毕业设计电子秤的设计

1、电子秤设计电子秤设计 摘摘 要要 电子秤是将检测与转换技术、计算机技术、信息处理、数字技术等技术 综合一体的现代新型称重仪器。它与我们日常生活紧密结合成为一种方便、 快捷、称量精确的工具，广泛应用于商业、工厂生厂、集贸市场、超市、大 型商场、及零售业等公共场所的信息显示和重量计算。 电子称主要以单片机作为中心控制单元，通过称重传感器进行模数转换 单元，在配以键盘、显示电路及强大软件来组成。电子称不但计量准确、快 速方便，更重要的自动称重、数字显示，对人们生活的影响越来越大，广受 欢迎。 本系统针对电子称的自动称重、数据处理等进行了设计和制作。为了阐 明用单片机是如何对采样数据进行处理，对数据的

2、采集和转换、计算问题进 行了研究，讨论了单片机控制系统中关键的计算问题。本文在给出智能电子 称硬件设计的基础上，详细分析了电子称的软件控制方法。单片机控制的电 子称结构简单，成本低廉，深受人们的喜爱，本文将对此进行详细讨论。 关键词关键词：电子称；单片机；称重传感器 abstract intelligent electronic scale is the detection and conversion technology, computer technology, information processing, digital technology, an integrated moder

3、n technology of new weighing equipment. it is closely integrated with our daily lives into a convenient, fast, precision weighing instrument, widely used in commercial, plant health plant, country markets, supermarkets, shopping malls, and retail and other public places, information display and weig

4、ht. intelligent electronics said the key to scm as the central control unit, through the weighing sensor analog-digital conversion unit, in the accompanied keyboard, display circuit and powerful software to component. said not only accurate measurement of the electronic, fast and convenient, more im

5、portantly, automatic weighing, statistics show that by the majority of users. intelligent electronics said that as easy to carry, easy to use, the impact on peoples lives more and more. this system is known for the electronic automatic weighing and data processing of research. to illustrate how to u

6、se the mcu is sampling data processing, data acquisition and conversion, computational problems studied. discuss the key scm system calculation. this paper presented the hardware design of intelligent electronics that, based on detailed analysis of the electronic control, said the software. as the s

7、tructure of microprocessor controlled electronics that simple, low cost and very popular, this will be discussed in detail. keywords: electronic scale; mcu; load sensor 目目 录录 摘 要.i abstract .ii 目 录.1 第一章 绪 论.1 1.1 称重技术和衡器的发展.1 1.2 电子秤的组成 .2 1.2.1 电子秤的基本结构.2 1.2.2 电子秤的工作原理.3 1.2.3 电子秤的计量性能.3 1.3 本设计思

8、路.4 第二章 系统方案论证与选型.6 2.1 控制器部分.6 2.2 数据采集部分.8 2.2.1 传感器的选择.8 2.2.2 放大电路选择.9 第三章 硬件设计.12 3.1 总体规划 .12 3.2 主控制器电路 .12 3.3 传感器放大电路 .12 3.4 显示电路 .13 第四章 软件设计.15 4.1 系统应用程序组成 .15 4.2 主程序流程图 .16 4.3 ad 采样程序块 .16 4.4 液晶显示程序块 .17 4.5 称重数据处理技术 .21 第五章 总结与展望.24 参考文献.26 致 谢.27 附录一.28 附录二 .29 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 称重

9、技术和衡器的发展 称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工 农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。电子秤 是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、 科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直 接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。 电子秤的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂，由粗糙到 精密，由机械到机电结合再到全电子化，由单一功能到多功能的过程。特别 是近 30 年以来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重、以及产品质量的 监测等工作，都离不开能输出电信号的电子衡器。这是由于电子衡器

10、不仅能 给出质量或重量信号，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制和检验 功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。 近年来，电子秤已愈来愈多地参与到数据处理和过程控制中。现代称重 技术和数据系统已经成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商 业销售领域中不可缺少的组成部分。随着称重传感器各项性能的不断突破， 为电子秤的发展奠定了其础，国外如美国、西欧等一些国家在 20 世纪 60 年 代就出现了 0.1%称量准确度的电子秤，并在 70 年代中期约对 75%的机械秤 进行了机电结合式的电子化改造。 称重装置不仪是提供重量数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和商 业管理系统的一个

11、组成部分，推进了工业生产的自动化和管理的现代化，它 起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质 量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。称重装置的应用已遍 及到围民经济各领域，取得了显著的经济效益。 因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。50 年代中期 电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。60 年代初期出现机电结合式电子 衡器以来，经过 40 多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最初的机电结 合型发展到现在的全电子型和数字智能型。现今电子衡器制造技术及应用得 到了新发展。电子称重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测 量向数字测量发展；测

12、量特点从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快 速称重和动态称重的研究与应用。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况 及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、 智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功 能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用 性能趋向于综合性和组合性。电子秤是电了衡器中的一种，衡器是国家法定 计量器具，是围计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设 备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经 济效益的提高。 1.2 电子秤的组成 1.2.1 电子秤的基本结构 电子秤是

13、利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也 可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。不管根据什么原理制 成的电了秤均由以下三部分组成： （1）承重、传力复位系统 它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤 体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位 减振机构等。 （2）称重传感器 即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换 成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。 按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电 感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、

14、 卢表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。 对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有 良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较 差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。 (3) 测量显示和数据输出的载荷测量装置 即处理称重传感器信号的电子线路（包括放人器、模数转换、电流源或 电压源、调节器、补尝元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数 据传输和存贮器件等） 。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。在数字 式的测量电路中，通常包括前置放大、滤波、运算、变换、计数、寄存、控 制和驱动显示等环节。 1.2.2 电子秤的

15、工作原理 当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感 器，传感器随之产生力一电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一 定函数关系（一般成正比关系）的电信号（电压或电流等） 。此信号由放大 电路进行放大、经滤波后再由模数( a/d)器进行转换，数字信号再送到微 处器的 cpu 处理，cpu 不断扫描键盘和各功能开关，根据键盘输入内容和各 种功能开关的状态进行必要的判断、分析，再由软件来控制各种运算。运算 结果送到内存贮器，需要显示时，cpu 发出指令，从内存贮器中读出送到显 示器显示，或送打印机打印。一般地信号的放大、a/d 转换在硬件电路中完 成，滤波以及信号各种运算处

16、理在 cpu 中完成。 1.2.3 电子秤的计量性能 电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有：量程、分度值、分度数、准 确度等级等。 (1) 量程：电子衡器的最大称量 max，即电子秤在正常工作情况下，所 能称量的最大值。 (2) 分度值：电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值。 用 e 或 d 来表示。 (3) 分度数：衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用 n 表示。电子衡器的最大称量 max 可以用总分度数 n 与分度值 d 的乘积来表示， 即 max=nd (4) 准确度等级 国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成 t、ii、iii、四类等 级，分别对应不同准确度

17、的电子秤和分度数 n 的范围，如表 1 所示： 表 1 不同准确度的电子秤和分度数 1.3 本设计思路 目前，台式电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍，但存在较大的局限 性：体积大、成本高、携带不便、应用场所受到制约。现有的便携秤为杆秤 或以弹簧、拉伸变形来实现计量的弹簧秤，居民用户使用的基本是杆秤。弹 簧盘秤制造工艺要求较高，弹簧的疲劳问题无法彻底解决，一旦超过弹簧弹 性限度，弹簧秤就会产生很大误差，以至损坏，影响到称重的准确性和可靠 性，只是一种暂时的代用品，也被列入逐渐取消的行列。 微控制器技术、传感器技术的发展和计算机技术的广泛应用，电子产品 的更新速度达到了日新月异的地步。本系统在设计

18、过程中，除了能实现系统 的基本功能外，还增加了打印和通讯功能，可以实现和其他机器或设备（包 括上位 pc 机和数据存储设备）交换数据，除此之外，系统的微控制器部分 选择了兼容性比较好的 51 系列单片机，在系统更新换代的时候，只需要增 标志及等级电子秤分类分度数范围 特种准确度基准衡器 n 100000 高准确度精密衡器 10000 n 100000 中准确度商业衡器 1000 n 10000 普通准确度粗衡器 100 n 1000 加很少的硬件电路，甚至仅仅删改系统控制程序就能够实现。 另外由于实际应用当中，称可以有一定量的过载，但不能超出要求的范 围，为此还设计了过载提示。 综上所述，本设

19、计的主要思路是：利用压力传感器采集因压力变化产生 的电压信号，经过电压放大电路放大，然后再经过模数转换器转换为数字信 号，最后把数字信号送入单片机。单片机经过相应的处理后，得出当前所称 物品的重量及总额，然后再显示出来。主要技术指标为：称量范围 03000g，分度值 1kg，精度等级 iii 级，电源 ac220v。 这种高精度智能电子秤体积小、计量准确、携带方便，能够满足商业贸 易和居民家庭的使用需求。 第二章第二章 系统方案论证与选型系统方案论证与选型 按照本设计功能的要求，系统由 5 个部分组成：控制器部分、测量部分、 数据显示部分、键盘部分、和电路电源部分，系统设计总体方案框图如图 1

20、 所示。 图 1 设计思路框图 测量部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设计 为电压信号） ，而后经处理电路（如滤波电路，差动放大电路， ）处理后，送 单片机中的 a/d 转换器，将模拟量转化为数字量输出，控制器接受来自 a/d 转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将信号转换为物体的实际重量信 号，并将其送到显示单元中。 2.1 控制器部分 本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器，而且以单片机为 主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组 成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统” 。 这种新型的智能仪表在测量过程自动化

21、、测量结果的数据处理以及功能的多 样化方面，都取得了巨大的进展。再则由于系统没有其它高标准的要求，又 考虑到本设计中程序部分比较大，根据总体方案设计的分析，设计这样一个 简单的的系统，可以选用带 a/d 转换器的单片机，由于应用程序不大，应用 程序直接存储存片内，不用在外部扩展存储器，这样电路也可简化。stc 公 司的 12 系列的单片机都可使用，在这里选用 stc 生产的 stc12c5a60s2 单片 机。stc12c5a60s2 与 mcs-51 相比有如下优势： 1、指令集与 mcs-51 系列单片机完全兼容 2、片内存储器采用闪速存储器，并且支持 spi-isp 在线编程，使程序 写

22、入更加方便，提高了调试效率，缩短了开发周期； 3、提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路体积更小。此外价格低廉、 性能比较稳定的 mpu，具有 64k8rom、1ram、2 个 16 位定时计数器、4 个 8 位 i/o 接口。这些配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求。 4、单指令周期，运行速度高。 5、自带上电复位电路，可减低单片机外围电路的复杂程度。 6、内置 8 路 10 位高速 a/d 转换，转换速度 25 万次/秒。 经过放大电路的信号是模拟信号即模拟量，需要把它变成数字量才能送 入单片机控制系统受理，所以需要有 a/d 转换电路。考虑到其他部分所带来 的干扰 ,8 位 a/d 无

23、法满足系统精度要求。作为一般小商品称重需求，我们 只需要选择 10 位的 a/d 转换器就可以了。 最后我选择了 stc12c5a60s2 这个比较常用的单片机来实现系统的功能 要求。stc12c5a60s2 内部带有 60kb 的程序存储器，并且带有 8 路 10 位精度 的 a/d 转换器，基本上已经能够满足我们的需要。stc12c5a60s2 单片机的引 脚图如图 2 所示。 图 2 stc12c5a60s2 单片机的引脚图 2.2 数据采集部分 电子秤的数据采集部分主要包括称重传感器、处理电路电路，因此对于 这部分的论证主要分两方面。 2.2.1 传感器的选择 在设计中，传感器是一个十

24、分重要的元件，因此对传感器的选择也显的 特别的重要，不仅要注意其量程和参数，还有考虑到与其相配置的各种电路 的设计的难以程度和设计性价比等等。 传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的 自重、可能产生的最人偏载及动载等因素综合评价来确定。一般来说，传感 器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但在实 际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、 偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素， 保证传感器的安全和寿命。传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体 的各个因素后，经过大量的实验而确定的。本设计要求称

25、重范围 0-3000g， 重量误差不大于 0.1kg。 为保证电子秤称量结果的准确度，克服传感器在低量程段线性度差的缺 点。传感器的量程应根据皮带秤的最大流量来选择。在实际工作中，要求称 重传感器的有效量程在 20%80%之间。线性好，精度高。重量误差应控制存 0.01kg，又考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器， 根据设计需要，确定传感器的额定载荷为 5kg，允许过载为 150%f.s，精度 为 0.05%，最大量程时误差0.1kg，可以满足本系统的精度要求。 综合考虑，本设计采用电阻应变式传感器，其最大量程为 5kg.称重传感 器由平行梁结构及金属箔式应变片构成，具有过载

26、保护装置。由于惠斯登电 桥具诸如抑制温度变化的影响，抑制干扰，补偿方便等优点，所以该传感器 测量精度高、温度特性好、工作稳定等优点，广泛用于各种结构的动静态测 量及各种电子秆的一次仪表。该称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆 线等组成，其工作原理如图 3 所示。 rdra rcrb res bridge ein eout 图 3 称重传感器原理图 本设计的测量电路采用最常见的桥式测量电路，用到的是电阻应变传感 器半桥式测量电路。它的两只应变片和两只电阻贴在弹性梁上，测量电阻随 重力变化导致弹性梁应变而产生的变化。其测量原理：用应变片测量时，将 其粘贴在弹性体上。当弹性体受力变形时，应变片的敏

27、感栅也随同变形，其 电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。由于内部线 路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由下式 给出： 上式说明电桥的输出电压 v 和四个桥臂的应变片感受的应变量的代数和 成正比。 2.2.2 放大电路选择 称重传感器输出电压振幅范围 020mv。而 a/d 转换的输入电压要求为 02v，因此放大环节要有 100 倍左右的增益。对放大环节的要求是增益可 调的（70150 倍） ，根据本设计的实际情况增益设为 100 倍即可，零点和增 益的温度漂移和时间漂移极小。按照输入电压 20mv，分辨率 20000 码的情况， 漂移要小于 1 旧

28、。由于其具有极低的失调电压的温漂和时漂（li.lv） ，从 而保证了放大环节对零点漂移的要求。残余的一点漂移依靠软件的自动零点 跟踪来彻底解决。稳定的增益量可以保证其负反馈回路的稳定性，并且最好 选用高阻值的电阻和多圈电位器。 由称重传感器的称量原理可知，电阻应变片组成的传感器是把机械应变 转换成r/r，而应变电阻的变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻 值 120，灵敏系数 k=2，弹性体存额定载荷作用下产生的应变为 l000， 应变电阻相对变化量为： r/r=k=2100010-6 =0. 002 由上式可以看出电阻变化只有 0.24，其电阻变化率只有 0.2%。这样 小的电阻变化既难以

29、直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换 电路，把应变计的r/r 变化转换成电压或电流变化，但是这个电压或电流 信号很小，需要增加增益放大电路来把这个电压或电流信号转换成可以被 a/d 转换器接收的信号。在前级处理电路部分，我们考虑可以采用以下几种 方案： 方案一：利用普通低温漂运算放大器构成前级处理电路； 普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于 a/d 转换 器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。 所以，此种方案不宜采用。 方案二：主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器，而构成的前 级处理电路；差动放人器具有高输入阻抗，增益高的特点，可

30、以利用普通运 放(如 op07)做成一个差动放大器。 一般说来，集成化仪用放大器具有很高的共模抑制比和输入阻抗，因而 在传统的电路设计中都是把集成化仪器放人器作为前置放人器。然而，绝人 多数的集成化仪器放大器，特别是集成化仪器放大器，它们的共模抑制比与 增益相关：增益越高，共模抑制比越大。而集成化仪器放大器作为心电前置 放大器时，由于极化电压的存在，前置放大器的增益只能在几十倍以内，这 就使得集成化仪器放大器作为前置放大器时的共模抑制比不可能很高。有同 学试图在前置放大器的输入端加上隔直电容（高通网络）来避免极化电压使 高增益的前置放大器进入饱和状态，但由于信号源的内阻高，且两输入端不 平衡，隔直电容（高通网络）使等共模干扰转变为差模干扰，结果适得其