【正文】 河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 1 第 1章 緒 論 在我們生活中經常都需要測量物體的重量，于是就用到秤，但是隨著社會的進步、科學的發(fā)展，我們對其要求操作方便、易于識別。隨著計量技術和電子技術的發(fā)展，傳統(tǒng)純機械結構的桿秤、臺秤、磅秤等稱量裝置逐步被淘汰，電子稱量裝置電子秤、電子天平等以其準確、快速、方便、顯示直觀等諸多優(yōu)點而受到人們的青睞。電子秤向提高精度和降低成本方向發(fā)展的趨勢引起了對低成本、高性能模擬信號處理器件需求的增加。通過分析近年來電子衡器產品的發(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。 選題背景和意義 稱重技術自古以來就被人們所重視，作為一種計量手段，廣泛應用于工農業(yè)、科研、交通、內外貿易等各個領域，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、內外貿易不可缺少的計量設備，衡器產品技術水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現代化水平和社會經濟效益的提高。稱重裝置不僅是提供重量數 據的單體儀表，而且作為工業(yè)控制系統(tǒng)和商業(yè)管理系統(tǒng)的一個組成部分，推進了工業(yè)生產的自動化和管理的現代化，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、提高產品質量以及加強企業(yè)管理、改善經營管理等多方面的作用。稱重裝置的應用已遍及到國民經濟各領域，取得了顯著的經濟效益。 電子秤是稱重技術中的一種新型儀表，廣泛應用于各種場合。電子秤與機械秤比較有體積小、重量輕、結構簡單、價格低、實用價值強、維護方便等特點，可在各種環(huán)境工作，重量信號可遠傳，易于實現 重量顯示數字化，易于與計算機聯網，實現生產過程自動化，提 高勞動生產率。例如標簽秤在超市中的應用已經是耳聞目睹的了。一張小小的標簽包含著：品名、價格、重量等，一一列表在這小小的電子標簽上。標簽機的使用大大加快了銷售速度，也方便了顧客。頂尖條碼標簽稱有著許多卓越的特點，以太網功能使管理更加方便 。 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 年代初期出現機電結合式電子衡器以來， 隨著時代科技的迅猛發(fā)展，微電子學和計算機等現代電子技術的成就基于單片機的電子稱設計 2 給傳統(tǒng)的電子測量與儀器帶來了巨大的沖擊和革命性的影響。 經過 40 多年的不斷改 進與完善，衡器技術也在不斷進步和提高。從世界水平看，衡器技術已經經歷了四個階段，從傳統(tǒng)的全部由機械元器件組成的機械稱到用電子線路代替部分機械元器件的機電結合秤，再從集成電路式到目前的單片機系統(tǒng)設計的電子計價秤。我國電子衡器從最初的機電結合型發(fā)展到現在的全電子型和數字智能型。現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字測量發(fā)展；測量特點從單參數測量向多參數測量發(fā)展。 常規(guī)的測試儀器儀表和控制裝置被更先進的智能儀器所取代，使得傳統(tǒng)的電子測量儀器在遠離、功能 、精度及自動化水平定方面發(fā)生了巨大變化，并相應的出現了各種各樣的智能儀器控制系統(tǒng)，使得科學實驗和應用工程的自動化程度得以顯著提高。 國內外電子稱發(fā)展及成果 隨著第二次世界大戰(zhàn)后的經濟繁榮，為了把稱重技術引入到生產工藝過程中去，對稱重技術提出了心動要求，希望稱重過程自動化，為此電子技術滲入衡器制造業(yè)。在 1954 年使用了帶新式打印機的傾斜式秤，其輸出信號能控制商用結算器，并且用電磁鐵機構與人工操作的按鍵與辦公機器聯用。在 1960 年開發(fā)出了與衡器相聯的專門稱重值打印機。當時帶電子裝置的衡器其稱量工作是機械 式的，但與稱量有關的顯示、記錄、遠傳式控制器等功能是電子方式的。電子稱的發(fā)展過程與其他事物一樣，也經歷了由簡單到復雜、又粗糙到精密、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，工藝流程中的現場稱重、配料定量稱重、以及產品質量的監(jiān)測等工作，都離不開能輸出信號的電子衡器。這是由于電子衡器不僅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)生產和貿易交往的自動化和合理化。近年來電子稱已愈來愈多地參與到數據的處理和控制過程中?，F代稱重技術和數據系統(tǒng) 已經成為工藝技術、儲運技術、預包裝技術、收貨業(yè)務及商業(yè)銷售領域中不可或缺的組成部分。隨著稱重傳感器各項性能的不斷突破，為電子稱的發(fā)展奠定了基礎，國外如美國、西歐等一些國家在 20 世紀 60 年代就出現了 %稱量準確度的電子稱，并在 70 年代中期約對 75%的機械稱進行了機電結合式改造。 我國的衡器在 20 世紀 40 年代以前還全是機械式的， 40 年代開始發(fā)展了機電結合式的衡器。 50 年代開始出現了以稱重傳感器為主的電子衡器。 80 年代以來，我國通過自行研究引進消化吸收和技術改造。已由傳統(tǒng)的機械式衡器步入集傳感器、微電子技術、 計算機技術與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、讀數方便、能在惡劣條件下工作、便于與計算機技術相結合而實現稱重技術和過程控制的自動化特點，已被廣泛應用于工河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 3 礦企業(yè)、能源交通、商業(yè)貿易和科學技術等各個部門、隨著稱重傳感器技術以及超大規(guī)模集成電路和微處理器的進一步發(fā)展，電子稱重技術及其應用范圍將更進一步的發(fā)展，并被人們越來越重視。電子衡器產品量大面廣、種類繁多，從通用的各種規(guī)格的電子稱到大型的電子稱重系統(tǒng)，從單純的稱重、計價到生產過程檢測系統(tǒng)的一個測量控制單元，其應用領域不斷地擴大。根據近些年 來電子稱重技術和電子衡器的發(fā)展情況及電子衡器市場的需求，電子稱的發(fā)展動向為：小型化、模塊化、智能化、集成化；其技術性能趨向于速率高、準確度高、可靠性高；其應用性趨向綜合性、組合性。 本論文的研究內容及結構安排 首先是通過壓力傳感器采集到被測物體的重量并將其轉換成電壓信號。輸出電壓信號通常很小，需要通過前端信號處理電路進行準確的線性放大。放大后的模擬電壓信號經 V/F 轉換電路轉換成數字量被送入到主控電路的單片機中，再經過單片機控制譯碼顯示器，從而顯示出被測物體的重量。按照設計的基本要求，系統(tǒng)可分為三大模 塊，數據采集模塊、控制器模塊、人機交互界面模塊。其中數據采集模塊由壓力傳感器、信號的前級處理和 V/F 轉換部分組成。轉換后的數字信號送給控制器處理，由控制器完成對該數字量的處理，驅動顯示模塊完成人機間的信息交換。此部分對軟件的設計要求比較高，系統(tǒng)的大部分功能都需要軟件來控制。在擴展功能上，本設計增加了一個過載報警提示。 本文的結構安排如下： 第 1 章緒論，簡單介紹了本課題電子稱的研究背景、研究目的、意義及國內外的研究狀況。 第 2 章系統(tǒng)方案設計，本章主要內容是電子稱的方案設計，首先是對整體的方案進行選擇與設計，再 針對各個模塊（傳感器、放大模塊、信號轉換模塊、電源模塊、人機交界模塊）進行具體的方案論證及設計。 第 3 章系統(tǒng)硬件設計，在選定各個模塊的方案中，對各方案的用到的主要芯片進行簡單功能介紹及應用，并且給出了本次電路設計的具體電路圖。 第 4 章系統(tǒng)軟件設計，本章主要是介紹電子稱的軟件設計，給出了本次設計的主程序流程圖及一些模塊的子程序圖。 最后，對本次的研究課題的主要工作及結果做出了總結與討論，并且指出了本次研究工作中存在的不足和發(fā)現的一些問題。 基于單片機的電子稱設計 4 第 2章 系統(tǒng)方案設計 系統(tǒng)總體設計方案比較與論證 在設計 系統(tǒng)時，針對各個模塊實現的功能來設計電子秤的方案有以下幾種： 方案一 數碼管顯示： 結構簡圖如圖 所示 。 圖 數碼管顯示方案 圖 數碼顯示 結構簡圖 此方案利用數碼管顯示物體重量，簡單可行，可以采用內部帶有模數轉換功能的單片機。由此設計出的電子秤系統(tǒng)，硬件部分簡單，接口電路易于實現，并且在編程時大大減少程序量，在電路結構上只有簡單的輸出輸入關系。缺點是：硬件部分簡單，雖然可以實現電子稱基本的稱重功能，但是不能實現外部數據的輸入，無法根據實際情況靈活地設定各種控制參數。由于數碼管只 能實現簡單的數字和英文字符的顯示，不能顯示漢字以及其他的復雜字符，不能達到顯示購物清單的要求。又因為采用了具有模數轉換功能的單片機，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，達不到設計的標準。 方案二 在前一種方案的基礎上進行擴展，增加一鍵盤輸入裝置，增加外界對單片機內部的數據設定，使電子稱實現稱重計價的功能。 結構簡圖如圖 所示。 圖 帶有鍵盤輸入的結構簡圖 此方案設計的電子秤，可以實現稱物計價功能，但是局限于數碼管的功能，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，如果數碼管沒有足夠的位數，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，而且滿足設計要求，可以顯示返回 單片機 數據采集 數碼顯示 數據采集 單片機 數碼管顯示 鍵盤輸入 河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 5 購物清單、所稱量的物體信息等相關內容。 結構簡圖如 圖 所示 。 圖 LCD顯示的方案 目前單片機技術比較成熟，功能 也比較強大，被測信號經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相應的數據關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 ,體積小算術運算功能強 ,技術成熟等優(yōu)點。但其缺點是外圍電路比較復雜 ,編程復雜。使用這種方案會給系統(tǒng)設計帶來一定的難度。 方案四 采用現場可編程門陣列 (FPGA)為控制核心 采用現場可編程門陣列 (FPGA)為控制核心，利用 EDA 軟件編程，下載燒制實現。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，可實現大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路。 采用 FPGA 測頻測量精度高，測量頻率范圍大，而且編程靈活、調試方便，設計要求的精度較高，所以要求系統(tǒng)的穩(wěn)定性要好，抗干擾能力要強。 從下圖中可以看到系統(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 編程實現數據處理、LED 和 LCD 驅動、時鐘芯片的 I2C 通訊、鍵盤控制等模塊。 結構簡圖如圖 所示 。 圖 電子稱系統(tǒng)的組成結構圖 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，同時還可以提高設計的工藝性和產品的可靠性。 壓力傳感器 信號放大 信號轉換 單片機 鍵盤控制 LCD 顯示 基于單片機的電子稱設計 6 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。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)的成像控制與數字處理、數控機床的測試系統(tǒng)等方面有廣泛應用。鑒于本電子稱的設計并不太復雜，單片機完全能實現所需功能，所以在具體設計時，采用了第三種設計方案。 硬件的方案設計與論證 傳感器 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，轉換部分指傳感器中能將敏感元件輸出量轉換為適于傳輸和測量的電信號部分?，F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，一切科學研究和生產過程要獲取的信息，都要通過它轉換為易傳輸與處理的電信 號。因此，傳感器的地位與作用特別重要。 傳感器的作用是人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現象和規(guī)律以及生產活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。 傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。 傳 感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關，所以它們之間的關系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個不含時間變量的代數方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數有：線性度、靈敏度、遲滯、重復性、漂移等。 傳感器動態(tài)