【正文】 廣泛的應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)作業(yè)、科研研究、交通計數(shù)、內(nèi)外貿(mào)易等各個領(lǐng)域，與人民的生活緊緊相連，也是民生、國防、科學(xué)、貿(mào)易中不可缺少的計量工具。電子稱重技術(shù)作為工業(yè)控制系統(tǒng)和商業(yè)管理系統(tǒng)的重要組成，不但是提供重量數(shù)據(jù)的單體儀器，而且推進了工業(yè)自動化生產(chǎn)和現(xiàn)代化管理，它起到了減少作業(yè)時間、改良操作條件、降低能源材料的耗損、提高產(chǎn)品質(zhì)量。以及加強企業(yè)管理和改善經(jīng)營等多方面的應(yīng)用。因此電子稱量技術(shù)水平的高低，將直接影響著各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會經(jīng)濟效益的發(fā)展和變化 [2]。 電子衡器的研究現(xiàn)狀 國內(nèi)外發(fā) 展情況 從國際上看，隨著二十世經(jīng)濟發(fā)展越來越快，為了能夠把稱重技術(shù)引入到越來越先進生產(chǎn)工藝中去，使稱重技術(shù)的發(fā)展越來越智能化，希望稱重過程向自動化發(fā)展，因此電子技術(shù)不斷進入衡器 3 制造業(yè)。在 1954 年使用了帶新式打印機的傾斜式秤，其輸出信號能夠控制商用結(jié)算器，并且用電磁鐵機構(gòu)與人工操作系統(tǒng)的按鍵與辦公機器聯(lián)用。在 1960 年開發(fā)出了與衡器相聯(lián)的專門稱重值打印機。在當(dāng)時帶有電子裝置的衡器其稱重工作是機械式的，但其中稱重有關(guān)的顯示記錄和遠傳式控制器等功能是電子自動方式。電子秤的發(fā)展過程與其他事物一樣，同樣經(jīng)歷了由簡 單到復(fù)雜變換、由粗糙到精密變化、由機械到機電結(jié)合再到全面電子化、再由單一功能到多功能發(fā)展的過程。 在國內(nèi)，我國的稱重技術(shù)在 20 世紀 40 年代以前還全是機械式的桿秤和臺秤， 40 年代開始發(fā)展了機電結(jié)合式的稱量技術(shù)。 50 年代開始，出現(xiàn)了以稱重傳感器為主的電子秤。 80 年代以來，我國通過自行研究和探索消化吸收和技術(shù)改造。已由傳統(tǒng)機械式衡器步入集傳感器、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和一體化的電子衡器發(fā)展階段。目前，由于電子衡器具有稱量快、讀數(shù)方便、能在惡劣條件下工作、便于與計算機技術(shù)結(jié)合而實現(xiàn)稱重技術(shù)和過程控制的自動化特點，已 被廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、能源交通、商業(yè)貿(mào)易和科學(xué)技術(shù)等各個部門，但商用電子稱在國內(nèi)的發(fā)展，并沒有像其他功用的電子秤一樣取得飛速的發(fā)展，只有在部分大型超市可以看到多功能電子稱的運用，但其造價高操作復(fù)雜，無法在中小市場得到廣泛的推廣應(yīng)用，中小市場仍然依賴于傳統(tǒng)的桿秤和簡易的低精度電子稱，但隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，以及衡器工藝技術(shù)的不斷完善，更多品種的的電子稱研發(fā)必然會推動中小市場電子秤的改進。 電子稱的發(fā)展方向 電子稱的發(fā)展動向為：小型化、模塊化、智能化、集成化；其技術(shù)性能趨向于速率高、準確度高、可靠 性高；其應(yīng)用性趨向于綜合性、組合性；而且更需要向多種功能的方向發(fā)展。 目前電子稱的附加功能主要有以下幾種： (1)具有皮重、凈重顯示、語音播報等功能呢。電子稱部分已具備了動態(tài)稱量模式，即通過進行算術(shù)平均、積分處理和自動調(diào)零等方法，消除上述的誤差； (2)電子稱附加了計算機信息補償處理裝置，可以進行自診斷、自校正和多種補償計算和處理； (3)附加單價總額計算功能。目前的電子稱有附加多種計算和數(shù)據(jù)額處理功能，以滿足多種使用的要求 [3]。 課題的研究意義 今后，隨著電子高科技的快速發(fā)展，電子稱重技術(shù)也定將 日新月異。功能更加齊全的高精度的先進電子稱將會不斷問世，其應(yīng)用范圍也會更加廣闊。從實際情況看來，目前中小型市場上使用的稱量工具，主要還是以桿秤、臺秤、小型簡易電子稱為主，操作簡單但精度比較低，而且調(diào)整時間長，運行不可靠，易損件多，維修困難，能源消耗大，生產(chǎn)成本比較高。這些特點導(dǎo)致了中小型市場上電子稱產(chǎn)品的整體水平偏低，產(chǎn)品質(zhì)量在低水平徘徊。在這些中小型市場，稱重儀器選擇的局限性，已逐漸無法滿足越來越走向現(xiàn)代化的需求，對電子稱的要求不僅僅要簡便而且要更公平更合理，對精度不僅有要求，對功能也有更多的期望，電子稱 不僅要稱量較重物體，還能夠更精確的稱量較輕的物體，比如茶葉和藥材等，要求精度更高，稱量更準確。雙精度電子稱便是基于此而提出 4 的研發(fā)課題，不僅能夠自動切換精度進行測量不同物體，還能夠克服上述諸多缺點，實現(xiàn)操作簡易、維修容易、調(diào)整時間短、不易損壞等特點，還具有較大的實用價值。 本文的設(shè)計思路 隨著微控制器技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展和計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)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(shè)計過程中，除了能實現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能外，設(shè)計兩個稱重電路以對應(yīng)不同精度、不同承重范圍的物品，還增加了超重提示功能 ，在連接電路圖時，選用盡量少的管腳來實現(xiàn)設(shè)計的全部功能，這樣方便以后的功能拓展，比如可以實現(xiàn)和其他機器或設(shè)備（包括上位 PC機和數(shù)據(jù)存儲設(shè)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 AT89系列單片機，在系統(tǒng)更新?lián)Q代的時候，只需要增加很少的硬件電路，甚至僅僅刪改系統(tǒng)控制程序就能夠?qū)崿F(xiàn)。 電子秤不僅要向高精度、高可靠方向發(fā)展，而且更需向多種功能的方向發(fā)展。據(jù)悉 , 目前電子秤的附加功能主要有這些方面：電子秤附加了計算機信息補償處理裝置，可以進行自診斷、自校正和多種補償計算和處理；具有皮重、凈重顯 示等特種功能。電子秤有些已具備了動態(tài)稱量模式 , 即通過進行算術(shù)平均、積分處理和自動調(diào)零等方法 , 消除上述的誤差；附加特殊的數(shù)據(jù)處理功能。目前的電子秤有附加多種計算和數(shù)據(jù)處理功能 , 以滿足多種使用的要求。 另外由于實際應(yīng)用當(dāng)中，稱重器可以有一定量的過載，但不能超出要求的范圍，系統(tǒng)自動零顯示，提示出錯。 綜上所述 ,本課題的主要設(shè)計思路是：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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)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(yīng)的處理后，得出當(dāng)前所稱物品的重量及總 額，然后再顯示出來。本文主要以下幾個方面的工作： (1)詳細講解了稱重器工作原理。 (2)對稱重器系統(tǒng)進行總體方案的設(shè)計。 (3)對于稱重器的硬件系統(tǒng)，重點介紹關(guān)于精度、轉(zhuǎn)換速率的壓力傳感器和 A/D轉(zhuǎn)換模塊器件的選取。 圖 11 設(shè)計思路框圖 (4)對于稱重器的軟件系統(tǒng)，通過解說 LCD液晶顯示，對于主程序的編寫與調(diào)試提供重要的依據(jù)。 (5)依據(jù)稱重系統(tǒng)的總電路，通過 Keil軟件 C語言編程和 Proteus仿真，實現(xiàn)模擬的稱重顯示。 (6)對稱重系統(tǒng)的測量值與顯示值 的差值，進行系統(tǒng)的調(diào)試與誤差校正。 報警電路 壓力傳感器 信號轉(zhuǎn)換 單 片 機 鍵盤控制 LCD 顯示 電源輸入 5 主要技術(shù)指標為：稱量范圍 0～ 5Kg。分度值 。精度等級 Ⅲ 級 。電源 DC 9V。這種高精度智能電子秤體積小、計量準確、攜帶方便 ,集重量稱量功能于一體 ,能夠滿足商業(yè)貿(mào)易和居民家庭的使用需求。 2 系統(tǒng)方案論證與硬件選型 系統(tǒng)總體設(shè)計方案的比較與論證 在設(shè)計系統(tǒng)時，針對各個模塊實現(xiàn)的功能來設(shè)計電子秤的方案有以下幾種： 方案一 數(shù)碼管顯示。此方案利用數(shù)碼管顯示物體重量，簡單可行，可以采用內(nèi)部帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的單片機。此設(shè)計的硬件部分簡單，接口電路易于實 現(xiàn)，并且在編程時大大減少程序量，在電路結(jié)構(gòu)上只有簡單的輸出輸入關(guān)系。缺點是：硬件部分簡單，雖然可以實現(xiàn)電子稱基本的稱重功能，但是不能實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的輸入，無法實時地設(shè)定各種控制參數(shù)。由于數(shù)碼管只能實現(xiàn)簡單的數(shù)字和英文字符的顯示，不能顯示漢字以及其他的復(fù)雜字符，不能達到顯示購物清單的要求。又因為采用了具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的單片機，系統(tǒng)電路過于簡單，系統(tǒng)硬件的擴展必受到限制，電子秤的功能過于單一，達不到設(shè)計的標準。結(jié)構(gòu)如圖 21 所示： 圖 21 數(shù)碼管顯示方案 方案二 在前一種方案的基礎(chǔ)上進行擴展，增加一鍵 盤控制裝置，增加外界對單片機內(nèi)部的數(shù)據(jù)設(shè)定，使電子稱實現(xiàn)稱重計價的功能。結(jié)構(gòu)簡圖如圖 22 所示： 圖 22 帶有鍵盤輸入的結(jié)構(gòu)簡圖 此方案設(shè)計的電子秤，可以實現(xiàn)稱物計價功能，但是局限于數(shù)碼管的功能，在顯示時只能顯示單價、購物總額以及簡單的貨物代碼等。在顯示重量時，如果數(shù)碼管沒有足夠的位數(shù)，那么稱量物體重量的精度必受到限制，所以此方案需要較多的數(shù)碼管接入電路中。這樣在處理輸入輸出接口時需要另行擴展足夠多的 I/O 接口供數(shù)碼管使用，比較麻煩。 方案三 前端信號處理時，選用放大、信號轉(zhuǎn)換等措施， 尤其在顯示方面采用具有字符圖文顯示功能的 LCD 顯示器。這種方案不僅加強了人機交換的能力，而且滿足設(shè)計要求，可以顯示購物清單和所稱量的物體信息等相關(guān)內(nèi)容。結(jié)構(gòu)簡圖如圖 23 所示 : 數(shù)據(jù)采集 數(shù)碼管顯示 單片機 數(shù)據(jù)采集 鍵盤輸入 數(shù)碼管顯示 單片機 單 片 機 LCD 顯示 6 圖 23 LCD 顯示的方案 目前單片機技術(shù)比較成熟，功能也比較強大，被測信號經(jīng)放大整形后送入單片機，由單片機對測量信號進行處理并根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)關(guān)系譯碼顯示出被測物體的重量。單片機控制適合于功能比較簡單的控制系統(tǒng) ,而且其具有成本低 ,功耗低 ,體積小算術(shù)運算功能強 ,技術(shù)成熟等優(yōu)點。但其缺點是外 圍電路比較復(fù)雜 ,編程復(fù)雜。使用這種方案會給系統(tǒng)設(shè)計帶來一定的難度。 方案四 采用以現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)為控制核心，利用 EDA 軟件編程，下載燒制實現(xiàn)。系統(tǒng)集成于一片 Xilinx 公司的 SpartanⅡ 系列 XC2S100E 芯片上，體積大大減小、邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍廣等特點，可實現(xiàn)大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路 [4]。 采用 FPGA 測頻測量精度高，測量頻率范圍大，而且編程靈活、調(diào)試方便，設(shè)計要求的精度較高，所以要求系統(tǒng)的穩(wěn)定性要好，抗干擾能力要強。從中可以看到系統(tǒng)的基本工作流程和各單元電路所用到的 核心器件。其中控制器采用 Xilinx 公司可編程器件 FPGA 為核心，基于 ISE 軟件平臺，采用 VHDL 編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、 LED 和 LCD 驅(qū)動、時鐘芯片的 I2C 通訊、鍵盤控制等模塊。結(jié)構(gòu)簡圖如圖 24 所示： FPGA 的邏輯容量密度大，集成度高，可大大減少印刷電路板的空間，減低系統(tǒng)功耗，同時還可以提高設(shè)計的工藝性和產(chǎn)品的可靠性。 雖然以 FPGA 為核心的電子稱系統(tǒng)很優(yōu)化，但只有在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中其高集成度才能更好得以體現(xiàn)。其主要在 PC 機接口卡的總線接口、程控交換機的信號處理與接口、雷達聲納系統(tǒng)的成像控制與數(shù)字處 理、數(shù)控機床的測試系統(tǒng)等方面有廣泛應(yīng)用。鑒于本電子稱的設(shè)計并不太復(fù)雜，單片機完全能實現(xiàn)所需功能，所以在具體設(shè)計時，采用了第三種設(shè)計方案。 圖 24 電子稱系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖 硬件方案設(shè)計與論證 CPU 的選擇方案 本文基于以單片機為主控制器的設(shè)計，可以容易地將計算機技術(shù)和測量控制技術(shù)結(jié)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報警電路 壓力傳感器 AD 轉(zhuǎn)換器 鍵盤控制 時鐘芯片 信號轉(zhuǎn)換 FPGA 報警電路 鍵盤控制 LCD 顯示 壓力傳感器 7 在測量過程自動化、測量結(jié)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。 STC 公司的 51 系列的單片機都可使用，在這里選用 STC 生產(chǎn)的 STC89C52 單片機 [5]。 STC89C52 的優(yōu)勢： 第一， STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。 第二， STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS51 內(nèi)核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高 靈活、超有效的解決方案。 第三， 具有以下標準功能： 8k 字節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置 4KB EEPROM， MAX810 復(fù)位電路， 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器， 4 個外部中斷，一個 7 向量 4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng) 51 的 5 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。 第四， STC89X52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式 下 ， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率 35MHz， 6T/12T可選。 傳感器的選擇 傳感器的定義：能感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中敏感元件指傳感器中能直接感受被測量的部分，轉(zhuǎn)換部分指傳感器中能將敏感元件輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號部分?，F(xiàn)代科技的快速發(fā)展使人類社會進入了信息時代，在 信息時代人們的社會活動將主要依靠對信息資源的開發(fā)和獲取 、傳輸和處理，而傳感器處于自動檢測與控制系統(tǒng)之首，是感知獲取與檢測信息的窗口；傳感器處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置，一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過程要獲取的信息，都要通過它轉(zhuǎn)換為易傳輸與處理的電信號 [6]。 稱重傳感器是力傳感器當(dāng)中