1、毕业设计文献综述 电子信息工程 电子秤的设计 前言 电子秤（ Electronic scale）是采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，与其他事物一样，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 1。满足并解决我们现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动”称量的要求，同时有效地消除人为误差，使之符合法制计量管理，商业活动和工业生产过程控制的应用要求。 称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用与工农业、科研、交通、内外贸 易等的各个领域，与人们的生活紧密相连。电子秤是电子衡器的一种，衡器是国家法定的计量器具
2、，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。称重装置不仅仅是提供质量数据的单体仪表，而且作为工业控制领域和商业管理领域的一个重要组成部分，推进着工业生产的自动化以及管理的现代化，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。称重装置的应用已经遍及倒国民经济的各个领 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每个国家都非常重视。 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
3、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代的全电子型。如今电子衡器制造技术和应用得到了全新的发展。电子称重技术从静态称重到动态称重发展；计量方式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。 随着第二次世界大战后经济的复苏，为了把称重技术引入到生产工艺过程中去，对称重技术提出了新的要求，希望将 称重过程实现自动化，为此电子技术不断的渗入到衡器制造业中。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，并且用电磁机构与代替人工操做的按键与办公机器连用。在 1960 年开发了与衡器相连的专门称重值打印机。当时的带
4、电子装置的衡器其称量工作是机械式的，但与称重有关的显示、记录、远传式控制器等功能是电子方式的。 主题 电子秤的发展过程 2与其他事物一样，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 年来，工艺流程中的现场称重、配 料定量称重、以及产品质量的检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的信号，而且能作为总系统的一个单元来承担着控制和校验的功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动话和合理化。 近年来，电子秤已经越来越多的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制造、储运技术、预包装
5、技术、收货业务以及商业销售领域中不可或缺的一部分。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%的机械进行了机电结合时的电子化改造。 在我国，秤的使用已经有着两千多年的历史，最早的有杆秤、台秤、案秤等。我国的衡器行业是一个具有漫长发展历史的传统产业和重要的基础行业，多年以来都是以机械型衡器为主，到二十世纪八十年代开始扩大对电子衡器的使用和对大型自动衡器的研制，但其智能化程度与国外同类产品相比还有一定的差距。近年来伴随计算机在商业领域的渗透，单片机的应用也正在随
6、之不断地走向深入。于是，电子秤作为一种精确、智能、便捷、明了、可靠的称量仪器，在我们现代快节奏的生活中应运而生，并在商 业活动中得到越来越广泛的应用。所以我们需要研制出一种高精度的数字电子秤。 通过查阅相关文献，我了解到一个电子秤最重要的部分为称重传感器，还有就是处理器也就是我的设计中用到的单片机。 单片机也被称为微控制器 3（ Microcontroller），诞生于 20 世纪 70 年代末，最早被用在工业控制领域。经历了 SCM、 MCU、 SOC 三大阶段。 1. SCM 即单片微型计算机（ Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的
7、最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了 SCM 与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上， Intel 公司功不可没。 2. MCU 即微控制器（ Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展 MCU 的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看， Intel 逐渐淡出 MCU 的发展也有其客观因素。在发展 MCU 方面，最著名的厂家当数 Philips 公司。 Philips 公司以其在嵌 入式应
8、用方面的巨大优势，将 MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记 Intel 和 Philips 的历史功绩。 3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向 MCU 阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了 SOC 化趋势。随着微电子技术、 IC 设计、 EDA 工具的发展，基于 SOC 的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。 目前单片机渗透到我们生活的各个领 域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。单片机最早的设计理念 4
9、是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。 INTEL 的 Z80 是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。早期的单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在 8031 上发展出了 MCS51 系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开 始出现了 16 位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。 90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨
10、大提高。随着 INTEL i960 系列特别是后来的 ARM 系列的广泛应用， 32 位单片机迅速取代 16 位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的 8 位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起 80 年代提高了数百倍。目前，高端的 32 位单片机主频已经超过 300MHz，性能直追 90 年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至 1 美元，最高端的型号也只有 10 美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使 用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的 Windows和 Linux 操作
11、系统。 下面介绍下电子秤的基本功作原理 5为：当物体放置在秤体的秤台上时，其质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质量成一定函数关系的电信号（电压或者电流 。此信号经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，数字信号再送到微处理器的 CPU（单片机）进行处理， 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。运算的结果送到内存储器，需要显示时， CPU 发出指令，从内存储器中读出送到显示器，或送打印机打印。一般的信号的放大、滤波、 A/D 转换以及
12、信号的各类运算处理都在仪表中完成。 称重传感器 6是由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，是将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置，它是把支撑力变换成电或者其他形式的适合与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，可以分为直接位移传感器（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、电压或电阻等物理效应的传感器。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、电阴应变式等，其中以电阻应变式使用最广。 电阻应变式传感器 7利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作。主要由
13、弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆四部分组成。电阻应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电阻改变。测量电路测出应变片电阻的变化并变换为与外力大小成比例的电信号输出 。电信号经处理后以数字形式显示出被测物的质量。电阻应变式传感器的称量范围为 300 克至数千千克，计量准确度达 1/1000 1/10000，结构较简单，而且可靠性较好，所以大部分电子衡器均使用此传感器。 电阻应变式传感器（ straingauge type transducer）以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量
14、要求设计成多种结构形式。常用的电阻应变式传感器有应变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器、应变式位移传感器、应 变式加速度传感器和测温应变计等。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。电阻应变式传感器的优点是精度高，测量范围广，使用寿命长，内部结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化。但同时它也存在许多不足，对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，不过可以采取一定的补偿措施 8。 在文献施汉谦电子秤技术中说到一个理想电
15、子秤的精度及误差问题，我认为在 我们做毕业设计的时候由于条件等各方面的原因，不可能达到理想中的要求，所以应当尽量减小误差。精度的影响主要取决于传感器的选择，另外还有很多因素下面做详细介绍。我认为现实中设计一个电子秤要注意的误差影响因素有这样几方面：（ 1）重物的冲击对电子秤测量精度的影响。电子秤在使用的过程中会受到重物对称重盘的冲击，尽管在秤体结构和传感器的设计中采取了防撞限位措施，但剧烈的冲击可能将使传感器的限位措施受到损害，同时使当前的测量值远大于重物实际的重量。因此在使用的过程中，称重的物体应尽量轻放，尤其是硬、重物体更应该轻拿轻放， 以免对秤体产生冲击而影响其准确度。（ 2）附加物对电
16、子秤称量精度的影响。电子秤在使用的过程中，为了方便起见，附加秤盘是最普遍的现象，因此在设计的过程中选择称重传感器是，要考虑到附加秤盘的质量，详情会在正文中传感器的选择中具体解释。（ 3）振动和风力对电子秤称量精度的影响。振动和风力对小量程的电子秤精度影响比较大，例如一个最大量程为 200g 的电子秤，外界震动以及风力对测量结果的影响，会使最后结果产生较大的偏差。但相对大量程的电子秤，比如本设计最大量程 30kg，该因素的影响则可以基本忽略。（ 4）环境温度湿度对电子秤 称量精度的影响。在商业活动中使用的成品电子秤，为了使传感器能够适应温度的变化，增添了温度补偿功能，使传感器具备对输出零点的输出
17、灵敏系统的自动补偿功能，使之能自动根据环境温度的变化来补偿变量。但本设计在构思的时候根据自身情况并没有加入该功能，因此，要避免本系统在超高温或低温环境中工作，尽量避免外界环境温度对其测量精度的影响。具体的问题还要等在实际做实物的时候考虑，碰到困难再具体分析，逐个攻破。 总结 通过这些天对电子秤相关文献资料的查阅和收集，我经过总结，知道称重技术从最初的发展至今已经成为我们日常生活中至关 重要的一部分。当电子称重方法进入人们的视线时，我们的生活也在进行生着日新月异的变化。 随着时间的推移，集成电路和计算机技术在不断革新与完善，使电子仪器的整体水平发生巨大的变化，传统的仪器逐步被智能仪器所取代。智能
18、仪器的核心部件是单片机，它可以嵌入到任何对象体系中去，实现智能化控制。集成器件级的低价位，低到几元、十几元，足以使单片机普及到许多民用家电、电子玩具中去。单片机构成的现代电子系统已深入到各家各户，正改变我们的生活。电子称重以及电子秤的出现满足了我们生活中对称重“快速、准确、连续、自动”的要求，使我们 的生活更加便捷，成为现代化经济建设中不可或缺的重要组成部分。通过对电子秤相关资料的查阅与整理，我们深深的感到，电子秤必然代替机械秤。电子秤会随着我国的改革开放和企业的技术进步，不断地应用到国民经济的各个部门。随着称重传感器的开发，以及高精度高性能单片机为核心的尖端技术，电子秤领域会有一个大的发展，
19、缩短与其他发达国家的差距，满足我国经济建设的需要。通过完成这个电子秤的设计，使我对电子秤以及称重衡器这一领域有了更多的了解，争取把我的设计做到最好。 参考文献 1 施汉谦 .电子秤技术 J.中国计量出版社 .1991. 2 何小艇 .电子系统设计 第三版 M.浙江大学出版社 .2004. 3 楼然苗 .51 系列单片机设计实例 第二版 M.北京航空航天大学出版社 .2008. 4 王幸之 .AT89 系列单片机原理及接口技术 M.北京航天航空出版社 .2006. 5 马心凯 .基于 FPGA 的实用电子秤 J.低压电器 P15 23.2006. 6 王素珍 ,郑淑芬，周梅称重配料系统传感器电源
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