1、压电式电子秤毕业论文 1 压电式电子秤毕业论文 目 录 第 1 章 概 述 . 2 1.1 课题研究的目的及意义 . 2 1.2 国内外对电子称重系统的研究现状与发展趋势 . 2 1.3 本课题所要研究的主要内容 . 4 第 2 章 电子秤的工作原理 . 5 2.1 电子秤的设计思路及技术要求 . 5 2.2 工作原理 . 5 2.3 基本结构 . 7 第 3 章 电子秤的硬件设计 . 10 3.1 AT89S52 的最小系统电路 . 10 3.2 电源电路设计 . 13 3.3 数据采集部分电路设计 . 14 3.4 显示电 路与 AT89S52 单片机接口电路设计 . 19 第 4 章 电
2、子秤的软件设计 . 21 4.1 主程序设计 . 21 4.2 系统初始化 . 错误 !未定义书签。 4.3 A/D 转换结果处理程序 . 错误 !未定义书签。 结 论 . 23 致 谢 . 24 参考文献 . 25 附 录 . 26 压电式电子秤毕业论文 2 第 1 章 概 述 1.1 课题研究的目的及意义 称重系统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，与人们的生活紧密相连。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业的现代化水平和社
3、会经济效益的提高，称重装置不仅是提供重量数据的单位仪表，而且做为工业控制和商业管理系统的一个组成部分，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、提高产品的质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。称重装置的应用已经遍及到国民经济各个领域，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。 1.2 国内外对电子称重系统的研究现状与发展趋势 随着科学技术和经 济的发展，出售商品品种的增加，需要称量物品的设备也需要更新换代，人们对称重装置的要求也越 高 ， 电子称重装置推广， 从而进入到传感器，电子学和微处理机领域
4、、使得称重装置变成为电子仪器。它的特点是：精确、智能、方便、明了、可靠，克服了传统的杆秤、盘秤不精确、速度慢、不能计价、易作弊等缺点，在商业领域应用越来越多。 称重技术的突破是微处理机的应用。称重技术的这种发展是由于不仅要求获得静态称重数据，而且进一步要求称重工作的自动化，实现快速称量，以及测量各种动态参数，提高测量精度和各种数据的及时处理。这些精度、速度、性能 和功能方面的要求是传统的机械测量系统无法满足的。也就是说、这种技术发展中的突破是必然的结果。 电子称重装置出现于 80 年代初，随着电子元器件集成化的迅速发展，随着微处理机，单片机的发展和计算机软件的开发，产品价格的下降、电子称重装置
5、在技术上的优势；多功能、高精度、操作方便等，使得不仅实验室的传统称量装置已被电子称重装置所取代，这种趋势已经扩展到工业和其他领域 。 随着自动化测量技术的不断发展，传统的称重系统在功能、精度、智能化、性价比等方面越来越难以满足人们的需要，尤其对一些微小质量的测量更显得力不从心。为了实 现高智能化的微小质量测量，以及 商业流通领域中经常进行各种精度范围的重量测量，传统的秤砣加秤盘模式已经很难适应现代商业零售的需压电式电子秤毕业论文 3 要。同时商品种类的繁多和对服务更高的要求也促使电子秤的功能进一步扩展，而成为集度量、结算于一体的商业销售终端。 电子衡器实际上由两个测量部分组成，即“力 电”转换
6、元件（称重传感器）以及显示仪表。电子衡器大致可以分为两大类，一类是在杠杆式机械衡器的基础上增加一套“位移 数字”转换及测量装置，将被称物体的重量直接用数字显示出来。这类衡器，通常采用码盘、光栅、电磁平衡力矩器、同步感应器或陀螺 传感器等。这种电子衡器人们通常称其为光栅电子秤、码盘电子秤、电子磁力电子秤、同步感应电子秤或陀螺电子秤。另一类电子衡器是通过称重传感器，将被称物体的重量直接转换为与被测重量成正比的电量信号，再由电子测量装置计量其大小，并直接显示其重量数据，这类电子衡器一般称为传感器式电子衡器，我们本讲所学的就是此类电子衡器。电子衡器产品量大面广、种类繁多，从通用的各种规格的电子秤到大型
7、的电子称重系统，从单纯的称重、计价到生产过程检测系统的一个测量控制单元，其应用领域在不断地扩大。根据近年来电子称重技术和电子衡器的发展情况及 电子衡器市场的需求，电子衡器总的发展动向为：小型化、模块化、智能化、集成化；其技术性能趋向于速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；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达到小、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，降低了成本。
8、智能化：与电子计算机组合或开发称重用计算机，利用计算机 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 秤能与电子计算机联网，把称重
9、系统与计算机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 本着这些思想，电子秤系统设计由传感器、 A/D 转换、单片机和 LED 显示器等组成，具有结构简单，成本低，精度高等优点。 早在 20 世纪 80 年代，美国、德国等工业发达国家，就开始了数字式称重传感器和数字称重系统的预先研究和初期开发工作，经过十 余年的努力，推出了多种数字式智能称重传感器及其称重系统，在电子称重领域备受瞩目，有力的推动压电式
10、电子秤毕业论文 4 了电子衡器数字化和数字称重系统的发展。 我国数字式智能称重传感器的研究开发始于 20 世纪 90 年代中后期，在短短几年时间里，研制出安装在模拟式称重传感器内部的小型数字化单元，完成了模拟信号与数字信号之间的转换，变模拟式称重传感器为数字化称重传感器，并应用于大型电子汽车衡和电子配料秤等小型称重系统中，取得了较好的测试结果。近年来，又在数字化称重传感器的基础上，研究与实践数字式智能化电路，数字补偿技术与数字补偿工艺，开发整体型 数字式智能称重传感器和分离型模块化数字称重传感器系统，已经取得了阶段性成果。 随着科学技术和经济的发展，出售商品品种的增加，需要称量物品的设备也需要
11、更新换代，人们对称重装置的要求也越来越高。 电子秤正是利用它 精确、智能、方便、明了、可靠 的特点 ， 广泛应用在 商业 、企业、日常生活等各个领域 。 称重技术的突破是微处理机的应用。称重技术的这种发展是由于不仅要求获得静态称重数据，而且进一步要求称重工作的自动化，实现快速称量，以及测量各种动态参数，提高测量精度和各种数据的及时处理。这些精度、速度、性能和功能方面的要求是传统 的机械测量系统无法满足的。也就是说、这种技术发展中的突破是必然的结果。 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。
12、1.3 本课题所要研究的主要内容 本课题所要研究的内容主要是设计、研究基于压电式的称重系统。主要从以压电式称重系统为核心的电子秤方向入手。以电子秤的工作原理、硬件以及软件的设计，从而进一步去研究压电式称重系统。本文主要讲述电子秤的工作原理，电子秤的硬件设计方案以及电子秤的软件设计。 压电式电子秤毕业论文 5 第 2 章 电子秤的工作原理 2.1 电子秤的设计思路及技术要求 用电子秤称重的过程是把被测物体的重量通过传感器转换成电压信号。由于这一信号通常都很小，需要进行放大，放大后的模拟信号经模 /数变换转换成数字量，再通过显示器显示出重量。由于被测物体的重量相差较大，根据不同的测量范围要求，可由
13、电路自动切换量程，同时显示器的小数点数位对应不同量程而变化，即可实现电子秤的要求。 2.2 工作原理 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
14、，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、声表面谐振式）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（包括放大器、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
15、前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱 动显示等环节。 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，压电式电子秤毕业论文 6 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 )。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， CPU 发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示，或送
16、打印机打 印。一般地信号的放大、滤波、 A/D 转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。 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 = n d （ 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、四类等级，分别
17、对应不同准确度的电子秤和分度数 n 的范围，如下表 1-1 所示： 表 1-1 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 n 100 000 高准确度 精密衡器 10 000 n 100 000 中准确度 商业衡器 1 000 n 10 000 普通准确度 粗衡器 100 n 1 000 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、需要工频交流电源供应、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
18、决 ， 一旦超过弹压电式电子秤毕业论文 7 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 AT89系列单片机，在系统更新换代的时候，只需要增加很少的硬件电路，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
19、以有一定量的过载，但不能超出要求的范围，为此我们还设计了过载提示和声光报警功能。 综上所述 ,本课题的主要设计思路是：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。此外，还 可通过键盘设定所称物品的价格。 主要技术指标为：称量范围 0 5kg;分度值 0.01kg;精度等级 级 ;电源 DC1.5V（一节 5号电池供电）。 这种高精度智能电子秤体积小、计量准确、携带方便 ,集质量称量功能与价格计算功能于一体 ,能够满足商业贸易和居民家庭的使用需
20、求。 根据电子秤的性能及技术要求，选择 89C52 单片机为核心，组成称量系统。系统主要有 89C52 单片机、 A/D 转换器、显示电路、传感器、放大电路、锁存器等组成。 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 )。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模 /数（ A/D）转换器进行转换，单片机对转换后的数字信号进行必要的判断、分析，再送到显示电路。 2.3 基本结构 该系统采用应变片式传感器进行测量，得出模拟信号；再进行放大和模数转换，然后送入
21、单片机行处理。由 A/D 接口模块、主机接口模块、键盘与显示模块组成。 压电式电子秤毕业论文 8 图 2-1 电子秤基本结构 该结构共分五大部分，即信号采集部分：利用 称重传感器获取外部重量信息；信号放大部分；模数转换部分：利用 A/D 转换器把输入的模拟信号转换成数字信号以送到单片机进行处理；单片机控制部分：单片机是中央控制系统，它接受外部送进的各种数据和控制信息，通过运算和处理，然后送到外部以实现显示等需要；人机接口部分：人机联系部件有键盘、显示器等，这些部件同主机电路的连接是由人机接口电路来完成的。人机接口技术是智能仪表和操作者进行联系并得到实际应用的关键之一。 1、称重传感器 电阻应变
22、式传感器就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而最后显示或记录 被测量值的变化。在这里，我们用电阻应变式传感器作为测量电路的核心。并应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度。 电阻应变式称重传感器原理是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，然后以适当方式组成电桥的一种将力（重量）转换成电信号的传感器。 电阻应变式称重传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件：利用它将被测的重量转换为弹性体的应变值；另一个是电阻应变计：它作为传感元件将弹性体的应变，同步地转换为电阻值的变化。电阻应变片所感受的机械应变量一般为，随之而生的电阻变化率也大约在 26 1010 数量级之间。这样小
23、的电阻变化用一般测量电阻的仪表很难测出，必须采用一定形式的测量电路将微小的电阻变化率转变成电压或电流的变化，才能用二次仪表显示出来。在电阻应变式称重传感器中通过桥式电路将电阻的变化转换为电压变化。电阻应变式称重传感器工作原理框图如图 2-2 所示： 图 2-2 电阻应变式称重传感器工作原理框图 当传感器不受载荷时，弹性敏感元件不产生应变，粘贴在其上的应变片不发生变形，阻值不变，电桥平衡，输出电压为零；当传感器受力时，即弹性敏感元件受载荷 P 时，应变片就会 发生变形，阻值发生变化，电桥失去平衡，有输出电压。 称重传感器 前置放大器 模数转换器 单片机 接 口 显示器 载荷 P 电压 应变 电阻
24、变化 R 输出 敏感元件 应变片 测量电桥 压电式电子秤毕业论文 9 2、前置放大器 市场上有已成形的集成运算放大器，如 AD620 仪用放大器能直接用于该设计的放大部分，且集成芯片相对于自己用单运放搭接的运放电路具有更稳定的性能，误差更小；但集成运算放大器价格相对较高，而且自己搭接的运放电路其误差范围已经基本满足本设计的要求，所以我们选取 OP07 单运放搭接差分运算放大器的方式，同时一定程度上锻炼了模拟电路的实践能力。 3、模数转换器 根据本课题的要求，要满足最低档位的分辨率，必须选取位数较高的 A/D芯片，串行的 TLC2543 芯 片驱动程序相对并行 A/D 复杂一点，但根据市场零售价
25、格比较，该芯片是满足要求的最便宜的芯片，本着开发项目尽量缩减成本的原则我们最终选取了该芯片。 4、单片机 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、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 EPROM 的单片机，由于应用程序不大，应用程序直接存储在片内，不用在
26、外部扩展存储器，这样电路也可简化。 INTEL 公司的 8051 和 8751 都可使用，在这里选用 ATMENL生产的 AT89SXX 系列单片机。 AT89SXX 系列与 MCS-51 相比有两大优势：第一，片内存储器采用闪速存储器，使程序写入更加方便；第二，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 MCPU，具有 8K 8ROM、 256 8RAM、 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。 最后我们最终选择了 AT89S52 这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。 AT89S52 内
27、部带有 8KB 的程序存储器，基本上已经能够满足我们的需要。 5、显示 数据显示是电子秤的一项重要功能，是人机交换的主要组成部分，它可以将测量电路测得的数据经过微处理器处理后直观的显示出来。数据显示部分可以有以下两种方案供选择。的组成有以下两种方案可供选择： 一是 LED 数码管显示 ,二是 LC D 液晶显示两种选择 . LCD 液晶显示器是一种极低功耗显示器，从电子表 到计算器，从袖珍时仪表到便携式微型计算机以及一些文字处理机都广泛利用了液晶显示器。 选取 smc1602aLCM 点阵型液晶对单片机处理过后的数据进行显示。 压电式电子秤毕业论文 10 第 3 章 电子秤的硬件设计 在本系统
28、中用于称量的主要器件是称重传感器（一次变换元件），称重传感器在受到压力或拉力时会产生电信号，受到不同压力或拉力是产生的电信号也随着变化，而且力与电信号的关系一般为线性关系。 由于称重传感器一般的输出范围为 0 20mV，对 A/D 转换或单片机的工作参数来说不能使 A/D转换和单片机正常工作，所以需要对输出的信号进行放大。由于传感器输 出的为模拟信号，所以需要对其进行 A/D 转换为数字信号以便单片机接收。单片机根据称重传感器输出的电信号和速度传感器输出的速度信号计算出物体的重量。 在本系统中，硬件电路的构成主要有以下几部分： AT89C52 的最小系统构成、电源电路、数据采集、人 -机交换电
29、路等。 3.1 AT89S52 的最小系统电路 3.1.1单片机芯片 AT89S52 介绍 单片机采用 MCS-51系列单片机。由 ATMEL公司生产的 AT89S52是一种低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公 司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在线系统可编程 Flash，使得 AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节 Flash， 256字节 RAM， 32 位 I/O 口
30、线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个 16 位定时器 /计数器，一个 6向量 2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。空闲模式下， CPU停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。而且，它还具有一个看门狗（ WDT）定时 /计数器，如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路。 AT89S52有 40个引脚， 32个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时内含 2个外中断口， 2个 16位可编程定时计数器 ,2个全双工串行通信口，片上 Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。其将通用的微处理器和 Flash存储器结合在一起，特别是 可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本。其芯片引脚图如上图所示。
