【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 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)。此外，還可通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定所稱物品的價(jià)格。 本文主要主要以下幾個(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。 (4)對(duì) 于 稱重器的軟件 系統(tǒng) ， 通過(guò)解說(shuō) LCD液晶顯示 的使用及鍵盤(pán)的工作原理，對(duì)于主程序 的編寫(xiě)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。 主要技術(shù)指標(biāo)為：稱量范圍 0～ 10Kg。分度值 。精度等級(jí) Ⅲ 級(jí) 。電源 （一節(jié) 5號(hào)電池供電）。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) 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 稱量功能與價(jià)格計(jì)算功能于一體 ,能夠滿足商業(yè)貿(mào)易和居民家庭的使 用需求。 圖 設(shè)計(jì)思路框圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) 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 。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(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)。 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(pán)輸入裝置，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)圖如下圖所示 ： 圖 帶有鍵盤(pán)輸入的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) 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、所稱量的物體信息等相關(guān)內(nèi)容。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖所示 : 圖 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(mén)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。 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 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè) 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(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(pán)控制等模塊。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖所示： 圖 電子稱系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)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(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 。 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。再則由于系統(tǒng)沒(méi)有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，又考慮到本設(shè)計(jì)中程序部分比較大，根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)的分析，設(shè)計(jì)這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的的系統(tǒng)，可以選用帶 EPROM的單片機(jī)，由于應(yīng)用程序不大，應(yīng)用程序直接存儲(chǔ)在片內(nèi)，不用在外部擴(kuò)展存儲(chǔ) 器，這樣電路也可簡(jiǎn)化。 INTEL 公司的 8051 和 8751 都可使用，在這里選用 ATMENL 生產(chǎn)的 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) AT89SXX 系列單片機(jī)。 AT89SXX 系列與 MCS51 相比有兩大優(yōu)勢(shì)：第一，片內(nèi)存儲(chǔ)器采用閃速存儲(chǔ)器，使程序?qū)懭敫臃奖?；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整個(gè)硬件電路體積更小。此外價(jià)格低廉、性能比較穩(wěn)定的 MCPU，具有 8K 8ROM、 256 8RAM、2 個(gè) 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器、 4 個(gè) 8 位 I/O 接口。這些配置能夠很好地實(shí)現(xiàn)本儀器的測(cè)量和控制要求。 最后我們最終選擇了 AT89S52 這個(gè)比較常用的單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能 要求。 AT89S52內(nèi)部帶有 8KB 的程序存儲(chǔ)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(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?，F(xiàn)代科技的快速發(fā)展使人類(lèi)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)。 稱重傳感器是力傳感器當(dāng)中一個(gè)重要的品種 ,實(shí)際應(yīng)用及其廣泛 .稱重傳感器中最多的是電阻應(yīng)變式稱重 ,應(yīng)變片是稱重傳感器的核心單元 ,彈性體是基礎(chǔ)組成部分 .稱重傳感器按結(jié)構(gòu)類(lèi)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(lèi)型稱重傳感器抗偏，抗側(cè)能力較強(qiáng)。柱式傳感器的測(cè)量范圍都 很大，一般最大可以達(dá)到幾百噸，它剛性好，抗過(guò)載能力強(qiáng)，加工也簡(jiǎn)單，重量也比較輕。輪輻式傳感器由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，所以能夠承受大的側(cè)向力，由于它有較大的滯后誤差，很多場(chǎng)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(biāo)定方便，普遍應(yīng)用于汽車(chē)秤跟平臺(tái)秤等多個(gè)場(chǎng)合。柱環(huán)式傳感器由于本身的結(jié)構(gòu)特性目前大多僅用于測(cè)量拉力，其精度一般在 到 之間。剪切梁式傳感器運(yùn)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(bǔ)償都能達(dá)到要求。它不受測(cè)力點(diǎn)變化的影響。測(cè)量范圍在幾十 千克 的場(chǎng)合一般選用單 S 梁式傳感器，它不適合在振動(dòng)大的時(shí)候使用。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 稱重傳感器在選用過(guò)程中一般要考慮以下問(wèn)題： (1)安裝要求，有些場(chǎng)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(jí)。精度等級(jí)通常由彈性體結(jié)構(gòu)決定，以及處理過(guò)程中是否有線性補(bǔ)償。 (4)傳感器的量程范圍。估算被測(cè)物體的最大重量在多少，要想獲得較準(zhǔn)備的測(cè)量數(shù)值一般選擇的量程是被測(cè)體最大重量的 2 到 倍。 (5)傳感器使用過(guò)程受溫度影響的特性和蠕變特性 經(jīng)過(guò)查詢資料對(duì)比，適 合本設(shè)計(jì)的可以用 LPSIII 型傳感器，最大量程為 20Kg，精度為 %，滿量程時(shí)誤差為 ；也可以 采用 SP20CG501 電阻應(yīng)變式傳感器 ,其最大量程為 Kg，精度為 %，滿量程時(shí)誤差為 。 在稱重 0～ 2Kg 的物體時(shí)，選用 LPSIII 型傳感器組成點(diǎn)稱重電路，由于 LPSIII 型傳感器精度高，具有過(guò)載保護(hù)裝置。 在稱重 2Kg～ 10Kg 的物體時(shí)，選用 SP20CG501 電阻應(yīng)變 傳感器 組成的 稱重 電路，由于 SP20CG501 由組合式 S 型梁結(jié)構(gòu)及金屬箔式應(yīng)變計(jì)構(gòu)成， 同樣 具有過(guò)載保 護(hù)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(bǔ)償方便等優(yōu)點(diǎn)， 兩種電路中的傳感器電路均采用 惠斯登電橋 設(shè)計(jì)，所以兩種 傳感器 在測(cè)量不同重量的物體時(shí)，均使得 測(cè)量 達(dá)到 精度高、溫度特性好、工作穩(wěn)定等 優(yōu)勢(shì) ，廣泛用于各種結(jié)構(gòu)的動(dòng)、靜態(tài)測(cè)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(yīng)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(yīng)變片測(cè)量時(shí)，將其粘貼在彈性體上。當(dāng)彈性體受力變形時(shí)，應(yīng)變 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（