【文章內容簡介】 著電子高科技的快速發(fā)展 ，電子稱重技術也 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，而且調整時間長，運行不可靠 ，易損件多，維修困難 ，能源消耗大，生產成本 比較 高。 這些特點導致了中小型 市場上電子稱 產品的整體水平 偏低 ，產品質量在低水平徘徊。 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。 本文的設計思路 隨著 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，電子產品的更新速度達到了 日新月異的地步。本系統(tǒng)在設計過程中，除了能實現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能外，設計兩個稱重電路以對應不同精度、不同承重范圍的物品， 還增加了 超重提示 功能 ， 在連 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁 接電路圖時，選用盡量少的管腳來實現(xiàn)設計的全部功能，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 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 能夠實現(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 , 即通過進行算術平均、積分處理和自動調零等方法 , 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。 另外由于實際應用當中，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 ,本課題的主要設計思路是：利用壓力傳感器采集因壓力變化產生的電壓信號，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。此外，還可通過鍵盤設定所稱物品的價格。 本文主要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 設計 。 (3)對 于 稱重器的硬件系統(tǒng)，重點介紹 關于 精度、轉換速率的壓力傳感器和 A/D轉換模塊器件的選取。 (4)對 于 稱重器的軟件 系統(tǒng) ， 通過解說 LCD液晶顯示 的使用及鍵盤的工作原理，對于主程序 的編寫與調試 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)的調試與誤差校正。 主要技術指標為：稱量范圍 0～ 10Kg。分度值 。精度等級 Ⅲ 級 。電源 （一節(jié) 5號電池供電）。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁 這種高精度智能電子秤體積小、計量準確、攜帶方便 ,集 重量 稱量功能與價格計算功能于一體 ,能夠滿足商業(yè)貿易和居民家庭的使 用需求。 圖 設計思路框圖 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 8 頁 2 系統(tǒng)方案論證與 硬件 選型 系統(tǒng)總體設計方案的比較與論證 在設計系統(tǒng)時，針對各個模塊實現(xiàn)的功能來設計電子秤的方案有以下幾種： 方案一 數(shù)碼管顯示 。 結構簡圖如下： 圖 數(shù)碼管顯示方案 此方案利用數(shù)碼管 顯示物體重量，簡單可行，可以采用內部帶有模數(shù)轉換功能的單片機。 此設計 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(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(shù)據(jù)設定，使電子稱實現(xiàn)稱重計價的功能。結構簡圖如下圖所示 ： 圖 帶有鍵盤輸入的結構簡圖 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 此方案設計的電子秤，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，可以顯示購物清單、所稱量的物體信息等相關內容。結構簡圖如下圖所示 : 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(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)相應的數(shù)據(jù)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 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。 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 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 10 頁 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(xiàn)數(shù)據(jù)處理、 LED 和 LCD 驅動、時鐘芯片的 I2C 通訊、鍵盤控制等模塊。結構簡圖如下圖所示： 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。 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)等方面有廣泛應用。鑒于本電子稱的設計并不太復雜，單片機完全能實現(xiàn)所需功能，所以在具體設計時，采用了第三種設計方案 。 硬件方案設計與論證 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、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 EPROM的單片機，由于應用程序不大，應用程序直接存儲在片內，不用在外部擴展存儲 器，這樣電路也可簡化。 INTEL 公司的 8051 和 8751 都可使用，在這里選用 ATMENL 生產的 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 11 頁 AT89SXX 系列單片機。 AT89SXX 系列與 MCS51 相比有兩大優(yōu)勢：第一，片內存儲器采用閃速存儲器，使程序寫入更加方便；第二，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 MCPU，具有 8K 8ROM、 256 8RAM、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。 最后我們最終選擇了 AT89S52 這個比較常用的單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)的功能 要求。 AT89S52內部帶有 8KB 的程序存儲器，基本上已經(jīng)能夠滿足我們的需要。 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(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。 稱重傳感器是力傳感器當中一個重要的品種 ,實際應用及其廣泛 .稱重傳感器中最多的是電阻應變式稱重 ,應變片是稱重傳感器的核心單元 ,彈性體是基礎組成部分 .稱重傳感器按結構類型分主要有 S 行雙連孔式傳感器 ,柱式傳感器 ,輪輻式與橋式傳感 ,柱環(huán)式傳感器 ,剪切梁式傳感器和單 S 梁式傳感器 .S 行雙連孔式傳感器量程范圍一般在 2Kg 到500Kg,這種類型稱重傳感器抗偏，抗側能力較強。柱式傳感器的測量范圍都 很大，一般最大可以達到幾百噸，它剛性好，抗過載能力強，加工也簡單，重量也比較輕。輪輻式傳感器由于結構的對稱性，所以能夠承受大的側向力，由于它有較大的滯后誤差，很多場合都被橋式傳感器所取代。橋式傳感器的彈性體形狀象橋，因此得得名。橋式傳感器精度高，標定方便，普遍應用于汽車秤跟平臺秤等多個場合。柱環(huán)式傳感器由于本身的結構特性目前大多僅用于測量拉力，其精度一般在 到 之間。剪切梁式傳感器運用剪切原理制作而成，精度跟穩(wěn)定性都很高，一般都不需要要線性補償都能達到要求。它不受測力點變化的影響。測量范圍在幾十 千克 的場合一般選用單 S 梁式傳感器，它不適合在振動大的時候使用。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 12 頁 稱重傳感器在選用過程中一般要考慮以下問題： (1)安裝要求，有些場合就直適合某種特定的稱重傳感器。 (2)使用環(huán)境條件，如需密封、防爆等。 (3)傳感器的精度等級。精度等級通常由彈性體結構決定，以及處理過程中是否有線性補償。 (4)傳感器的量程范圍。估算被測物體的最大重量在多少，要想獲得較準備的測量數(shù)值一般選擇的量程是被測體最大重量的 2 到 倍。 (5)傳感器使用過程受溫度影響的特性和蠕變特性 經(jīng)過查詢資料對比，適 合本設計的可以用 LPSIII 型傳感器，最大量程為 20Kg，精度為 %，滿量程時誤差為 ；也可以 采用 SP20CG501 電阻應變式傳感器 ,其最大量程為 Kg，精度為 %，滿量程時誤差為 。 在稱重 0～ 2Kg 的物體時，選用 LPSIII 型傳感器組成點稱重電路，由于 LPSIII 型傳感器精度高，具有過載保護裝置。 在稱重 2Kg～ 10Kg 的物體時，選用 SP20CG501 電阻應變 傳感器 組成的 稱重 電路，由于 SP20CG501 由組合式 S 型梁結構及金屬箔式應變計構成， 同樣 具有過載保 護裝置?？紤]到惠斯登電橋具有諸如抑制溫度變化的影響，抑制干擾，補償方便等優(yōu)點， 兩種電路中的傳感器電路均采用 惠斯登電橋 設計，所以兩種 傳感器 在測量不同重量的物體時，均使得 測量 達到 精度高、溫度特性好、工作穩(wěn)定等 優(yōu)勢 ，廣泛用于各種結構的動、靜態(tài)測量及各種電子秤的一次儀表。 SP20CG501 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 所示： 圖 傳感器工作原理圖 其工作原理：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 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（