高精度电子秤的设计.docx

1、高精度电子秤的设计摘要称重技术是人类生活中不可缺少的部分，自古以来就被人们所重视。作为一种计量手段，被广泛应用于工业、农业、贸易等各个领域。随着现代文明和科学技术的不断进步，人们对称重技术的准确度要求也越来越高，电子秤产品技术水平的高低，直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。近年来，电子称重技术取得了突飞猛进的发展，电子秤在称重计量领域中也占有越来越重要的地位，其应用领域也在不断地扩大。尤其是商用电子秤，由于其具有准确度高、反应灵敏、结构简单等优点，被广泛应用于工商贸易、轻工食品、医药卫生等领域。目前，机械秤正在逐步被电子秤取代，这就促使电子秤的研究需要进一步的深入。本设计是以AT

2、89S51为核心的一种高精度电子秤，系统采用模块化设计法，其硬件结构主要包括：数据采集模块、最小系统模块、电源模块、键盘和显示模块。其中，数据采集模块包括称重传感器和A/D转换电路；最小系统部分主要包括AT89S51和扩展的外部数据存储器；键盘由44位矩阵键盘组成；显示部分LM4229液晶显示。软件部分由C语言编程，实现对各部分的控制。该电子秤可以能够显示商品的名称、价格、总量、总价等；能够自动完成商品的价格计算；能够储存几种简单商品的价格；能够具有超重提醒功能。其称重范围为05Kg，分度值为g。整个系统结构简单，使用方便。关键词：电子秤；AT89S51单片机；称重传感器；A/D转换电路；液晶

3、显示AbstractWeighing technology is indispensable to human life, since the ancient times attention. As a measurement method, have been widely applied in industry, agriculture, trade and other fields. Along with the development of modern civilization and progress of science and technology, the accuracy

4、of weighing technology requirements are increasingly high, electronic products, technology level, directly influences the level of modernization and professions to improve the economic benefits of the society. In recent years, the electronic weighing technology achieved rapid development, electronic

5、 weighing in the metrology area also plays more and more important position, and its applications are constantly expanding. Especially, because of its commercial electronic with high accuracy, senstive reaction, simple structure, etc, have been widely applied in industry and commerce trade, light fo

6、od, medicine and health, etc. At present, mechanical scales are gradually replaced by electronic, this has led to the further study of electronic.This design based on AT89S51 at the core of a high-precision electronic systems, modular design method and its hardware structure mainly include: the data

7、 acquisition module, the smallest system module, power module, the keyboard and display module. Among them, the data acquisition module including weighing transducer and A/D circuit, The minimum system parts including AT89S51 and extension of external data storage, Keyboard 4X4 by a matrix of the ke

8、yboard, LM4229 LCD display section. Software consists of the C programming language, realize the control of each part. The electronic can can show the name of the product, price, quantity and price; etc. Can be finished goods prices. To be able to store some simple commodity prices, To remind functi

9、on with overweight. The weighing 5Kg, range of indexing value for 0.001 g. The entire system structure is simple, easy to use.Keywords: electronic, AT89S51, weighing transducer, A/D circuit, LCD display1绪论1.1选题的背景与意义1.1.1选题的背景1电子技术渗入衡器制造业随着第二次世界大战后的经济繁荣，为了把称重技术引入生产工艺过程中去，对称重技术提出了新的要求，希望称重过程自动化，为此电子技

10、术不断渗入衡器制造业。在1954年使用了带新式打印机的倾斜杠杆式秤，其输出信号能控制商用结算器，并且用电磁铁机构与代替人工操作的按键与办公机器联用。在1960年开发出了与衡器相联的专门称重值打印机。当时的带电子装置的衡器其称量工作是机械式的，但与称量有关的显示、记录、远传式控制器等功能是电子方式的。2电子秤步入社会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。这是由于电子衡器不仅能给出质量或重量信号，而且

11、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基础，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。我国的衡器在20世纪40年代以前还全是机械式的，40年代开始发展了机电结合式的衡器。50年代开始出现了以称重传感器为主的电子衡器。80年代以来

12、， 我国通过自行研制、引进消化吸收和技术改造，已由传统的机械式衡器步入集传感器、微电子技术、电脑技术于一体的电子衡器发展阶段。目前，由于电子衡器具有称量快、读数方便、能在恶劣环境下工作、便于与电脑技术相结合而实现称重技术和过程控制的自动化等特点，已被广泛应用于工矿企业、能源交通、商业贸易和科学技术等各个部门。随着称重传感器技术以及超大规模集成电路和微处理器的进一步发展，电子称重技术及其应用范围将更进一步的发展，并被人们越来越重视。1.1.2选题的意义电子秤是日常生活中常用的电子衡器，广泛应用于超市、大中型商场、物流配送中心。电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。相比传

13、统的机械式称量工具，电子秤具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点，在外形布局、工作原理、结构和材料上都是全新的计量衡器。目前市场上使用的称量工具，或者是结构复杂，或者运行不可靠，且成本高，精度稳定性不好，调整时间长，易损坏，维修困难，装机容量大，能源消耗大，生产成本高。而且目前市场上电子秤产品的整体水平不高，部分小型企业产品质量差且技术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，有针对性地开发出一套有实用价值的电子秤系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善电子秤系统在应用中的不足之处，具有现实意义。1.2电子秤的研究现状及发展趋势1.2.1电子秤的研究现

14、状近几年，我国的电子称重系统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。电子称重技术逐渐从静态称重向动态称重发展，从模拟测量向数字测量发展，从单参数测量向多参数测量发展。电子称重系统制造技术及其应用得到了新发展。国内电子称重技术基本到达国际上20世纪90年代中期的水平，少数产品的技术已处于国际领先水平。在研究方法上，电子称重系统的工作原理一般是将作用在承载器上的质量或力的大小，通过压力传感器转换为电信号，并通过控制电路来处理该电信号。其中压力传感器大多数采用电阻应变片压力传感器，由于应变片的体积较小，市场上有多种规格可供选择，而且可以针对弹性敏感元件的形式可以灵活设计来适应各种应用场合

15、的要求，所以应变片式压力传感器得到广泛的应用。但是电阻应变片压力传感器的一个严重缺陷是应变灵敏度、应变片本身的电阻都随温度变化，而且灵敏度随温度变化较大。在不同的环境中，应变片的阻值发生变化，输出零点漂移明显。并且应变片的输出信号很小、线性范围窄，而且动态响应较差，有待进一步开发。在国际上，一些发达国家在电子称重方面，从技术水平、品种和规模等方面都到达了较高的水平。特别是在准确度和可靠性等方面有了很大的提高。其中梅特勒托利多公司生产的BBK4系列高精度电子秤精度到达了lmg，速度大约为1次秒。目前，电子秤在称量速度方面需要进一步的研究。在称重传感器方面，国外产品的品种和结构又有创新，技术功能和

16、应用范围不断扩大。1.2.2电子秤的发展趋势电子秤的称重功能是基于微处理器这一核心技术来实现的。由于目前在设计电子称重系统时大量地采用集成芯片，因此电子称重系统已经摆脱了以往的电子模式，正向小型化、模块化、智能化、集成化发展；其技术性能趋向于高速率、高准确度、高稳定性、高可靠性；其应用性趋向于综合性、组合性。小型化：体积小、高度低、重量轻，即小薄轻。为使电子衡器的承载器到达小、薄、轻，开始采用重量轻且刚度大的空心波纹铜板和方形闭合截面的薄壁型材。模块化：电子衡器的承载器采用模块式一体组合或分体组合，产生新的品种和规格。这种模块化组合不但提高了产品的通用性和可靠性，而且也大大提高了生产效率，降低

17、了成本。智能化：与电子电脑组合或开发称重用电脑，利用电脑的智能来增加称重显示控制的功能，使其在原有功能的基础上增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织等功能。集成化：对于某些品种和结构的电子衡器，可以实现承载器与称重传感器一体化或承载器、称重传感器与称重显示控制器一体化。综合性：电子称重技术和电子衡器产品的应用范围不断扩大，它已渗透到一些学科和工业自动控制领域。对某些商用电子计价秤而言，只具备称重、计价、显示、打印功能还远远不够，现代商业系统还要求它能提供各种销售信息，把称重与管理自动化紧密结合，使称重、计价、进库、销售管理一体化，实现管理自动化。这就要求电子计价秤能与电子电脑联网，把称重系统与

18、电脑系统组成一个完整的综合控制系统。组合性：在工业生产过程或工艺流程中，不少称重系统还应具有可组合性，即：测量范围可以任意设定；硬件能够依据不定的程序进行修改和扩展；输入输出数据与指令可使用不同的语言，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。今后, 随着电子高科技的飞速发展, 电子秤技术的发展定将日新月异。同时, 功能更加齐全的高精度的先进电子秤将会不断问世, 其应用范围也会更加拓宽。1.3本文的结构本设计是以AT89S51为核心的一种高精度电子秤，系统采用模块化设计法，其硬件结构主要包括：数据采集模块、最小系统模块、电源模块、键盘和显示模块。软件部分由C语言编程，实现对各部分的控制。可以实现

19、称重、去皮、置零、计价和显示等功能。其称重范围为05Kg，分度值为g。整个系统结构简单，使用方便。全文共分为五章，各章主要内容如下：第一章为绪论部分，简要介绍了选题的背景及意义、电子秤的研究现状及发展趋势以及本文的主要内容及结构；第二章为总体设计部分，简要介绍了电子秤的结构及工作原理，论证了系统总体方案的设计，以及对各种方案的选择做出了比较；第三章为系统硬件设计部分，主要是通过对各种模块的介绍以及对电路功能的分析，对系统硬件进行了选型和设计，得出系统硬件结构图；第四章为系统软件设计部分，主要介绍了系统各部分软件的设计流程，给出了简单的程序；第五章为系统软件仿真；第六章为总结与展望，主要是对本课

20、题的总结，以及对存在的问题进行归纳和进一步研究的方向。2系统总体方案设计2.1电子秤的基本知识介绍2.1.1电子秤的基本结构电子秤是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子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

21、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、声外表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大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补偿元件、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、滤滤、运算、变换、计数、

22、寄存、控制和驱动显示等环节。2.1.2电子秤的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)。通常此电压信号很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大，放大后的模拟电压信号经过滤波电路和A/D转换电路转换成数字信号被送入到主控电路的单片机中，单片机不断扫描键盘和各种功能开关，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、由仪表的软件来控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，单片机发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示。2.1.3

23、电子秤的计量参数电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有：量程、安全载荷、额定载荷、允许误差、分度值、分度数、准确度等级等。1量程：一台电子秤不计皮重，所能称量的最大的载荷Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大值。2安全载荷：为电子秤正常称量案范围的120%。3额定载荷：电子秤的正常称量范围。4允许误差：等级检定时允许的最大偏差。5分度值：电子秤的测量范围被分成假设干等份，每份值即为分度值。用e或d来表示。6分度数：衡器的测量范围被分成假设干等份，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=n*d。7准确度等级：国际法制计量组织把电

24、子秤按照不同的分度数分成、四类等级，分别对应不同准确度的电子秤和分度数n的范围，如表因为本设计采用软件仿真而不能进行实际的称量，故信号的放大滤波电路部分舍去，直接输入模拟电压信号，放大滤波部分内容会在第五章仿真总结与问题补充中进行后续介绍。2-1所示。表2-1 电子秤等级分类标志及等级电子秤种类分度数范围特种准确度基准衡器n100,000高准确度精密衡器10,000n100,000中准确度商业衡器1,000n10,000普通准确度粗衡器100n1,0002.2总体方案设计按照设计的基本要求，可以确定系统共分为五大模块，数据采集模块、最小系统模块、超重报警模块、键盘和显示模块。其中，数据采集模块

25、包括称重传感器和A/D转换电路；最小系统模块由AT89S51单片机及其外围电路组成；键盘由44位矩阵键盘组成，可以控制显示商品种类和价钱等信息；显示部分采用LM4229液晶显示，显示当前商品的名称、单价、重量及总价等信息。软件部分由C语言编程，实现对各部分的控制。该电子秤可以实现显示商品的名称、单价、重量、总价等功能。其称重范围为05Kg，分度值为g。在扩展功能上，本设计增加了一个超重报警提示。其总体设计的框图如图2-1所示：图2-1 总体设计方框图系统工作原理：把所称物体放到秤台上，物体的重力通过秤体传给称重传感器，传感器受到压力使电阻发生变化引起电压变化，再将电压值送到A/D转换电路，将模

26、拟量转换成数字量，转换后的数字量送至单片机进行处理，并显示结果。单片机最小系统由AT89S51和外围的时钟电路及复位电路组成。显示电路设计采用LM4229液晶显示，对各部分的控制由采用C语言编程的软件来实现。2.3系统各部分设计方案论证2.3.1电子秤分度数的设定当前，一些单位为了提高级商贸秤的准确度，尝试改小电子秤的分度值，扩大电子秤的分度数，以便到达高精度称量的目的。这样做非但不能进行高精度称量，还会破坏电子秤原有的计量性能，降低电子秤的准确度，有损电子秤的可靠性，使电子秤出现更多的计量误差。现在我国已经完全与OIML规定接轨，衡器计量检定规程完全按OIML规定而来。表2-2为级商业秤误差

27、要求。表2-2 级数字显示商用衡器允差表允差e检定分度值检定要求使用中要求m 500e0.5ee500e m2000e2000e mMax由表2-2可知，它的整个称量范围允差规定是变化的，误差是从大到小再变大，最高准确度在中间。从0500分度数为低精度称量段，到高于3000个分度数之后的实际称量精度逐渐变低，实际误差不断加大。分度数再高其允差也是不变的。从国外电子秤的准确度和分度数设置、国内原先衡器的检定标准和现在我们统计的电子秤分度数的准确度以及OIML对级秤的允差规定看，说明现有级商业秤的分度数设置为20003000是比较理想的，属于最正确分度数。这样设置决定了电子秤的准确度首检为0.05

28、%，使用中为0.1%的正确性、合理性与必要性。2.3.2称重传感器的选定称重传感器在电子秤中占有十分重要的位置，被喻为电子秤的心脏部件，它的性能好坏很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。考虑到不同使用地点的重力加速度和空气浮力对转换的影响，称重传感器的性能指标主要有线性误差、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度特性和灵敏度温度特性等。在各种衡器和质量计量系统中，通常用综合误差带来综合衡量传感器准确度，并将综合误差带与衡器误差带联系起来，以便选用对应于某一准确度衡器的称重传感器。国际法制计量组织(OIML)规定，传感器的误差带占衡器误差带的70，称重传感器的线性误差、滞后误差以及在规定温度范围

29、内由于温度对灵敏度的影响所引起的误差等的总和不能超过误差带。假设在环境恶劣的条件下如高低温、湿热，传感器所占的误差比例就更大，因此，在人们设计电子秤时，正确地选用称重传感器非常重要。1常用各种称重传感器称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类，以电阻应变式使用最广。光电式传感器包括光栅式和码盘式两种。光栅式传感器利用光栅形成的莫尔条纹把角位移转换成光电信号。光栅有两块，一为固定光栅，另一为装在表盘轴上的移动光栅。加在承重台上的被测物通过传力杠杆系统使表盘轴旋转，带动移动光栅转动，使莫尔条纹也随之移动。利用光电管、转换电路和显示仪表

30、，即可计算出移过的莫尔条纹数量，测出光栅转动角的大小，从而确定和读出被测物质量。码盘式传感器的码盘是一块装在表盘轴上的透明玻璃，上面带有按一定编码方法编定的黑白相间的代码。加在承重台上的被测物通过传力杠杆使表盘轴旋转时，码盘也随之转过一定角度。光电池将透过码盘接受光信号并转换成电信号，然后由电路进行数字处理，最后在显示器上显示出代表被测质量的数字。光电式传感器曾主要用在机电结合秤上。液压式传感器：在受被测物重力P作用时，液压油的压力增大，增大的程度与P成正比。测出压力的增大值，即可确定被测物的质量。液压式传感器结构简单而牢固，测量范围大，但准确度一般不超过1/100。电磁力式传感器：它利用承重

31、台上的负荷与电磁力相平衡的原理工作。当承重台上放有被测物时，杠杆的一端向上倾斜；光电件检测出倾斜度信号，经放大后流入线圈，产生电磁力，使杠杆恢复至平衡状态。对产生电磁平衡力的电流进行数字转换，即可确定被测物质量。电磁力式传感器准确度高，可达1/20001/60000，但称量范围仅在几十毫克至10千克之间。电容式传感器：工作原理是利用电容器振荡电路的振荡频率f与极板间距d成正比的关系。极板有两块，一块是固定不动的，另一块是可移动的。在秤体加载重物时，两极板间的距离发生变化，随之，电路的振荡频率也改变。只要测出频率的变化便可求出被测物的质量。电容式传感器耗电量少，造价低，准确度为1/2001/50

32、0。磁极变形式传感器：原理为铁磁元件在被测物体重力下发生形变，产生应力引起导磁率的变化，随之，绕在铁磁元件两侧的次级线圈的感应电压也变化。这样测出电压的变化量便可求出加到磁极上的力，从而确定物体的质量。磁极变形式传感器的准确度不高，一般为1/100，称量范围为几十至几万千克。振动式传感器弹性元件受力后，其固有振动频率与作用力的平方根成正比。测出固有频率的变化，即可求出被测物作用在弹性元件上的力，进而求出其质量。振动式传感器有振弦式和音叉式两种。振弦式传感器的弹性元件是弦丝。当承重台上加有被测物时，V形弦丝的交点被拉向下，且左弦的拉力增大，右弦的拉力减小。两根弦的固有频率发生不同的变化。求出两根弦的频率之差，即可求出被测物的质量。振弦式传感器的准确度较高，可达1/10001/10000，称量范围为100克至几百