1、高精度电子秤设计摘 要随着科技的进步，对电子秤的要求也越来越高。影响其精度的因素主要有:机械结构、传感器和数显仪表。在机械结构方面，因材料结构强度和刚度的限制，会使力的传递出现误差，而传感器输出特性存在非线性，加上信号放大、模数转换等环节存在的非线性，使得整个系统的非线性误差变得不容忽视，因此，在高精度的称重场合，迫切需要电子秤能在线自动校正系统的非线性。此外，为了保证准确、稳定地显示，仪器内部分辨率一般要比外部显示分辨率高4倍以上，这就要求所采用的ADC具有足够的转换位数，而采用高精度的ADC，自然增加了系统的成本。基于电子秤的现状，本文提出了一种基于单片机控制和称重传感器的高精度智能电子秤
2、设计方案。通过实时地对系统的非线性进行补偿，使测量精度得到了大大提高。关键词：单片机，电子秤，称重传感器第 2 页 共 36 页The design of the high accuracy electronic scaleAbstractAlong with the advancement of the science and technology, the requirements of electronic scales become higher and higher. The factors which affect the precision of the scale mainly
3、 include: Mechanism, Sensor and Digital Instruments. In the mechanical structure, because of the restrictions of the structural strength and stiffness, the transmission of the force will appear error. Due to the existence of the non-linear of the sensor output, signal amplification and Analog-digita
4、l conversion and so on, which makes the non-linear of the whole system not be ignored. So, in high-precision weighing occasions, it is very important that the electronic scale can revise the non-linear of the system on-line automatically. Furthermore, in order to ensure accurate, stable display, the
5、 internal resolution of the instrument is 5 times than the external resolution generally. This requires that the ADC we used has sufficient conversion median. But the use of high-precision ADC will increase the cost of the system. Based on the status of electronic scale, this paper presents a kind o
6、f electronic scale design which based on the microcontroller-based control and the high-precision weighing sensor design. Through the compensation to the non-linear in real time, the measurement accuracy can be greatly improved. Key words: High-speed data acquisition, FPGA, High-speed ADC1 绪论1.1 电子秤
7、概述千百年来人们的称重手段一直沿用依据杠杆力矩平衡原理的机械式秤，小到天平、星子，大到汽车衡、轨道衡大都如此。直到二、三十年前由于电子技术的飞速发展，一种全新的称重手段才问世，这就是电子秤。电子秤一般由传感器和二次仪表组成。电子秤的工作原理是：称重时把所施第 3 页 共 36 页加于传感器上，由传感器把重量信号转变成电量信号，再经二次仪表的处理放大，将重量值用数字方式显示出来，有的还可以打印记录。电子秤的传感器是多种多样的，如按传感器的电量形式分类，大致可分为：电阻式、电容式、电感式等数种。电阻应变片式传感器体积小精度高，但容易受温度、湿度等环境因素的影响，工作不稳定。在采取密封、保温、补偿等
8、措施后，可以大大消除环境因素的影响。在目前应用的电子秤中大多是电阻应变片式传感器。电容式传感器体积大，精度也较电阻应变片式传感器稍差。但由于电容量的变化可以方便地转化为频率的变化，而频率可以作为数字量处理，这样传感器和二次仪表的系统综合精度就可以大大提高。电感式传感器受环境因素影响小，耐用性好，但精度不高。一般只用于限重、配料等精度要求不高的场合。电子秤发展迅速，到目前电子秤的种类几乎涵盖了所有机械秤的种类。并且由于其自身的特点还增加了一些机械秤所难以实现的种类，如吊钩秤、小车秤、动态皮带秤等等。在实物流通中大量使用的是 1 吨以上量程的秤，最突出的优越性有三点：一是可以减少作业环节和作业量，
9、提高生产效率；二是可以降低司磅人员的劳动强度，减少人为称量误差；三是便于实现自动化。小车式电子秤和吊钩式电子秤在减少作业环节和作业量、提高生产效率方面有显著作用。这两种秤都是应用在吊车上的，可以在物资的装卸过程中同时完成称重作业。小车式电子秤是把传感器安装在桥式吊的小车上。由四只传感器将小车上的卷扬机构全部支承起来。传感器和司机室内的二次仪表之间可以用电缆连接，也可使用无线信号传递信息。小车式电子秤特别适合安装在频繁称重作业的桥式吊车上，对使用条件和环境条件的适应性较好。吊钩式电子秤是把安装了传感器的秤体挂在吊车的钩头上，被称的重物再挂在秤体的下面。二次仪表课固定在秤体上，成为一体式。二次仪表
10、也可以与秤体分开而独立存在，称为分体式。一体式吊钩电子秤在称重时重量值在秤体上直接用数码管或液晶显示。数码管显示适用于光线较暗的场所，如夜间、室内。液晶显示适用于光线强的场所。一体式吊钩称使用时方便简捷，但在称重时秤体悬停在距地面数米的高度上，读取秤体上所显示的重量数值时要仰头仔细观察。分体式吊钩称是在秤体上装上无线信号发射机，二次仪表接收无线信号显示重量数值。这种电子秤的秤体较耐撞击，使用也方便。分体式吊钩秤的二次仪表有台式的、第 4 页 共 36 页便携式的手持式的还有大屏幕式的。台式的由于不必担心其体积和重量，功能配备的较多。手持式的可以在手中读取重量值，使用非常方便。大屏幕显示可以在一
11、定距离范围内多人同时读取重量值。一台电子秤可同时配用几种不同形式的二次仪表。用户可根据自己的需要选用一种或几种二次仪表。早期还有一种用信号电缆将传感器和二次仪表连接的吊钩式电子秤，因使用不便已淘汰。吊钩式电子秤的优点是使用灵活方便，适合于经常变换使用场所的情况，不但能在桥吊、门吊上应用，也能在其他形式的吊车如汽车吊、轮胎吊上应用。在我国应用的范围要比小车式电子秤广泛，在工厂、仓储、铁路、港口等部门都有应用。价格也较小车式电子秤低，20 吨级的秤 34 万元/台。吊钩式电子秤的生产厂家较多，郑州电子秤厂生产的 ORS 系列电子吊秤在精度、分辨率和可靠性等方面都较突出。电子秤在我国生产、应用的时间
12、只有短短十几年。最初的电子秤二次仪表是电子管的，体积大、稳定性和可靠性差，使用前需预热。近几年电子秤有了飞速的进步。传感器在材料、工艺的支持下灵敏度、线性度、重复性等项指标都达到了很高的水平。二次仪表普遍采用了集成电路、微处理器等技术，缩小了体积，增加了功能。电子秤的系统精度已达到或优于级秤的水平，出现了许多较完善的定型产品，形成了系列。由于电子秤所具备的种种优越性，使传统的机械秤在它面前相形见绌，电子秤取代机械秤的地位是大势所趋。电子秤今后的发展动向是：一、进一步提高可靠性和耐用性。电子秤的构成元件比机械秤多得多，而且大都是电子元件，客观上故障概率要比机械秤高，提高可靠性显得尤为重要。秤体在
13、使用中要经得起正常的磕碰，不能太娇气。提高可靠性和耐用性是电子秤与机械秤竞争的关键。二、降低成本价格。电子秤目前的价格与机械秤相比还是偏高一些，影响电子秤的推广应用。在电子元器件呈降价去世的情况下降低电子秤的成本和销售价格不是不可能了。三、进一步改进二次仪表，开发新功能。例如增加磁盘存储器，便于向计算机输送信息；增加语音报重功能等。还可以应用户要求进行特殊设计，使电子秤参与对自动生产过程的控制 1-4。1.2 国内外称重传感器发展状况第 5 页 共 36 页工业与商业电子秤用的称重传感器的技术与制造工艺，美、德等工业发达国家的著名制造公司一直处于国际市场引导者的领先地位，我国具有一定规模的称重
14、传感器制造公司处于市场挑战者或市场追随者地位。家用电子秤用称重传感器的研发和生产中心在中国深圳，我过的制造技术、工艺水平、产品质量和年产量都在逐年提高。 当今国际市场称重传感器技术的竞争，集中表现在产品的准确度、稳定性和可靠性的竞争；制造技术与制造工艺的竞争；应用高新技术研发新产品和自主知识产权产品的竞争。各称重传感器制造企业都在努力培植自己的核心竞争技术和打造核心竞争产品。 从近几年国际衡器工业展览会上展出的产品和对多家处于市场引导者地位的企业产品的分析可以得出这些企业的共同追求是：弹性体材质更精良；电阻应变计、补偿元器件的技术要求和环境应力筛选更严格；制造工艺更精细；电路补偿工艺更完善；外
15、观质量更完美。 称重传感器的准确度、稳定性和可靠性是重要的质量指标，同时也是用户最关心的问题。对此，这些企业在结构设计、制造工艺、电路补偿与调整和稳定性处理等方面进行许多研究与试验工作，取得较大进展。1.2.1 主要成果 （1）在结构设计与计算过程中，引入计算机拟实技术进行动态仿真，动力学分析；在工艺设计过程中引入计算机虚拟技术，对弹性体生产工艺进行模拟和检验； （2）在弹性体加工中，纳入先进制造技术，变刚性制造为柔性制造。普遍采用加工中心、柔性制造单元和柔性制造系统； （3）在生产全过程中，尽量减少手工操作、人为控制，增加半自动与自动控制、自动检验工序，并在生产工艺中采用计算机网络技术； （
16、4）改进、创新工艺装备，实现高效智能电路补偿，建立全自动快速检测系统，提高 C3 级产品成功率和大批量生产产品的抽检合格率； （5）移植先进的稳定处理技术与装备，实施振动时效或共振时效新工艺，提高称重传感器的长期稳定性和工作可靠性； （6）应用高新技术开发新产品和自主知识产权产品，增强核心竞争力。处于第 6 页 共 36 页国际市场引导地位的企业都有自己的核心竞争技术、工艺和产品，例如：正负蠕变电桥的“O 蠕变”称重传感器；铍青铜动态称重传感器；整体型和分离型数字式智能称重传感器；高准确度不锈钢 3 柱、4 柱高温称重传感器；组件化设计的“即插即用”型新式称重模块等。国外称重传感器技术发展特点
17、及快速发展的原因： （1）重视基础技术、基础工艺和共性关键技术的研究，作到基础研究与预先研究并行；共性关键技术研究与应用技术研究并行；典型产品开发与产品工程化并行。保证基础技术与基础工艺（电阻应变计、应变粘结剂、补偿元器件、防护与密封材料等）一直处于世界领先地位。 （2）重视基础设施建设和制造技术、制造工艺的研究与应用。配置优良的工艺装备和检测仪器，特别是智能化工艺设备，作到工艺装备最先进； （3）描准世界称重传感器技术的发展潮流和战略前沿，确定研究课题和产品开发方向。重视新产品和自主知识产权产品的开发，增强核心竞争力。其技术创新和新产品开发的标准是：具有较高的技术先导性，工艺先进性，市场扩散
18、性，效益增殖性。使技术与工艺始终处于世界领先地位。 （4）重视称重传感器的可靠性设计、控制与管理，严格设计符合性控制和工艺可靠性控制，努力使工艺兑现率达到百分之百。 （5）重视市场竞争，加强市场调查与分析，快速响应市场。21 世纪的市场竞争，是以市场响应速度为焦点，以改进和创新产品为基础。 （6）重视相关法规和规程的学习，全面理解并认真执行，保证生产的每一个产品都符合要求。 正因为如此，国外的称重传感器品种繁多，规格齐全，合金钢、铝合金、不锈钢、铍青铜制品应有尽有；水下、钻井下测量，耐压防爆、抗辐射、耐腐蚀产品；微小和超大量程；多称量与动态称量；集成化与模块化结构任用户选购。并作到产品的内在与
19、外观质量并重，近几年外观质量的改进与提高十分明显，基本没有喷漆产品，几乎全部是亮光或亚光化学镀镍、镀铬，烤漆，喷塑，瓷质阳极化和不锈钢产品。个别产品的外形已融入人性化设计。1.2.2 我国称重传感器技术现状及主要差距 尽管我国航空、航天工业部门早在 20 世纪 50 年代末期就开始研究应用应变第 7 页 共 36 页式负荷传感器，但并未向民用发展。就全国而言，负荷传感器的研制与生产起步较晚，60 年代只有几个厂家生产普通精度等级的应变式测力传感器。结构单一，只有圆柱、圆环两种结构，基本不进行电路补偿与调整，有的产品甚至用外部平衡箱调整零点。 80 年代初，全国有 20 余个企业用资一亿元人民币
20、，用汇 1300 万美元，从美、日等国引进应变式负荷传感器制造技术与工艺装备，进行学习、消化、吸收。经过仿制和试生产后，开始多品种小批量生产，推向市场后，取得相当可观的效益。当时人们对此产品的总结是：多品种、小批量、低成本、高收益、投资少、见效快。引起不少行业的个人和企业的关注，纷纷进入此行业，生产厂家从 70 年代的20 多个迅速增加到 100 多个，年产量与日本相当，达到 100 多万只。 随着国民经济的发展，各行业对电子衡器的需求不断增加，极大的促进了称重传感器技术的发展。80 年代中期到 90 年代中期，是我国称重传感器技术稳步发展，品种和规格迅速增加，产品质量不断提高的十年。不少厂家
21、都改进或增加工艺装备、检测仪表，购置智能温度补偿装置和灵敏度温度补偿设备，实现了规模化生产。90 年代中期称重传感器生产企业增加到 160 多个，年产量 200 多万只。除满足国内市场需求外，十余个企业开始小批量出口，呈现出较好的发展势头。 国际称重传感器技术的发展动向是，把称重传感器的准确度、稳定性和可靠性作为极其重要的质量指标，把制造技术和制造工艺作为核心竞争力，紧紧抓住称重传感器的特性问题、生产问题和应用问题进行基础研究、工艺研究和应用研究，其研究方向和特点是： （1）在产品结构设计与制造工艺中，吸取了工程化产品设计中的计算机拟实技术和虚拟技术，加快开发速度，减少开发风险； （2）在弹性
22、体加工中，从单元加工技术发展到集成化加工技术；从刚性制造发展到柔性制造；从简单化经验判断发展到智能化定量分析。普遍采用柔性制造单元和柔性制造系统； （3）生产工艺已不是传统关念中的“作坊手艺”，而是技术与管理相结合的一项系统工程。为适应多品种、大批量生产，保证产品技术性能的均一性，生产工艺必须向尽量减少手工操作、人为控制，增加半自动化和自动化工序方向发展。例如：采用计算机控制，人机一体化工艺系统和测试技术网络化信息系统等； 第 8 页 共 36 页（4）与稳定性和可靠性有关的稳定处理工艺在高温处理，低温深冷，脉动疲劳，超载静压等方法的基础上，又研究出振动时效、共振时效新工艺，共振 10 分钟，
23、可消除绝大部分残余应力。1.2.3 称重传感器技术的发展趋势应变式称重传感器的发展趋势，可用“四化”来概括，即设计技术虚拟化，制造技术柔性化，生产工艺网络化，企业管理信息化。 设计技术虚拟化：包括弹性体结构设计的拟实技术和工艺设计的虚拟技术。结构设计的拟实技术：是指面向弹性体的结构和性能分析技术，包括动态仿真、动力学分析、强度和刚度有限单元法计算、敏感区应变大小与分布等，以达到优化设计的目的。 工艺设计的虚拟技术：是指面向弹性体生产过程的模拟和试验，检验弹性体的可加工性，加工方法和工艺的合理性，保证制造工艺最佳化。 设计技术虚拟化的核心是有限单元计算和计算机动态仿真。通过仿真软件来模拟真实受载
24、情况，发现并及时处理设计和工艺缺陷或错误，以确保结构设计和生产工艺的合理性。 制造技术柔性化：是指在多品种、大批量生产的弹性体加工中，纳入先进的制造技术：柔性制造单元（FMC ）、柔性制造系统（ FMS）和计算机集成制造系统。它是计算机技术、信息技术、自动控制技术等与传统的制造技术相结合形成的全新的制造系统。 生产工艺网络化：是指在生产工艺全过程中，通过通讯线路和设备把各生产工序具有独立操作和控制功能的计算机系统相互连接起来，在网络软件管理下，实现信息的收集、存储和处理。与传统的“作坊手艺”生产工艺相比，大大的减少了手工操作，最大限度的排除了人为因素对产品质量的影响。 企业管理信息化：是指按计
25、算机处理的要求，依据结构化系统分析和设计方法，建立企业信息系统，实现企业管理全面现代化。包括 CAD、CAM 系统，生产管理系统，商务决策系统和经营管理系统等。 为适应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；测量特点从单参数测量向多参数测量发展，以及电子衡器对称重传感器的新要求，以下课题将是今后一个时期的研发重点：快速、低速动态和动态第 9 页 共 36 页称重传感器及其阻尼技术；多功能、多分量称重传感器及其测试方法；微小和超大量程称重传感器 57 。 第 10 页 共 36 页2 本系统的实现方案和硬件电路设计2.1 系统设计要求能够实现由单片机控制的电子秤，
26、单片机作为主控芯片，实时记录测点的称重值，测试数据要读入计算机。2.2 系统组成及工作原理2.2.1 方案设计根据电子秤的性能要求，我们选用 80C51 单片机为核心，组成称量系统，系统主要有 80C51 单片机、A/D 转换器、放大电路、键盘扫描电路、显示电路、传感器、与门、反相器、锁存器等组成。系统的结构如图 2.1 所示。称 重传感器前置放大器模/数转换器单片机接口键盘显示器被测重量图 2.1 系统框图 2.2.2 系统基本工作原理电子秤的原理是秤重物品经由装在机构上的电子称重传感器，将重力转换为电压或电流的模拟信号，电子秤经放大及滤波处理后由A/D 处理器转换为数字信号，数字信号由中央处理器(CPU)运算处理电子秤，而周边所需要的功能及各种接口电路也和CPU连接应用，最后由显示屏幕以数字方式显示。当商品放到秤盘上时，秤盘下的重量电阻应变式传感器产生一个电信号，信号的强弱随商品重量的大小而变。该电信号经放大电路放大后，送入转换芯片进行模数转换，转换后的数字量与物重成正比，再进入单片机，经过数据处理，单片机产生一组满足显示要求的数据，送至显示电路显示出实际重量。2.3 称重传感器 89
