【正文】 n 1 緒 論 稱重技術(shù)和衡器的發(fā)展 稱重技術(shù)自古以來就被人們所重視，作為一種計量手段，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、科研、交通、內(nèi)外貿(mào)易等各個領(lǐng)域，與人民的生活緊密相連。 電子秤的發(fā)展過程與其它事物一樣，也經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜，由粗糙到精密、由機械到機電結(jié)合再到全電子化、由單一功能到多功能的過程。這是由于電子衡器不僅能給出質(zhì)量或重量信號，而且也能作為總系統(tǒng)中的一個單元承擔(dān)著控制和檢驗功能，從而推進工業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易交往的自動化和合理化?，F(xiàn)代稱重技術(shù)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)已經(jīng)成為工藝技術(shù)、儲運技術(shù)、預(yù)包裝技術(shù)、收貨業(yè)務(wù)及商業(yè)銷售領(lǐng)域中不可缺少的組成部分。 稱重裝置不儀是提供重量數(shù)據(jù)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(chǎn)的自動化和管理的現(xiàn)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(chǎn)品質(zhì)量以及加強企業(yè)管理、改善經(jīng)營管理等多方面的作用。 因此，稱重技術(shù)的研究和衡器工業(yè)的發(fā)展各國都非常重視。 60 年代初期出現(xiàn)機電結(jié)合式電了衡器以來，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。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，特別是對快速稱重和動態(tài)稱重的研究與應(yīng)用。電子秤是電了衡器中的一種，衡器是國家法定計量器具，是圍計民生、國防建設(shè)、 科學(xué)研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺少的計量設(shè)備，衡器產(chǎn)品技術(shù)水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會經(jīng) 濟效益的提高。 電子衡器種類繁多，且涉及到貿(mào)易結(jié)算和廣大消費者的利益，所以為世界各國政府普遍關(guān)注和重視，并被確定為我國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。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。電子稱重技術(shù)從靜態(tài)稱重向動態(tài)稱重技術(shù)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，特別是對快速稱重和動態(tài)稱重的研究與應(yīng)用。 二、發(fā)展趨勢 電子秤是載于秤的臺座，盤，鉤上的物品的重量由傳感器蠕變反應(yīng)平衡，而由儀器數(shù)字顯示的電子衡器。電子秤屬于日用衡器，為勞動密集型產(chǎn)品。 項目研究意義 現(xiàn)代社會的發(fā)展，對稱重技術(shù)提出了更高的要求，尤其是微處理技術(shù)和傳感技術(shù)的巨大進步，大大加速了這個進程。 本項目研究一種用單片機控制的高精度智能電子秤設(shè)計方案。 本項目研究的便攜式電子秤的主要技術(shù)指標為： （ 1） 量程： 0～ 50kg （ 2） 分度值： （ 3） 誤差：177。 電子秤的組成 電子秤的基本結(jié)構(gòu) 電子秤是利用物體的重力作用來確定物體質(zhì)量（重量）的測量儀器，也可用來確定與質(zhì)量相關(guān)的其它量大小、參數(shù)、或特性。 (2) 稱重傳感器 即由非電量（質(zhì)量或重量）轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它是把支承力變換成電的或其它形式的適合于計量求值的信號所用的一種輔助手段。 對 稱重傳感器的基本要求是：輸出電量與輸入重量保持單值對應(yīng)，并有良好的線性關(guān)系；有較高的靈敏度；對被稱物體的狀態(tài)的影響要?。荒茉谳^差的工作條件下工作； 有較好的頻響特性；穩(wěn)定可靠。這部分習(xí)慣上稱載荷測量裝置或二次儀表。 電子秤的工作原理 當(dāng)被稱物體放置在秤體的秤臺上時，其重量便通過秤體傳遞到稱重傳感器，傳感器隨之產(chǎn)生力一電效應(yīng)，將物體的重量轉(zhuǎn)換成與被稱物體重量成一定函數(shù)關(guān)系（一般成正比關(guān)系）的電信號（電壓或電流等）。運算結(jié)果送到內(nèi)存貯器，需要顯示時， CPU發(fā)出指令，從內(nèi)存貯器 中 讀出送到 顯示器顯示，或送打印機打印。 電子秤的計量性能 電子秤的計量性能涉及的主要技術(shù)指標有：量程、分度值、分度數(shù)、準確度等級等。 (2) 分度值：電子秤的測量范圍被分成若干等份，每份值即為分度值。 (3) 分度數(shù)：衡器的測量范圍被分成若干等份，總份數(shù)即為分度數(shù)用 n 表示。 d (4) 準確度等級 國際法制計量組織把電子秤按不同的分度數(shù)分成 T、 II、 III、Ⅳ四類等級，分別對應(yīng)不同準確度的電子秤和分度數(shù) n 的范圍，如 表 1 所示： 表 1 不同準確度的電子秤和分度數(shù) 本 設(shè)計思路 目前， 臺式電子秤在商業(yè)貿(mào)易中的使用已相當(dāng)普遍，但存在較大的局限性：體積大、成本高、攜帶不便、應(yīng)用場所受到制約。彈簧盤秤制造工藝要求較高，彈簧的疲勞問題無法徹底解決，一旦超過彈簧彈性限度，彈簧秤就會產(chǎn)生很大誤差，以至損壞，影響到稱重的準確性和可靠性，只是一種暫時的代用品，也被列入逐漸取消的行列。本系統(tǒng)在設(shè)計過程中，除了能實現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能外 ，還增加了打印和通訊功能，可以實現(xiàn)和其他機器或設(shè)備（包括上位 PC機和數(shù)據(jù)存儲設(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 51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?qū)崿F(xiàn)。 綜上所述，本 設(shè)計的主要思路是：利用壓力傳感器采集因壓力變化產(chǎn)生的電壓信號，經(jīng)過電壓放大電路放大，然后再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后把數(shù)字信號送入單片機。主要技術(shù)指標為：稱量范圍 0～ 50kg， 分度值 ， 精度等級 III 級 ， 電源 AC220V。 標志及等級 電子秤分類 分度數(shù)范圍 特種準確度 基準衡器 n 100000 高準確度 精密衡器 10000 n≤ 100000 中準確度 商業(yè)衡器 1000 n≤ 10000 普通準確度 粗衡器 100n≤ 1000 第二章 電子秤的硬件構(gòu)成 電子秤的測量原理是被稱量物體的重量使傳感器彈性體發(fā)生變形，輸出與重量成正比的電信號，傳感器輸出信號經(jīng)放大器放大后，輸入轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成的頻率信號直接送入微處理器中，其數(shù)字量由微機進行處理，而周邊所需要的功能及各種接口電路也和微機連接應(yīng)用， 最后由顯示屏幕以數(shù)字方式顯示。儀器結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是微型計算機技術(shù)的普及，及國民經(jīng)濟的發(fā)展使各工業(yè)領(lǐng)域普遍要求用電子衡器來檢測重量信 息；電子稱重技術(shù)由單一的稱量用途，延伸到生產(chǎn)過程和工藝流程等過程控制領(lǐng)域，特別是物流中各環(huán)節(jié)的自動檢測和監(jiān)控。稱重傳感器是電子衡器產(chǎn)品和電子稱重系統(tǒng)的核心部件，其特性直接影響電子衡器整機的性能。準確度、穩(wěn)定性和可靠性是稱重傳感器的重要的質(zhì)量指標，同時也是用戶最關(guān)心的問題。一般在選擇稱重傳感器 的綜合精度（非線性、重復(fù)性和滯后三項指標的均方根值）時，以確保電子稱重裝置能夠滿足其總誤差要求為準，不能片面地追求高精度。 稱重傳感器選用時需考慮的問題 選擇傳感器時應(yīng)考慮：（ 1）傳感器的外形尺寸要求和形式；（ 2）傳感器的密封要求及其他要求；（ 3）傳感器的精度等級；（ 4）傳感器的量程選擇；（ 5）參數(shù)要求及所帶的電纜長度。所以在選擇傳感器時主要考慮以下幾點： 傳感器精度的選擇應(yīng)從經(jīng)濟、實用及對傳感器性能的側(cè)重點來考慮，應(yīng)根據(jù)稱量系統(tǒng)實際要求的精度，合理地確定傳感器的精度等級。各種精度等級的傳感器，其復(fù)零特性、密封條件、加工工藝都同樣是嚴格控制的。不少彈性體結(jié)構(gòu)，盡管它的自然線性較差，但對沖擊、密封具 有結(jié)構(gòu)上先天的優(yōu)點，所以在測量精度要求低，但工作狀況惡劣的場合，即對傳感器性能側(cè)重于復(fù)現(xiàn)性、可靠性的場合，就宜選用低精度、高可靠性的產(chǎn)品。 柱式傳感器通過彈性模量補償、線性補償，可以達到 級精度。這樣，無論從經(jīng)濟上，還是從可靠性方面考慮都是有利的。 傳感器量程的選擇決定于下列因素：①被稱量物料最大的重量；②秤臺或裝置的自重；③傳感器設(shè)置的數(shù)量；④正常操作下，最大可能產(chǎn)生的偏載；⑤稱量狀況下可能出 現(xiàn)的動載和沖擊以及其他可能附加產(chǎn)生的干擾力。因此，對于不同類型的衡器，在同樣的稱量負荷下，傳感器量程的選擇是不同的。因為任何電子衡器均不可避免的存在著沖擊、振動和偏載，而有些可能產(chǎn)生的力量是難以準確估計的；再則，選擇傳感器量程時所選定的沖擊系數(shù)、重心偏移系數(shù)事實上也不是很確切的。 傳感器技術(shù)參數(shù)的選擇主要有以下幾個方面： （ 1）允許的不重復(fù)性誤差、非線性誤差、滯后誤差。輸出靈敏系數(shù)由彈性體結(jié)構(gòu)及設(shè)計時確定的應(yīng)力水平所決定，因此，用戶應(yīng)遵循生產(chǎn)廠提供的參數(shù)來選擇。 (3)橋路阻抗和激勵電壓。因為應(yīng)變片允許通過的電流是有規(guī)定的（ 20～ 25mA）。 （ 4）復(fù)零特性、溫漂特性、時漂特性、固有頻率等。 對傳感器來說，在彈性體完成貼片組橋補償后，就開始受到環(huán)境中潮氣的侵蝕。 對于在室內(nèi)干凈、干燥環(huán)境下工作的傳感器，可以選擇涂膠密封的傳感器；而對于一些在潮濕環(huán)境下工作，甚至可能遭受水淹場合下工作的傳感器，必須選擇膜片熱套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的傳感器。 稱重傳感器的基本結(jié)構(gòu) 常規(guī)稱重傳感器的結(jié)構(gòu)基本可劃分為下列幾種 ??4 ，它們各有其適應(yīng)的稱量范圍和獨特的性能，這將為選型提供方便。 輪輻式傳感器常規(guī)量程范圍在 1t～ 5t 之間，多用于電子汽車秤、電子軌道衡、電子鋼材秤、料斗秤。在料斗秤及其它適宜采用圓柱外形的場合，輪輻式傳感器仍在應(yīng)用。橋式傳感器已普遍用于無坑式汽車秤、各種平臺秤及靜態(tài)和動態(tài)電子軌道衡等場合。 柱環(huán)結(jié)構(gòu)本身不具備抗偏、抗彎、抗扭能力，所以國內(nèi)早期的柱環(huán)式僅用于拉式傳感器。其精度等級在 ～ 之間，廣泛應(yīng)用于料斗秤、鋼材秤，其動態(tài)響應(yīng)能力、抗沖擊能力優(yōu)于雙連孔傳感器。它們的工作原理相同均是利用剪切原理。該種傳感器具有很高的精度和穩(wěn)定性，有很強的抗側(cè)向能力，它不需要線性補償，就能達到 ～ 級轉(zhuǎn)換精度。剪切橋式傳感器國內(nèi)常用量程為 1t～ 100t。 S梁式傳感器 量程范圍在 ～ 10kg 的稱重傳感器大多采用這種結(jié)構(gòu)。這種傳感器一般應(yīng)用于一些特殊場合，例如手提式商用秤及其它小力值測試。 形雙連孔式傳感器 國內(nèi)外 2kg～ 500kg 量程范圍內(nèi)的稱重傳感器，不論拉式還是壓式結(jié)構(gòu)，均采用雙連孔彈性體作為轉(zhuǎn)換元件。并且有優(yōu)越的抗偏、抗側(cè)能力，廣泛應(yīng)用于料斗秤和皮帶秤。 綜合各方面性能及要求，本項目選用 S形雙連孔式傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 根據(jù)國際計量聯(lián)合會的會議記錄，應(yīng)變式稱重傳感器占總稱重傳感器的 90%以上。原因是電阻應(yīng) 變式稱重傳感器，無論是敏感元件 —— 電阻應(yīng)變計，還是傳感器彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計、彈性體材料加工處理、線路補償以及檢測儀表等方面，技術(shù)都比較成熟，測量精度比較高，穩(wěn)定性也比較好，并且更有利于產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；a(chǎn)。 電阻應(yīng)變式稱重傳感器具有直線性和重復(fù)性好、滯后?。ňC合精度高）、工作可靠、長期穩(wěn)定性好、疲勞效應(yīng)好、適于動態(tài)測量等特點，而且結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可用作多種量程 的稱重傳感器。 應(yīng)變片式傳感器的工作原理，是利用粘接劑將電阻應(yīng)變片粘貼在金屬彈性元件上，當(dāng)彈性元件受力產(chǎn)生變形時，電阻應(yīng)變片將該形變轉(zhuǎn)換為阻值的變化，從而測得被測力的大小。 彈性元件 電阻應(yīng)變片傳感器從工作原理來說，凡是能夠傳遞應(yīng)變的彈性材料，都可作為傳感器的敏感元件，但考慮其工作環(huán)境、安裝部位的空間大小、受力形式、量程范圍、必要的靈敏度、精度要求、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)尺寸等因素，一般多采用環(huán)式、膜式或梁式等形式。在要求的特殊情況下 則可以采用組合型的結(jié)構(gòu)，以提高其靈敏度、精度及使用穩(wěn)定性。 彈性元件尺寸的選擇必須符合以下三個方面 的要求： ① 彈性元件在粘貼電阻應(yīng)變片的截面上其變形是單一的、均勻的、電阻應(yīng)變片反映的應(yīng)變信號與所測參數(shù)之間應(yīng)成線性關(guān)系。 L 為懸臂梁有效長度， H 為截面高度。 ② 彈性元件受力變形后具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。因此，減低高度和 作成空心圓柱體是提高穩(wěn)定性的方法） ③ 彈性元件應(yīng)該具有較高抗側(cè)向力的能力。由于膜片軸向剛度不大，因此對傳感器的靈敏度影響甚小，而膜片的橫向剛度卻很大。 應(yīng)變膠 傳感器的精度受彈性元件、應(yīng)變片、應(yīng)變膠以及與之配套的二次儀表的影響，應(yīng)變 膠是制造高精度傳感器的關(guān)鍵之一。 應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片分金屬絲式，金屬箔式和金屬薄膜式 ??6 ?；鼐€式應(yīng)變片制作簡單，性能穩(wěn)定，成本低， 易粘貼，但因彎曲部的變形使其橫向效應(yīng)較大。短接式應(yīng)變片由于焊點多，易在焊點處出現(xiàn)疲勞損壞，制造工藝要求高，使用較少。 它的優(yōu)點是：可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準確的敏感柵，以適應(yīng)不同的測量要求。散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度。蠕變、機械滯后小，疲勞壽命長。 箔式電阻應(yīng)變片的工作原理基本上和電阻絲式應(yīng)變片相同。金屬箔的厚度一般在 ～ 之間，它的基片和覆蓋片多為膠質(zhì)膜 基片，其厚度多在 ～ 之間。當(dāng)箔材和絲材具有同樣的截面積時，箔材與粘接層的接觸面積要比絲材大，使它能很好地和彈性體共同工作。 2）箔材表面積大，散熱條件好，故允許通過較大的電流，可以輸出較強的電信號，從而提高測量靈敏度。特別是為制造應(yīng)變花和小標準應(yīng)變片提供了可能，從而擴大了應(yīng)變片的使用范圍。 箔式應(yīng)變片的缺點是生產(chǎn)工序比較復(fù)雜，引出線的焊點采用錫焊不適用于高溫環(huán)境下測量，另外價格較絲式為貴。它是采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成 厚