ 1）增強(qiáng)型 12 時鐘 /機(jī)器周期 8051 CPU （ 2）工作電壓： ~ （ 3）工作頻率范圍： 0 ~ 80MHz （ 4）用戶應(yīng)用程序空間 8K 字節(jié) ROM （ 5）片上集成 5