1、 1 摘 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，对数据的采集和转换、计算问题
2、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 ：电子称；单片机 ；称重传感器 2 Abstract Intelligent electronic scale is the detection and conversion technology, computer technology, information processing, digital technology, an integrated modern technolog
3、y 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 weight. Intelli
4、gent 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 importantly,
5、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 use the MCU
6、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 structure of
7、 microprocessor controlled electronics that simple, low cost and very popular, this will be discussed in detail. Keywords: electronic scale; MCU; Load sensor 3 第一章 绪论 1.1 引言 在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是就用到秤，但是随着社会的进步、科学的发展，我们对其要求操作方便、易于识别。随着计量技术和电子技术的发展 ， 传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方
8、便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。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。 1.2 选题背景和意义 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
9、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。称重装置不仅是提供重量数 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国民经济各领域，取得了显著的经济效益。 电子秤是称重技术中的一种新型仪表，广泛应用于各种场合。电子秤与机械秤比较有体积小、重量轻、结构简单、价格低、实用价值强、维护方便等特点，可在各种环境工作，重量信
10、号可远传，易于实现 重量显示数字化，易于与计算机联网，实现生产过程自动化，提 高劳动生产率。例如标签秤在超市中的应用已经是耳闻目睹的了。一张小小的标签包含着：品名、价格、重量等，一一列表在这小小的电子标签上。标签机的使用大大加快了销售速度，也方便了顾客。顶尖条码标签称有着许多卓越的特点，以太网功能使管理更加方便 。 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4 现机电结合式电子衡器以来， 随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。经过 40
11、多年的不断改 进与完善，衡器技术也在不断进步和提高。从世界水平看，衡器技术已经经历了四个阶段，从传统的全部由机械元器件组成的机械称到用电子线路代替部分机械元器件的机电结合秤，再从集成电路式到目前的单片机系统设计的电子计价秤。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；测量特点从单参数测量向多参数测量发展。 常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能 、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪
12、器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。 1.3 国内外电子秤发展及成果 随着第二次世界大战后的经济繁荣，为了把称重技术引入到生产工艺过程中去，对称重技术提出了心动要求，希望称重过程自动化，为此电子技术渗入衡器制造业。在 1954 年使用了带新式打印机的倾斜式秤，其输出信号能控制商用结算器，并且用电磁铁机构与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。电子称的发展过程与其他事物一样，也经历了由简单到复杂、又粗糙到精密、由机械到机电结合
13、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，都离不开能输出信号的电子衡器。这是由于电子衡器不仅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。近年来电子称已愈来愈多地参与到数据的处理和控制过程中。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或缺的组成部分。随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子称的发展奠定了基础，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
14、称，并在 70 年代中期约对 75%的机械称进行了机电结合式改造。 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5 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，我国通过自行研究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、 计算机技术与一体化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、能在恶劣条件下工作、便于与计算机技术相结合而实现称重技术和过程控制的自动化特点，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
15、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。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称到大型的电子称重系统，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，其应用领域不断地扩大。根据近些年 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，电子称的发展动向为：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、可靠性高；其应用性趋向综合性、组合性。 1.4 研究现状 1.4.1 影响因素 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
16、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 (主要是 ADC 的分辨率 ) 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。 1.4.2 产品质量 目前市场上主流的电子秤根据使用功能的不同包括以下几个类型：电子天平、电子计数秤、电子计价秤、电子台秤、电子吊钩
17、秤、定量包装秤以及条形码电子秤等。面对种类如此繁多的电子秤，目前市场上存在许多不合格的电子秤产品。不合格问题主要表现在 以下三个方面： 1、温度试验项目不符合标准规定 ； 2、湿热试验项目达不到标准要求 ； 3、抗电脉冲串试验和抗静电放电试验项目不合格。 6 造成产品不合格的原因主要有以下几个方面： 1、 称重传感器的质量不达标，制约了电子秤产品整体质量的提高 ； 2、关键元器件未进行筛选和通电老化，造成电子计价秤质量失控 ； 3、部分产品设计上抗干扰能力不强 ； 4、产品检验把关不严。 面对目前市场上电子秤产品的总体质量不高的局面，除了加强对电子秤产品的日常监督管理之外，还要从根本上推动技术
18、的发展，促进电子秤产品质量的提高，更好地保 护消费者的合法权益。 1.4.3 发展方向 电子秤不仅要向高精度、高可靠方向发展 ， 而且更需向多种功能的方向发展。据悉 , 目前电子秤的附加功能主要有以下几种 ： 1、电子秤附加了 计算机信息补偿 处理 装置 ， 可以进行自诊断、自校正和多种补偿计算和处理 ； 2、 具有皮重、净重显示等特种功能。电子秤有些已具备了动 态 称量模式 , 即通过进行算术平均、积分处理和自动调零等方法 , 消除上述的误差 ； 3、 附加特殊的数据处理功能。目前的电子秤有附加多种计算和数据处理功能 , 以满足多种使用的要求。 今后 , 随着电子高科技的飞速发展 , 电子秤
19、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。 1.4.4 电子秤的智 能化 电子秤的称重功能是基于微电脑控制芯片处理器这一核心技术来实现的。由于目前在设计电子秤系统时大量地采用集成芯片，因此电子秤系统已经摆脱了以往的电子模式，正趋向智能化多元化方向发展。在此基础上可以实现系统功能的扩展，比如与上位机的通讯，在上位机上利用图形化界面的操作软件实现数据库管理等。 电子秤由于自身的精度高、功能强和使用方便，实际使用的电子秤有较高的性价比，在很多领域完全 可以取代那些机械式的称重工具。在具体开发电子秤的系统时应该根据用户的客观需要，再结合
20、系统硬件和软件，从而可以开发出一套实际使用价值极大的电子秤系统。目前，随着电子技术的飞速发 展，微处理器应用技术的日趋成熟，必将推进基于微处理器为核心的 电子秤系统功能的日趋完善，因此多元化智能电子秤具有广泛的应用前景和开发价值！ 7 第二章 系统方案设计 电子秤的应用系统是由硬件和软件所组成。硬件指单片机、扩展的存储器、扩展的输入输出设备等部分；软件是各种工作程序的总称。硬件和软件只有紧 密配合、协调一致，才能提高系统的性能价格比。从 一开始设计 硬件时，就应考虑相应软件的设计方法，而软件设计是根据硬件原理和系统的功能要求进行的。 2.1 系统原理及设计 思路 2.1.1 系统工作原理 电子
21、秤的 工作原理。首先是 通过压力传感器 采集到 被测物体的重量 并将其 转换成电压信号。输出电压信号通常很小，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 A/D 转换电路转换成数字量 被送入到主控电路的单片机中， 再经过 单片机控制 译码显示器 ，从而 显示出被测物体的重量。在实际应用中，为提高数据采集的精度并 尽量减少外界电气干扰，还需要在传感器与 A/D 芯片之间加上信号调整电路。 2.1.2 系统设计基本思路 按照设计的基本要求，系统可分为三大模块，数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。其中数据采集模块 由压力传感器 、 信号的前级处理和 A/D转换部分
22、组成 。 转换后的 数字信号送给控制器处理，由控制器完成 对 该数字量的处理 ， 驱动显示模块完成人机间的信息交换 。此部分对软件的设计要求比较高，系统的大部分功能都需要软件来控制。在扩展功能上，本设计增加了 一个 过载 、欠量程报警 提示。 2.2 系统总体设计方案比较与论证 在设计系 统时，针对各个模块实现的功能来设计电子秤的方案有以下几种： 方案一 ：数码管显示方案 结构简图如下 图所示 ： 图 2.1 数码管显示方案 数据采集 单片机 数码显示 8 此方案利用数码管显示物体重量，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机。由此设计出的电子秤系统，硬件部分简单，接口电路易于实现，并且
23、在编程时大大减少程序量，在电路结构上只有简单的输出输入关系。缺点是：硬件部分简单，虽然可以实现电子称基本的称重功能，但是不能实现外部数据的输入，无法根据实际情况灵活地设定各种控 制参数。由于数码管只能实现简单的数字和英文字符的显示，不能显示汉字以及其他的复杂字符，不能达到显示购物清单的要求。又因为采用了具有模数转换功能的单片机，系统电路过于简单，系统硬件的扩展必受到限制，电子秤的功能过于单一，达不到设计的标准。 方案二 ： 在前一种方案的基础上进行扩展，增加一键盘输入装置，增加外界对单片机内部的数据设定，使电子称实现称重计价的功能。 结构简图如下图所示： 图 2.2 带有键盘输入的结构简图 此
24、方案设计的电子秤，可以实现称 物计价功能，但是局限于数码管的功能，在显示时只能显示单价、购物总额以及简单的货物代码等。在显示重量时，如果数码管没有足够的位数，那么称量物体重量的精度必受到限制，所以此方案需要较多的数码管接入电路中。这样在处理输入输出接口时需要另行扩展足够多的I/O 接口供数码管使用，比较麻烦。 方案三 ： 前端信号处理时，选用放大、信号转换等措施，尤其在显示方面采用具有字符图文显示功能的 LCD 显示器。这种方案不仅加强了人机交换的能力，而且满足设计要求，可以显示购物清单、所称量的物体信息等相关内容。 结构简图如下图所示： 数据采集 单片机 数码 管 显示 键盘输入 9 图 2
25、.3 LCD 显示的方案 目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出被测物体的重量。单片机控制适合于功能比较简单的控制系统 ,而且其具有成本低 ,功耗低 ,体积小算术运算功能强 ,技术成熟等优点。但其缺点是外围电路比较复杂 ,编程复杂。使用这种方案会给系统设计带来一定的难度。 方案四 ： 采用现场可编程门阵列 (FPGA)为控制核心 采用现场可编程门阵列 (FPGA)为 控制核心，利用 EDA 软件编程，下载烧制实现。系统集成于一片 Xilinx 公司的 Spartan 系列 XC2S100E 芯片上，体积大
26、大减小、逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点，可实现大规模和超大规模的集成电路。 采用 FPGA 测频测量精度高，测量频率范围大，而且编程灵活、调试方便，设计要求的精度较高，所以要求系统的稳定性要好，抗干扰能力要强。 从下图中可以看到系统的基本工作流程和各单元电路所用到的核心器件。其中控制器采用 Xilinx 公司可编程器件 FPGA 为核心，基于 ISE 软件平台，采用VHDL 编程实现数据处 理、 LED 和 LCD 驱动、时钟芯片的 I2C 通讯、键盘控制等模块。 结构简图如下图所示： 图 2.4 电子称系统的组成结构图 压力传感器 LCD 显示 数码管 信号放大 信号转换 时钟芯片 报警电路 键盘电路 压力传感器 单片机 LCD 显示 键盘控制 信号放大 信号转换 FPGA 10 FPGA 的逻辑容量密度大，集成度高，可大大减少印刷电路板的空间，减低系统功耗，同时还可以提高设计的工艺性和产品的可靠性。 虽然以 FPGA 为核心的电子称系统很优化，但只有在大规模和超大规模集成电路中其高集成度才能更好得以体现。其主要在 PC 机接口卡的总线接口、程控交换机的信号处理与接口、雷达声纳系统的成像控制与数字处理、数控机 床的测试系统等方面有广泛应用。鉴于本电子称的设计并不太复杂，单片机完全能实现所需功能，所以在具体设计时，采用了第三种设计方案。
