1、苏州大学本科生毕业设计（论文）- i -本科毕业论文（20 届）智能称重系统设计所在学院专业班级 电子信息工程学生姓名指导教师完成日期苏州大学本科生毕业设计（论文）- ii -智能称重系统目录 摘要 .1Abstract .2前言 .3第 1章 绪论 .4第 1.1 节 称重技术和衡器的发展 .4第 1.2 节 电子称的组成 .5第 1.3 节 国内外发展现状和发展趋势 .6第 1.4 节 课题研究的内容 .8第 2章 系统方案设计 .10第 2.1 节 系统方案比较与论证 .10第 2.2 节 系统的结构 .11第 3章 硬件设计 .12第 3.1 节 数据采集模块 .12第 3.2 节 S
2、TC89C51RC 单片机模块 .15第 3.3 节 数码管显示模块 .16第 3.4 节 系统整电路图 .19第 4章 软件设计 .20第 4.1 节 系统应用程序组成 .20第 4.2 节 主程序设计 .21第 5章 测试结果与数据分析 .25第 5.1 节 软硬件调试 .25第 5.2 节 测量数据 .25第 5.3 节 误差分析 .26结论 .27参考文献 .28致谢 .29附录 .30附录 1： HX711AD 电路图 .30系统整体电路图 .31附录 2：部分源程序 .31苏州大学本科生毕业设计（论文）第 1 页摘要电子称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
3、一体的现代新型称重仪器。它与我们日常生活紧密结合息息相关。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。本系统的设计主要从硬件电路设计，软件编程调试，实物焊接调试三部分进行详细阐述。硬件电路主要是基于单片机 STC89C51 为核心的控制单元实现数据的处理，采用压力传感器对数据进行采集，电子称专用 24 位 AD 转换芯片 HX711 对传感器采集到的模拟量进行 AD 转换，转换后的数据送到单片机进行处理显示，数据显示由数码管实现，数码管显示效果稳
4、定无闪烁。 关键词：电子称；压力传感器；STC89C51 单片机;苏州大学本科生毕业设计（论文）第 2 页AbstractIntelligent electronic scale is the detection and conversion technology,computer technology,information processing,digital technology,an integrated modern technology of new weighing equipment.Electronic scale takes SCM as its central contr
5、olling unit,and achieves AD transform through weighting transducer,then adds display circuit and powerful softerwear.It is not only accurate,swift and convenient,but also makes an important effect to peoples life by its automatic weightment and digital display,so it becomes more and more popular.The
6、 design of this system gives its elaboration from 3 parts:Hardwear circuit design,softwear programme debugging and entity weld debugging.Hardwear circuit reaches data processing by the controlling unit which based on STC89C51,and gathers data by weighting transducer,then makes AD transform by HX711
7、to the data gathered,and transformed data then transferred to STC for display processing,at last digitron would show it out steadily without twinkling. Key words: electronic scale; load sensor; STC89C51;苏州大学本科生毕业设计（论文）第 3 页前言在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是出现了秤。随着社会科技发展，传统的纯机械结构（如杆秤、磅秤等）秤量装置逐步被淘汰，而电子秤以其准确、快速、方
8、便、显示直观等诸多优点深受人们青睐。电子秤精度高并降低成本，其发展趋势是小型化、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。 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
9、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！苏州大学本科生毕业设计（论文）第 4 页第 1 章 绪论第 1.1 节 称重技术和衡器的发展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
10、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，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。 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
11、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其础，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。 称重装置不仪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围民经济各领域，取得了显著的经济效
12、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。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，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。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
13、；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。电苏州大学本科生毕业设计（论文）第 5 页子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是围计民生、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。第 1.2 节 电子称的组成1.2.1. 电子称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
14、、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、卢表面谐振式）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
15、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（包括放人器、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，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。 1.2.2. 电子称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，传感器随之产生力一电效应，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(
16、 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苏州大学本科生毕业设计（论文）第 6 页显示器显示，或送打印机打印。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。1.2.3. 电子称的计量性能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
17、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=nd。 (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 T、II、III、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 1 所示：标志及等级 电子称分类 分度数范围特种准确度 基准衡器 n100000高准确度 精密衡器 10000n100000中准确度 商业衡器 1000n10000普通准确度 粗衡器 100n1000表一不同准确度
18、的电子称和分度数第 1.3 节 国内外发展现状和发展趋势1.3.1. 国内外发展现状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在的全电子型和数字智能型。我国电子衡器的技术装备和检测试验手段基本达到国际 90 年代中期的水平。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，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。但就总体而言，我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较
19、大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差。 国内电子称重技术基本达到国际上 20 世纪 90 年代中期的水平，少数产品的技术已苏州大学本科生毕业设计（论文）第 7 页处于国际领先水平圆。国内的电子秤市场中，100g 左右量程的电子秤精度一般为 0.019即 10mg。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。 在国际上，一些发达国家在电子称重力一面已经达到了较高的水平。特别是在准确度和可靠性等方面有了很大的提高。在称重
20、传感器方面，国外电子秤产品的品种和结构又有创新，技术功能和应用范围不断扩大，成果举例如下：(1)美国 Revere 公司研制出PUS 犁具有大气压力补偿功能的拉压两用的称重传感器，用于高准确度检验平台，称重平台，准确度可达 5000d。(2)德国 I-IBM 公司研制成功 C2A、C16A 两种不同 结构的 l-100t 具有耐压外壳保护的防爆称重传感器，其防爆性能符合欧洲 EN5001 和 EN50018d 级标准。(3)美国斯凯梅公司研制出新一代高准确度不锈钢 F60x 系 5-5000kg 称重传感器，准确度 6000d。用于湿度大，腐蚀性强的环境中，而且防水。4)德困塞特内尔公司研制出
21、以被青铜为弹性体材料，快速称重用 200 型称重传感器。其特点是线性好，固有频率高，动态响应快。独创油阻尼装置与过载保护装置一体化，保证称量时速度快，工作寿命长。组装 330kg 电子平台秤，准确度可达 4000d。1.3.2. 发展趋势台式电子计价秤具在商业贸易中的使相当普遍，但应用场所受到制约。电子秤产品的应用性能趋向上更综合性和组合性。 (1)小型化 新研制的电子平台秤结构充分体现了体积小、高度低、重量轻(即小、薄、轻 1 的发展方向。对于低容晕的电子平台秤和电子轮轴秤，可采用薄型或超薄型的圆形称重传感器，这样不但降低了成本，而且提高了稳定性和可靠性嗍。对中等或较大容量的电子平台秤、电子
22、地上衡，已经出现了采用方形或长方形闭合截面的薄肇犁钢焊接成秤体，这是一种很有发展一前途的秤体结构。对于大型电子平台秤，可利用有限单元法进行等强度和刚度计算，采用抗弯刚度大的型材和轻型波纹夹心钢板等。 (2)集成化 小型电子平台秤、专用秤、便携式静动态电子轮轴秤、静动态电子轨道衡等，都可以实现秤体与称重传感器，钢轨与称重传感器，轨道衡秤体与铁路线路一体化。 (3)智能化 电子秤的称重显示控制器与电子计算机组合，利用电子计算机的智能来增加称重显示控制器的功能。使电子秤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，这就是当今市场上采用微机化称重显示控制器的电子秤与采用智能化称重显
23、示控制器的电子秤的根本区别。 (4)综合性 苏州大学本科生毕业设计（论文）第 8 页电子称重技术的发展规律是不断的加强基础研究并扩大应用，扩展新技术领域，向相邻学科和行业渗透，综合各种技术去解决称重计量、自动控制、信息处理等问题。例如在流量计量专业，如果采用称重法即质量流量法，只要将重量和时间测量准确，大流量的测量问题就迎刃而解了。现代商业系统还要求商用电子计价秤能提供各种销售信息，把称重与管理自动化紧密结合，实现管理自动化。这就要求电子计价秤能与电子计一算机联网，把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统。 (5)组合性 在工业称重计量过程或工艺流程中，不少称重计量系统还要求具有可组合
24、性，即测量范围等可以任意设定；硬件功能向软件方向发展：软件能按一定的程序进行修改和扩展：输入输出数据与指令可以使用不同的语一言和条形码，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。我围衡器行业使用面最广、产销量最大的计量产品是非自动衡器。国际法制计量组织 76 号国际建议 OvILR76 一非自动衡器(它是目前国际上唯一的非自动衡器通用国际标准)中，明确规定非自动衡器按大类分为非自动天平与非自动秤。目前我国产品标准中列入的十大类衡器已实现了电子化。 (6)综合性 电子称重技术的发展规律是不断的加强基础研究并扩大应用，扩展新技术领域，向相邻学科和行业渗透，综合各种技术去解决称重计量、自动控制、信息处
25、理等问题。例如在流量计量专业，如果采用称重法即质量流量法，只要将重量和时间测量准确，大流量的测量问题就迎刃而解了。现代商业系统还要求商用电子计价秤能提供各种销售信息，把称重与管理自动化紧密结合，实现管理自动化。这就要求电子计价秤能与电子计一算机联网，把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统。 我国的电子称衡器要打入国际市场。参与国际竞争。就必须执行国际法制计量组织制定的国际建议并要有国际水平的技术与装备、有国际水平的质量。这就要求企业以技术为先导、以质量为中心、以管理为基础，努力提高制造技术与制造工艺水平，稳定产品质量。增强国际市场竞争能力。第 1.4 节 课题研究的内容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 V/F 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。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 V/F 转换部分组成。转换后的数字信号送给控制器处理，由控制器完成对该
