数字电子秤的设计.docx

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数字电子秤的设计

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尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，已在毕业论文（设计）中作了明确的说明并表示了谢意。

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第一章绪论

本课程设计的电子秤以单片机为主要部件，利用全桥测量原理，通过对电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量纲（V）改为重量纲（g）即成为一台原始电子秤。

其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。

电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。

而三运放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。

ADC0809A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。

1.1引言

在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是我们就用到称，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、磅秤等称量工具渐渐淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、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；其技术性能趋向是效率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称量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。

1.1.1选题背景和意义

称重自古以来就是被人们所重视，作为一种计量手段，应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密联系。

电子秤是电子衡器的一种，衡器是国家法定计量工具，是好、国计民生、个国防建设、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、改善经营管理等诸多方面的作用。

称重装置的应用以普及到国民经济各个领域，取得了显著的经济效益。

电子秤的称重技术中的一种新型仪表，广泛应用于各种场合。

电子秤与机械城比较有体积小、重量轻、结构简单、价格低、实用价值强、维护方便等特点，可在各种工作环境，重量信号可远传，易于实现重量显示数字化，易于计算机联网，实现生产过程自动化，提高生产效率。

因此，承重技术的研究和衡器工业的发展各国都很重视。

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，随着时代科技的迅猛发展，微电子和计算机等现代电子技术的成就给传统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多年的不段完善，衡器技术也在不断的进步和提高。

从世界水平看，衡器技术已经经历了四个阶段，从传统的全部机械元器件组成的机械称到电子线路代替部分机械元器件的机电结合称，再从集成电路式到目前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到动态的发展；计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单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加先进的智能仪器所替代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度和自动化水平定向方面发生了巨大的变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统,使得科学实验和应用工程飞自动化程度等到了显著提高。

1.1.2电子秤发展及结果

电子衡器一般是指装有电子装置的衡器。

因其种类繁多，且涉及到贸易结算和保护广大消费者的利益，所以为世界各国政府普遍关注和重视，并被确定为国家强制管理的法制计量器具。

电子衡器是自动化称重控制和贸易计量的重要手段，对加强企业管理、严格生产、贸易结算、交通运输、港口计量和科学研究都起到了重要作用。

电子衡器具有反应速度快，测量范围广、应用面广、结构简单、使用操作方便、信号远传、便于计算机控制等特点。

被广泛应用于煤炭、石油、化工、电力、轻工、冶金、矿山、交通运输、港口、建筑、机械制造和国防等各个领域。

一、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等。

二、发展趋势

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．小型化

体积小、高度低、重量轻，即小、薄、轻。

近几年

新研制的电子平台秤结构充分体现了小薄轻的发展方向。

对于低容量的电子平台秤和电子轮轴秤，可采用将薄型或超薄型的圆形称重传感器，直接嵌入钢板或铝板底面与称重传感器外径相同的盲孔内，形成低外形的秤体结构，称重传感器的数量和位置由秤的额定载荷和力学要求计算决定。

钢板或铝板就是秤体的台面，称重传感器既是传感元件，又是承力支点，极大地减化了秤体结构，减少了活动连接环节，不但降低了成本，而且提高了稳定性和可靠性。

对中等或较大容量的电子平台秤、电子地上衡，已经出现了采用方形或长方形闭合截面的薄壁型钢，并联排队列焊接成一个整体的竹排式结构的秤体，4个称重传感器分别安装在最外边两根薄壁型钢两端的切口内，安装在称重传感器承力点上的固定支承就是秤体的承力支点，既减化了承力传力机构，又节省了秤体高度，这是一种很有发展前途的秤体结构。

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.模块化

对于大型或超大型的承载器结构，如大型静动态电子汽车衡等，已开始采用几种长度的标准结构的模块，经过分体组合，而产生新的品种和规格。

以（5、6、7）m长的同宽度3种标准模块为例，由单块、二块、三块到四块分体组合，可以组合成长度为（5～28）m的22种规格的分体式秤体结构。

当然在实际应用中，根据各行业用户的需要，选择其中10余种常用的标准规格即可。

这种模块化的分体式秤体结构，不仅提高了产品的通用性、互换性和可靠性，而且也大大地提高了生产效率和产品质量。

同时还降低了成本，增强了企业的市场竞争能力。

3.集成化

对于某些品种和结构的电子衡器，例如小型电子平台秤、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。

如秤体与称重传感器一体化的便携式静

动态电子轮轴秤，多用硬铝合金厚板制成。

其结构原理是经过固溶热处理强化的铝合金板，或通过在4个角上钻孔和铣槽分别形成4个悬臂梁型称重传感器；或在铝合金板的底面铣出多个对称的盲孔和盲槽形成整体剪切梁型称重传感器。

这就使得秤体与称重传感器合二为一，即铝合金板既是秤体台面又是一个大板式称重传感器。

以后者结构的10t便携式动态电子轮轴秤为例，其尺寸为720mm×550mm×32mm，重量约为23kg。

4.智能化

电子衡器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。

使电子衡器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衡器与采用智能化称重显示控制器的电子衡器的根本区别。

5.综合性

电子称重技术的发展规律就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，如果按照传统的理论和方法建造一套标准大流量测量系统，价格相当昂贵。

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。

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，把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统。

6.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性，即测量范围等可以任意设定；硬件能够依据一定的工作条件和环境作某些调整，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言和条形码，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。

1.1.3本论文的研究内容及结构安排

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。

输出电压信号通过很小，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过V/F转化成电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控译码显示器，从而显示出被测物体的重量。

按照设计的基本需要分为三大模块，数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。

其中数据采集模块于压力传感器、信号的前级处理和V/F转换部分组成。

转化后的数字信号送给控制器处理。

于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。

最后，对本次研究课题的主要工作及结果得出了总结与讨论，并指出两人本次研究工作中存在的不足和发现的一些问题。

1.1.4本设计的任务和主要内容

设计的主要内容如下：

1）运用电阻应变式传感器并采用全桥测量电路

2）设计一款电子秤，用LED液晶显示器显示被称物体的质量

3）电路由全桥测量电桥，三运放大电路，A/D转换电路，LED显示电路

4）写出详细的实验报告

1.1.5基本工作原理及原理框图

基本工作原理框图如下：

图1.2-1基本工作原理框图

电路方框图如下：

图1.2-2电路方框图

第二章硬件的设计

2.1传感器的选择

2.1.1电阻应变式传感器的组成以及原理

电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。

由电阻应变片和测量线路两部分组成。

常用的电阻应变片有两种：

电阻丝应变片和半导体应变片，本设计中采用的是电阻丝应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。

电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，所以测量时我们一定要注意，其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：

A.电阻丝温度系数引起的。

B.电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。

对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。

非线性误差是传感器特性中最重要的一点。

产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。

 滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。

由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。

图1.2-3应变式传感器安装示意图

全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：

R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压Uout＝KEε。

其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。

2.1.2电阻应变式传感器的测量电路

常规的电阻应变片K值很小，约为2，机械应变度约为0.000001—0.001，所以，电阻应变片的电阻变化范围为0.0005—0.1欧姆。

所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。

桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，另一个对角线为输出电压Uo。

其特点是：

当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。

测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节，我们在制作的过程中应尽量选择好元件，调整好测量的范围的精确度，以避免减小测量数据的误差。

Rw1

图1.2-4全桥测量电桥图

图1.2-5三运放大电路结构图

它由电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右，测量电桥的电源由稳压电源Uin供给。

将差动放大器调零，合上电源开关，调节电桥平衡电位RW1，使数显表显示0.00V。

将10只标准砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器RW3（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V（2V档测量）或－0.200V。

拿去托盘上的所有砝码，调节电位器RW4（零位调节）使数显表显示为0.0000V。

重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，就可以称重。

成为一台原始的电子秤。

2.1.3三运放大电路

本次课程设计中，需要一个放大电路，我们将采用三运放大电路，主要的元件就是三运放大器。

在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。

图1.2-6三运放大电路结构图

2.1.4ADC0809A/D转换器

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

2.1.5ADC0809的内部逻辑结构：

由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

2.1.6引脚结构：

IN0－IN7：

8条模拟量输入通道

ADC0809对输入模拟量要求：

信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

地址输入和控制线：

4条

ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。

当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。

A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。

通道选择表如下表所示。

C

B

A

选择的通道

0

0

0

IN0

0

0

1

IN1

0

1

0

IN2

0

1

1

IN3

1

0

0

IN4

1

0

1

IN5

1

1

0

IN6

1

1

1

IN7

数字量输出及控制线：

11条

ST为转换启动信号：

当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。

EOC为转换结束信号。

当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。

OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。

OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。

D7－D0为数字量输出线。

CLK为时钟输入信号线：

因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，

VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。

2.1.6ADC0809应用说明：

1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与8031直接相连。

2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。

3）送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。

4）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。

5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。

6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。

2.1.7LED显示电路设计

2.1.8LED显示器结构与原理

（一）LED显示器结构

与反射罩的七个反射腔互相对位的印刷电路板上，每个反射腔底部的中心位置就是LED芯片。

在装反射罩前，用压焊方法在芯片和印刷电路上相应金属条之间连好φ30μm的硅铝丝或金属引线，在反射罩基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片按图12排列而成的。

可实现0～9的显示。

其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等　　

（1）反射罩式数码管一般用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳，将单个LED贴在内滴入环氧树脂，再把带有芯片的印刷电路板与反射罩对位粘合，然后固化。

　　反射罩式数码管的封装方式有空封和实封两种。

实封方式采用散射剂和染料的环氧树脂，较多地用于一位或双位器件。

空封方式是在上方盖上滤波片和匀光膜，为提高器件的可靠性，必须在芯片和底板上涂以透明绝缘胶，这还可以提高光效率。

这种方式一般用于四位以上的数字显示（或符号显示）。

（2）条形七段式数码管属于混合封装形式。

它是把做好管芯的磷化镓或磷化镓圆片，划成内含一只或数只LED发光条，然后把同样的七条粘在日字形“可伐”框上，用压焊工艺连好内引线，再用环氧树脂包封起来。

（3）单片集成式多位数字显示器是在发光材料基片上（大圆片），利用集成电路工艺制作出大量七段数字显示图形，通过划片把合格芯片选出，对位贴在印刷电路板上，用压焊工艺引出引线，再在上面盖上“鱼眼透镜”外壳。

它们适用于小型数字仪表中。

（4）符号管、米字管的制作方式与数码管类似。

（5）矩阵管也可采用类似于单片集成式多位数字显示器工艺方法制作。

（二）LED显示器分类

（1）按字高分：

笔画显示器字高最小有1mm（单片集成式多位数码管字高一般在2～3mm）。

其他类型笔画显示器最高可达12.7mm（0.5英寸）甚至达数百mm。

（2）按颜色分有红、橙、黄、绿等数种。

　　（3）按结构分，有反射罩式、单条七段式及单片集成式。

　　（4）从各发光段电极连接方式分有共阳极和共阴极两种。

（三）LED显示器的参数

　　由于LED显示器是以LED为基础的，所以它的光、电特性及极限参数意义大部分与发光二极管的相同。

但由于LED显示器内含多个发光二极管，所以需有如下特殊参数：

　　1．发光强度比　　由于数码管各段在同样的驱动电压时，各段正向电流不相同，所以各段发光强度不同。

所有段的发光强度值中最大值与最小值之比为发光强度比。

比值可以在1.5～2.3间，最大不能超过2.5。

　　2．脉冲正向电流　　若笔画显示器每段典型正向直流工作电流为IF，则在脉冲下，正向电流可以远大于IF。

脉冲占空比越小，脉冲正向电流可以越大。

单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器，简称LED。

液晶显示器，简称LCD；前者价廉，配置灵活，与单片机接口方便；后者可进行图形显示，但接口比较复杂，成本也较高。

所以我们只讲解LED显示器的内部结构和工作原理。

在单片机中通常使用七段LED，一般来说，七段LED用七段发光二极管构成显示数据和符号的字型，另外还要用一段发光二极管来显示小数点，这种显示器有共阴，和共阳两种。

一位显示器由八个发光二极管组成。

当在某段发光二极管施加一定的正向电压时,该段所对应的笔划即被点亮；不加正向电压则暗。

为了保护各段LED不被损坏，需外加限流电阻。

不管是共阴极LED还是共阳极LED，他们的8段排列顺序都是一样的，这8段的名字分别为

A段

B段

C段

D段

E段

F段

G段

和DP段

2.1.9LED显示器与显示方式

在单片机应用系统中使用LED显示块构成N位LED显示器。

N位LED显示器有N根位选线和8*N根段选线。

根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。

段选线控制字符选择，位选线控制显示位的亮，暗。

LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。

我们使用的为动态显示LED动态显示方式。

在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由响应的I/O口线控制。

图2.4-1LED显示电路图

2.1.1.1总体工作电路原理图

第三章软件的设计

ADC0809通道IN0地址7FF8H

8155PA口地址7F01H

PB口地址7F02H

FLAGBIT7FH

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0013H

AJMPINT1

MAIN：

SETBIT1

SETBEA

SETBEX1

LCALLAD_SORT

LCALLBCD_SORT

LCALLDISLED

LCALLDELAY_LO

AJMPMAIN

AD_SORT:

MOVR0,#60H

SETRFLAG

MOVXDPTR,#7FF8H

MOVX@DPTR,A

WAIT:

JBFLAG,WAIT

RET

INT1:

MOVXA,@DPTR

MOV@R0,A

CLRFLAG

RET1

DLSLED:

MOVR3,#01H

MOVA,R3

LOOP:

MOVDPTR,#7F01H

MOVX@DPTR,A

INCDPTR

MOVA,@R0

ADDA,#0DH

MOVCA,@A+PC

DIR1:

MOVX@DPTR,A

LCALLTIM2

INC