【文章內(nèi)容簡介】 3。 21 致 謝 22 參考文獻 23 附 錄 25 電子秤的信號采集、處理、顯示的程序 . 25 西南交通大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育 畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） I 摘 要 隨著時代科技的迅猛發(fā)展，微電子學(xué)和計算機等現(xiàn)代電子技術(shù)的成就給傳統(tǒng)的電子測量與儀器帶來了巨大的沖擊和革命性的影響。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(yīng)的出現(xiàn)了各種各樣的智能儀器控制系統(tǒng)，使得科學(xué)實驗和應(yīng)用工程的自動化程度得以顯著提高。作為重量測量儀器，智能電子秤在各行各業(yè)開始顯現(xiàn)其測量準確，測量速度快，易于實時測量和監(jiān)控的巨大優(yōu)點，并開始逐漸取代傳統(tǒng)型的機械杠桿測量稱，成為測量領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。 西南交通大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育 畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 1 第 1 章 前 言 引言 本 系統(tǒng)采用單片機 AT89S52 為控制核心，實現(xiàn)電子秤的基本控制功能。系統(tǒng)的硬件部分包括最小系統(tǒng) 板，數(shù)據(jù)采集、人機交互界面三大部分。最小系統(tǒng)部分主要是擴展了外部數(shù)據(jù)存儲器，數(shù)據(jù)采集部分由壓力傳感器、信號的前級處理和 A/D 轉(zhuǎn)換部分組成。人機界面部分為鍵盤輸入 ， 128 64 點陣式液晶顯示，及打印機部分， LCD 顯示部分可以直觀的顯示中文，使用方便。 軟件部分應(yīng)用單片機 C 語言實現(xiàn)了本設(shè)計的全部控制功能，包括基本的稱重功能，去皮和發(fā)揮部分的顯示購物清單的功能，可以設(shè)置日期和重新設(shè)定 10 種商品的單價，同時具有超重報警功能，由于系統(tǒng)資源豐富，還可以方便的擴展其應(yīng)用 . 電子秤的發(fā)展與現(xiàn)狀 電 子衡器一般是指裝有電子裝置的衡器。因其種類繁多，且涉及到貿(mào)易結(jié)算和保護廣大消費者的利益，所以為世界各國政府普遍關(guān)注和重視，并被確定為國家強制管理的法制計量器具。 50 年代中期電子技術(shù)的滲入推動了衡器制造業(yè)的發(fā)展。 60 年代初期出現(xiàn)機電結(jié)合式電子衡器以來，經(jīng)過 40 多年的不斷改進與完善，我國電子衡器從最初的機電結(jié)合型發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型。我國電子衡器的技術(shù)裝備和檢測試驗手段基本達到國際 90年代中期的水平。國際上主要有兩種發(fā)展途徑：以美國為代表的先軍工后民用，先提高后普及的途徑和以日本為代表的實用化商品化 ，先普及后提高的途徑。我國應(yīng)屬于后者，盡管軍工部門研究應(yīng)用較早，但并未轉(zhuǎn)為民用，快速發(fā)展和普及還是在近 20 年。近幾 年是關(guān)鍵時期，急需提高我國稱重傳感器的總體技術(shù)、工藝和質(zhì)量水 平。 國際稱重技術(shù)的發(fā)展動向 國際稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展動向是，把稱重傳感器的準確度、穩(wěn)定性和可靠性作為極其重要的質(zhì)量指標，把制造技術(shù)和制造工藝作為核心競爭力，緊緊抓住稱重傳感器的特性問題、生產(chǎn)問題和應(yīng)用問題進行基礎(chǔ)研究、工藝研究和應(yīng)用研究，其研究方向和特點是： （ 1）在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝中，吸取了工程化產(chǎn)品設(shè)計中的計算 機擬實技術(shù)和虛擬技術(shù)，加快開發(fā)速度，減少開發(fā)風險。 （ 2）在彈性體加工中，從單元加工技術(shù)發(fā)展到集成化加工技術(shù)；從剛性制造發(fā)展到柔性制造；從簡單化經(jīng)驗判斷發(fā)展到智能化定量分析。普遍采用柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)。 （ 3）生產(chǎn)工藝已不是傳統(tǒng)關(guān)念中的“作坊手藝”，而是技術(shù)與管理相結(jié)合的一項系統(tǒng)工程。為適應(yīng)多品種、大批量生產(chǎn)，保證產(chǎn)品技術(shù)性能的均一性，生產(chǎn)工藝必須向盡量減少手工操作、人為控制，增加半自動化和自動化工序方向發(fā)展。例如：采用計算機控制，人機一體化工藝系統(tǒng)和測試技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)等。 （ 4）與穩(wěn)定性和可靠 性有關(guān)的穩(wěn)定處理工藝在高溫處理，低溫深冷，脈動疲勞，超載靜壓等方法的基礎(chǔ)上，又研究出振動時效、共振時效新工藝，共振 10 分鐘，可消除絕大部西南交通大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育 畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 2 分殘余應(yīng)力。 稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢 稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢 、應(yīng)變式稱重傳感器的發(fā)展趨勢，可用“四化”來概括，即設(shè)計技術(shù)虛擬化，制造技術(shù)柔性化，生產(chǎn)工藝網(wǎng)絡(luò)化，企業(yè)管理信息化。 （ 1）設(shè)計技術(shù)虛擬化：包括彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計的擬實技術(shù)和工藝設(shè)計的虛擬技術(shù)。 結(jié)構(gòu)設(shè)計的擬實技術(shù)：是指面向彈性體的結(jié)構(gòu)和性能分析技術(shù)，包括動態(tài)仿真、動力學(xué)分析、強度和剛度有限單元 法計算、敏感區(qū)應(yīng)變大小與分布等，以達到優(yōu)化設(shè)計的目的 .工藝設(shè)計的虛擬技術(shù)：是指面向彈性體生產(chǎn)過程的模擬和試驗，檢驗彈性體的可加工性，加工方法和工藝的合理性，保證制造工藝最佳化。設(shè)計技術(shù)虛擬化的核心是有限單元計算和計算機動態(tài)仿真。通過仿真軟件來模擬真實受載情況，發(fā)現(xiàn)并及時處理設(shè)計和工藝缺陷或錯誤，以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)工藝的合理性。 （ 2）制造技術(shù)柔性化：是指在多品種、大批量生產(chǎn)的彈性體加工中，納入先進的制造技術(shù)：柔性制造單元（ FMC）、柔性制造系統(tǒng)（ FMS）和計算機集成制造系統(tǒng)。它是計算機技術(shù)、信息技術(shù)、自 動控制技術(shù)等與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相結(jié)合形成的全新的制造系統(tǒng)。 （ 3）生產(chǎn)工藝網(wǎng)絡(luò)化：是指在生產(chǎn)工藝全過程中，通過通訊線路和設(shè)備把各生產(chǎn)工序具有獨立操作和控制功能的計算機系統(tǒng)相互連接起來，在網(wǎng)絡(luò)軟件管理下，實現(xiàn)信息的收集、存儲和處理。與傳統(tǒng)的“作坊手藝”生產(chǎn)工藝相比，大大的減少了手工操作，最大限度的排除了人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。 （ 4）企業(yè)管理信息化：是指按計算機處理的要求，依據(jù)結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)分析和設(shè)計方法，建立企業(yè)信息系統(tǒng)，實現(xiàn)企業(yè)管理全面現(xiàn)代化。包括 CAD、 CAM 系統(tǒng)，生產(chǎn)管理系統(tǒng)，商務(wù)決策系統(tǒng)和經(jīng)營管理系 統(tǒng)等。 電子衡器發(fā)展趨勢 為適應(yīng)電子稱重技術(shù)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(shù)字測量發(fā)展；測量特點從單參數(shù)測量向多參數(shù)測量發(fā)展，以及電子衡器對稱重傳感器的新要求，以下課題將是今后一個時期的研發(fā)重點： （ a） 快速、低速動態(tài)和動態(tài)稱重傳感器及其阻尼技術(shù)。 （ b）多功能、多分量稱重傳感器及其測試方法。 （ c） 微小和超大量程稱重傳感器。 （ d） 防爆、耐壓、耐腐蝕等稱重傳感器。 （ e） 偏心載荷測量及車載秤用稱重傳感器。 （ f） 大阻值低功耗高精度電阻應(yīng)變計研制等。 分 析近年來電子衡器對稱重傳感器的新要求，不難得出小型化，集成化，多功能化和智能化將是稱重傳感器的重要特點和發(fā)展趨勢。 （ 1）小型化：是指稱重傳感器總體結(jié)構(gòu)體積小、高度低、重量輕，即小、薄、輕。例如：30t、 60t 彎曲環(huán)式結(jié)構(gòu)，其外形尺寸分別為外徑 120mm 和 150mm，高度只有 50mm 和 60mm。 （ 2）集成化：有結(jié)構(gòu)集成和功能集成兩種形式。結(jié)構(gòu)集成是指彈性體與秤體合二為一的新型結(jié)構(gòu)，例如：稱重板、稱重軌、稱重鉤、稱重環(huán)等。功能集成是指將重量信息采集、放大、變換、傳輸、處理和顯示都集于一體的稱重傳感器，例 如：將敏感元件（彈性體）、轉(zhuǎn)換元件（電阻應(yīng)變計）、信號處理電路和稱重顯示控制都集于一體的輪輻式稱重傳感器，其數(shù)字顯示位置就在傳統(tǒng)輪輻式稱重傳感器的接線盒處，通常稱為輪輻式稱重儀。 [2] （ 3）多功能化：是指稱重傳感器本身除具有檢測重量信息的功能外，還能同時檢測其它信息。例如：電子吊秤用稱重傳感器在檢測重量信息的同時還可檢測加速度信息；汽車檢西南交通大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育 畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 3 測平臺用稱重傳感器，可同時檢測垂直方向的重量信息和水平方向的側(cè)向載荷，即多分力測量。 （ 4）智能化：是由于模擬式稱重傳感器輸出信號小，抗干擾能力差，傳輸距離短，稱重顯 示控制儀復(fù)雜，組秤調(diào)試周期長，根本不適應(yīng)數(shù)字式智能電子衡器的發(fā)展。稱重傳感器的智能化就是研制新型數(shù)字式智能稱重傳感器，有兩種結(jié)構(gòu)。一是整體型：在稱重傳感器內(nèi)部增加放大、濾波、 A/D 轉(zhuǎn)換器、微處理器、溫度傳感器等數(shù)字處理電路，利用數(shù)字補償技術(shù)與工藝實現(xiàn)各項補償。二是分離型：將整體型數(shù)字式智能稱重傳感器內(nèi)的數(shù)字電路置于外部接線盒內(nèi)，稱為數(shù)字模盒。將普通模擬式稱重傳感器接入數(shù)字模盒，就可變模擬輸出為數(shù)字輸出，通常將其稱為分離型數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)。 數(shù)字式智能稱重傳感器具有如下特點： （ a） 輸出信號大，抗干擾能 力強，傳輸距離遠，信噪比高。 （ b） 通過數(shù)字補償電路和數(shù)字補償工藝，可進行線性、滯后、蠕變等補償，改善了性能。 （ c）內(nèi)裝溫度傳感器，通過補償軟件可進行實時溫度補償，穩(wěn)定性好。 （ d）各數(shù)字式智能稱重傳感器的地址可調(diào)，便于應(yīng)用與互換。 對某些商用電子計價秤而言，只具備稱重、計價、顯示、打印功能還遠遠不夠，現(xiàn)代商業(yè)系統(tǒng)還要求它能提供各種銷售信息，把稱重與管理自動化緊密結(jié)合，使稱重、計價、進庫、銷售管理一體化，實現(xiàn)管理自動化。 第 2 章 系統(tǒng)的主要功能與分析 系統(tǒng)的主要功能 基于單片機的智能電 子秤，是利用稱重傳感器將采集的壓力信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸出 0~20mv 的電壓信號。電壓信號經(jīng)前端處理及放大，再接入 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進入單片機進行處理。單片機處理完信號后可以輸出到 LCD 顯示，或直接送入打印機打印。該系統(tǒng)具有以下特點： （ a）電子秤測量范圍 0~20KG。 （ b）采用電阻應(yīng)變傳感器，保證較高的精確度。 （ c）采用專用鍵盤控制芯片及顯示芯片，可以設(shè)定數(shù)據(jù)、 LCD顯示重量及價格。 （ d）可設(shè)置物品單價，直接計算出總價，并打印顯示結(jié)果，運行中通過鍵盤進行設(shè)定和修改、查看等操作。 系統(tǒng)分析 根據(jù)系統(tǒng)要求的功能，對系統(tǒng)分析如下。 （ a）首先要有傳感器把壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號，本裝置使用由應(yīng)變電阻組成的稱重傳感器把壓力信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。 （ b）要直接把壓力傳感器轉(zhuǎn)化的電壓信號后送入單片機處理是不行的。因為傳感器轉(zhuǎn)換的電壓信號微弱并且是模擬信號，因此，就要對信號進行前端放大和模－數(shù)轉(zhuǎn)化，因此在送入單片機前要經(jīng)過放大電路和 A/D 轉(zhuǎn)化電路。 （ c） 經(jīng)過轉(zhuǎn)化的數(shù) 字 信號在處理前含有干擾信號，因此要進行濾波，濾波又分硬件和西南交通大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育 畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 4 軟件濾 波 ，通過比較分析采 用軟件濾波。 （ d）數(shù)字濾波后的信號送入單片機進行處 理，但是此信號由于其與輸入量不是線性關(guān)系，給軟件編程帶來極 困難，因此本系統(tǒng)先對其進行線性 處理，然后根據(jù)系統(tǒng)要求確定算法進行數(shù)字處理軟件編 程。 （ e）單片 機 處理后的信號必 須輸出顯示，這時 應(yīng)要有顯示電路，本裝置用 128 64的 LCD顯示，既可以顯示數(shù) 字 ，也可以顯示中文。結(jié)果也可以轉(zhuǎn) 為 4~20mA 的 DC標準電流和 0~5VDC 標準電壓信號輸出。 （ f）最后單片機可以把信號輸入打印機打印總價格等信息 。 第 3 章 總體方案的設(shè)計 設(shè)計電子秤的指導(dǎo)思想 基于單片機的智能電子秤，是利用稱重傳感器將采集的壓力信號 轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸出 0~20mv 的電壓信號。電壓信號經(jīng)前端處理及放大，再接入 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進入單片機處理。單片機處理完信號后可以輸出到 LCD 顯示，或直接送入打印機打印 。 方案選擇與方案論證 在對系統(tǒng)功能的全面分析后，就需要對實現(xiàn)方案進行選擇。方案選擇上最主要的是對傳感器與微控制器的比較與選擇。 （ a）傳感器方面，需要精度高，可靠性好，穩(wěn)定性高，誤差小，同時要滿足實際需要。因此我們選擇了 LPSIII 型稱重傳感器。量程 20Kg ，精度為 %，滿量程時誤差 ，可以 滿足本系統(tǒng)的精度要求。 [3] （ b）微控制器方面，由于基于半導(dǎo)體集成技術(shù)的突飛猛進地發(fā)展，各種類型的單片機正日新月異地涌向市場為單片機技術(shù)的應(yīng)用人員提供了極大的方便。 INTEL 公司推出的高性能 MCS51 系列八位單片機一投入市場就很快被使用者所歡迎。隨著時間的推移，世界各生產(chǎn)單片機的公司看好 MCS51 系列八位單片機的強勁趨勢。在八位單片機的設(shè)計上紛紛向 51 系列八位單片機內(nèi)核靠攏。 PHILIPS 公司首先購買了 8051 內(nèi)核的使用權(quán)，并在此基礎(chǔ)上增加具有自身特點的 I178。C 總線， PHILIPS 公司還推出一系列高性能 具有快閃存儲器的標準的 8051 派生型八位機單片機，很方便地多次在線編程為用戶帶來極大方便。 ATMEL 公司通過技術(shù)交換取得了 8031 內(nèi)核的使用權(quán)生產(chǎn)出 AT89C 系列單片機。 Cygnal 公司推出的80C51F 又將 8051 兼容單片機技術(shù)推向了一個新的高度， 80C51F 單片機是完全集成混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與 8051 兼容的高速 CIP51內(nèi)核，于 MCS－ 51指令集完全兼容，可以使用標準 803 805X 匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。除了具有標準 8051 的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件 和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。這些外設(shè)或功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、 ADC、 DAC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、 SMBUS、 12C、 UART、 SPI、定時器、可編程計數(shù)器、定時器陣列（ PCA）、數(shù)字 I/O 端口、電源監(jiān)視器、看門狗定時器（ WDT）和時鐘振蕩器等。所有器件都有內(nèi)置的 FLASH 程序存儲器和 256 字節(jié)的內(nèi)部 RAM，有些器件內(nèi)部還有位于 外部數(shù)據(jù)存儲器空間的 RAM，即 XRAM. 綜上所述： 本系統(tǒng)基于單片機來實現(xiàn)，同時因為系統(tǒng)需要大量控制液晶顯示和鍵盤，西南交通大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育 畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 5 故不宜采用大規(guī)模可編程邏輯器件 CPLD、 FPGA 來實現(xiàn)。（因為大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷话闶鞘褂脿顟B(tài)機方式來實現(xiàn)，即所解決的問題都是規(guī)則的有限狀態(tài)轉(zhuǎn)換問題。本系統(tǒng)狀態(tài)較多，難度較大。）另外系統(tǒng)沒有其它高標準的要求，我們最終選擇了 AT89S52 通用的比較普通單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計。 總體結(jié)構(gòu) 框圖 要實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，系統(tǒng)電路部分主要包括稱重傳感器及前端信號放大電路、 A/D 轉(zhuǎn)換采樣電路、 LCD 顯示及峰鳴器報警電路、外部存儲器擴展電路、鍵盤電路、打印機接口電路。系統(tǒng)組成框圖如圖 31所示： 圖 31 系統(tǒng)組成框圖 第 4 章 系