【正文】 廣泛的應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)作業(yè)、科研研究、交通計(jì)數(shù)、內(nèi)外貿(mào)易等各個(gè)領(lǐng)域，與人民的生活緊緊相連，也是民生、國(guó)防、科學(xué)、貿(mào)易中不可缺少的計(jì)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(jìn)了工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)和現(xiàn)代化管理，它起到了減少作業(yè)時(shí)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(qiáng)企業(yè)管理和改善經(jīng)營(yíng)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(huì)經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)展和變化 [2]。 電子衡器的研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)外發(fā) 展情況 從國(guó)際上看，隨著二十世經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來(lái)越快，為了能夠把稱重技術(shù)引入到越來(lái)越先進(jìn)生產(chǎn)工藝中去，使稱重技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越智能化，希望稱重過(guò)程向自動(dòng)化發(fā)展，因此電子技術(shù)不斷進(jìn)入衡器 3 制造業(yè)。在 1954 年使用了帶新式打印機(jī)的傾斜式秤，其輸出信號(hào)能夠控制商用結(jié)算器，并且用電磁鐵機(jī)構(gòu)與人工操作系統(tǒng)的按鍵與辦公機(jī)器聯(lián)用。在 1960 年開(kāi)發(fā)出了與衡器相聯(lián)的專門稱重值打印機(jī)。在當(dāng)時(shí)帶有電子裝置的衡器其稱重工作是機(jī)械式的，但其中稱重有關(guān)的顯示記錄和遠(yuǎn)傳式控制器等功能是電子自動(dòng)方式。電子秤的發(fā)展過(guò)程與其他事物一樣，同樣經(jīng)歷了由簡(jiǎn) 單到復(fù)雜變換、由粗糙到精密變化、由機(jī)械到機(jī)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(guò)程。 在國(guó)內(nèi)，我國(guó)的稱重技術(shù)在 20 世紀(jì) 40 年代以前還全是機(jī)械式的桿秤和臺(tái)秤， 40 年代開(kāi)始發(fā)展了機(jī)電結(jié)合式的稱量技術(shù)。 50 年代開(kāi)始，出現(xiàn)了以稱重傳感器為主的電子秤。 80 年代以來(lái)，我國(guó)通過(guò)自行研究和探索消化吸收和技術(shù)改造。已由傳統(tǒng)機(jī)械式衡器步入集傳感器、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合而實(shí)現(xiàn)稱重技術(shù)和過(guò)程控制的自動(dòng)化特點(diǎn)，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(gè)部門，但商用電子稱在國(guó)內(nèi)的發(fā)展，并沒(méi)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(yùn)用，但其造價(jià)高操作復(fù)雜，無(wú)法在中小市場(chǎng)得到廣泛的推廣應(yīng)用，中小市場(chǎng)仍然依賴于傳統(tǒng)的桿秤和簡(jiǎn)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(huì)推動(dòng)中小市場(chǎng)電子秤的改進(jìn)。 電子稱的發(fā)展方向 電子稱的發(fā)展動(dòng)向?yàn)椋盒⌒突⒛K化、智能化、集成化；其技術(shù)性能趨向于速率高、準(zhǔn)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(yǔ)音播報(bào)等功能呢。電子稱部分已具備了動(dòng)態(tài)稱量模式，即通過(guò)進(jìn)行算術(shù)平均、積分處理和自動(dòng)調(diào)零等方法，消除上述的誤差； (2)電子稱附加了計(jì)算機(jī)信息補(bǔ)償處理裝置，可以進(jìn)行自診斷、自校正和多種補(bǔ)償計(jì)算和處理； (3)附加單價(jià)總額計(jì)算功能。目前的電子稱有附加多種計(jì)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(jìn)電子稱將會(huì)不斷問(wèn)世，其應(yīng)用范圍也會(huì)更加廣闊。從實(shí)際情況看來(lái)，目前中小型市場(chǎng)上使用的稱量工具，主要還是以桿秤、臺(tái)秤、小型簡(jiǎn)易電子稱為主，操作簡(jiǎn)單但精度比較低，而且調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)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(diǎn)導(dǎo)致了中小型市場(chǎng)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(chǎng)，稱重儀器選擇的局限性，已逐漸無(wú)法滿足越來(lái)越走向現(xiàn)代化的需求，對(duì)電子稱的要求不僅僅要簡(jiǎn)便而且要更公平更合理，對(duì)精度不僅有要求，對(duì)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(zhǔn)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(dòng)切換精度進(jìn)行測(cè)量不同物體，還能夠克服上述諸多缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)操作簡(jiǎn)易、維修容易、調(diào)整時(shí)間短、不易損壞等特點(diǎn)，還具有較大的實(shí)用價(jià)值。 本文的設(shè)計(jì)思路 隨著微控制器技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電子產(chǎn)品的更新速度達(dá)到了日新月異的地步。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能外，設(shè)計(jì)兩個(gè)稱重電路以對(duì)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(shí)，選用盡量少的管腳來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的全部功能，這樣方便以后的功能拓展，比如可以實(shí)現(xiàn)和其他機(jī)器或設(shè)備（包括上位 PC機(jī)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jī)，在系統(tǒng)更新?lián)Q代的時(shí)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(jì)算機(jī)信息補(bǔ)償處理裝置，可以進(jìn)行自診斷、自校正和多種補(bǔ)償計(jì)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(dòng)態(tài)稱量模式 , 即通過(guò)進(jìn)行算術(shù)平均、積分處理和自動(dòng)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(jì)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(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，稱重器可以有一定量的過(guò)載，但不能超出要求的范圍，系統(tǒng)自動(dòng)零顯示，提示出錯(cuò)。 綜上所述 ,本課題的主要設(shè)計(jì)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(hào)，經(jīng)過(guò)電壓放大電路放大，然后再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后把數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)。單片機(jī)經(jīng)過(guò)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(lái)。本文主要以下幾個(gè)方面的工作： (1)詳細(xì)講解了稱重器工作原理。 (2)對(duì)稱重器系統(tǒng)進(jìn)行總體方案的設(shè)計(jì)。 (3)對(duì)于稱重器的硬件系統(tǒng)，重點(diǎn)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(jì)思路框圖 (4)對(duì)于稱重器的軟件系統(tǒng)，通過(guò)解說(shuō) LCD液晶顯示，對(duì)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(guò) Keil軟件 C語(yǔ)言編程和 Proteus仿真，實(shí)現(xiàn)模擬的稱重顯示。 (6)對(duì)稱重系統(tǒng)的測(cè)量值與顯示值 的差值，進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試與誤差校正。 報(bào)警電路 壓力傳感器 信號(hào)轉(zhuǎn)換 單 片 機(jī) 鍵盤控制 LCD 顯示 電源輸入 5 主要技術(shù)指標(biāo)為：稱量范圍 0～ 5Kg。分度值 。精度等級(jí) Ⅲ 級(jí) 。電源 DC 9V。這種高精度智能電子秤體積小、計(jì)量準(zhǔn)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(jì)方案的比較與論證 在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，針對(duì)各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)設(shè)計(jì)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(jiǎn)單可行，可以采用內(nèi)部帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)。此設(shè)計(jì)的硬件部分簡(jiǎn)單，接口電路易于實(shí) 現(xiàn)，并且在編程時(shí)大大減少程序量，在電路結(jié)構(gòu)上只有簡(jiǎn)單的輸出輸入關(guān)系。缺點(diǎn)是：硬件部分簡(jiǎn)單，雖然可以實(shí)現(xiàn)電子稱基本的稱重功能，但是不能實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的輸入，無(wú)法實(shí)時(shí)地設(shè)定各種控制參數(shù)。由于數(shù)碼管只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(dá)到顯示購(gòu)物清單的要求。又因?yàn)椴捎昧司哂心?shù)轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)，系統(tǒng)電路過(guò)于簡(jiǎn)單，系統(tǒng)硬件的擴(kuò)展必受到限制，電子秤的功能過(guò)于單一，達(dá)不到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)行擴(kuò)展，增加一鍵 盤控制裝置，增加外界對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)設(shè)定，使電子稱實(shí)現(xiàn)稱重計(jì)價(jià)的功能。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 22 所示： 圖 22 帶有鍵盤輸入的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 此方案設(shè)計(jì)的電子秤，可以實(shí)現(xiàn)稱物計(jì)價(jià)功能，但是局限于數(shù)碼管的功能，在顯示時(shí)只能顯示單價(jià)、購(gòu)物總額以及簡(jiǎn)單的貨物代碼等。在顯示重量時(shí)，如果數(shù)碼管沒(méi)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(shí)需要另行擴(kuò)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(hào)處理時(shí)，選用放大、信號(hào)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(qiáng)了人機(jī)交換的能力，而且滿足設(shè)計(jì)要求，可以顯示購(gòu)物清單和所稱量的物體信息等相關(guān)內(nèi)容。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 23 所示 : 數(shù)據(jù)采集 數(shù)碼管顯示 單片機(jī) 數(shù)據(jù)采集 鍵盤輸入 數(shù)碼管顯示 單片機(jī) 單 片 機(jī) LCD 顯示 6 圖 23 LCD 顯示的方案 目前單片機(jī)技術(shù)比較成熟，功能也比較強(qiáng)大，被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大整形后送入單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)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(cè)物體的重量。單片機(jī)控制適合于功能比較簡(jiǎn)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(yùn)算功能強(qiáng) ,技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。但其缺點(diǎn)是外 圍電路比較復(fù)雜 ,編程復(fù)雜。使用這種方案會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的難度。 方案四 采用以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA)為控制核心，利用 EDA 軟件編程，下載燒制實(shí)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(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路 [4]。 采用 FPGA 測(cè)頻測(cè)量精度高，測(cè)量頻率范圍大，而且編程靈活、調(diào)試方便，設(shè)計(jì)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(qiáng)。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(tái)，采用 VHDL 編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、 LED 和 LCD 驅(qū)動(dòng)、時(shí)鐘芯片的 I2C 通訊、鍵盤控制等模塊。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)還可以提高設(shè)計(jì)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(jī)接口卡的總線接口、程控交換機(jī)的信號(hào)處理與接口、雷達(dá)聲納系統(tǒng)的成像控制與數(shù)字處 理、數(shù)控機(jī)床的測(cè)試系統(tǒng)等方面有廣泛應(yīng)用。鑒于本電子稱的設(shè)計(jì)并不太復(fù)雜，單片機(jī)完全能實(shí)現(xiàn)所需功能，所以在具體設(shè)計(jì)時(shí)，采用了第三種設(shè)計(jì)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(jì)與論證 CPU 的選擇方案 本文基于以單片機(jī)為主控制器的設(shè)計(jì)，可以容易地將計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)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(cè)量控制系統(tǒng)”。這種新型的智能儀表報(bào)警電路 壓力傳感器 AD 轉(zhuǎn)換器 鍵盤控制 時(shí)鐘芯片 信號(hào)轉(zhuǎn)換 FPGA 報(bào)警電路 鍵盤控制 LCD 顯示 壓力傳感器 7 在測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化、測(cè)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(jìn)展。 STC 公司的 51 系列的單片機(jī)都可使用，在這里選用 STC 生產(chǎn)的 STC89C52 單片機(jī) [5]。 STC89C52 的優(yōu)勢(shì)： 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(chǔ)器。 第二， STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS51 內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機(jī)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(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置 4KB EEPROM， MAX810 復(fù)位電路， 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器， 4 個(gè)外部中斷，一個(gè) 7 向量 4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng) 51 的 5 向量 2 級(jí)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(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)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(cè)量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)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?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分，轉(zhuǎn)換部分指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性敵隽哭D(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分。現(xiàn)代科技的快速發(fā)展使人類社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)代，在 信息時(shí)代人們的社會(huì)活動(dòng)將主要依靠對(duì)信息資源的開(kāi)發(fā)和獲取 、傳輸和處理，而傳感器處于自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)之首，是感知獲取與檢測(cè)信息的窗口；傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)控系統(tǒng)的接口位置，一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過(guò)程要獲取的信息，都要通過(guò)它轉(zhuǎn)換為易傳輸與處理的電信號(hào) [6]。 稱重傳感器是力傳感器當(dāng)中