完整版中南林业科技大学毕业论文正文结论参考文献等.docx

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１　引言

1.1　电子秤国内外发展现状

1.1.1　国内发展

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。

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。

电子称重技术基本达到国际上20世纪90年代中期的水平,少数产品的技术已处于国际领先水平。

国内的电子秤市场中,1009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。

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。

1.1.2　国外发展

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。

1）美国Revere公司研制出PUS型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HBM公司研制成功C2A、C16A两种不同结构的1-100t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EN50014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F6Ox系列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）德国塞特内尔公司研制出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3一30kg电子平台秤,准确度可达4000d。

1.2　电子秤发展趋势

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。

2　系统总设计与方案

2.1　设计任务

1）设计一个电子秤，用数字显示被测重量，小数点位置对应不同的量程显示；

2）最小分辨率为0.1Kg。

2.2　电子秤工作原理

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－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（AD）转换器进行转换，单片机对转换后的数字信号进行必要的判断、分析，再送到显示电路，同时，根据输出，自动判断出所加压力的大小来改变量程，实现自动换挡。

语音播报模块通过单片机对语音芯片地址的访问，实现语音播报的功能。

2.3　电子秤设计方案与论证

电子称设计过程中，按照设计的基本要求，系统一般由由单片机最小系统、数据采集、系统电源、语音播报几部分组成。

其中数据采集模块由称重传感器、前端信号放大器件、AD转换组成。

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。

在扩展功能上，采用ISD1420语音电路，通过单片机对其寻址访问实现语音播报功能。

为此设计以下两种方案。

2.3.1　方案一

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，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。

图2.3.1 方案一方框图

2.3.2　方案二

通过称重电桥产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入AD转换芯片进行数据转换，再将得到的数字信号送至单片机进行处理并送入数码管显示。

此方案的优点是可控制性好，电路简单，原理思路清晰，数码管设计方便，编程简单,数码管具有高亮度，使最终所测得的数据更可靠、参考性更强，经济耐用。

其中自动换挡部分采用软件实现。

图2.3.2方案二方框图

2.3.3　方案三

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SpartanⅡ系列XC2S100E芯片上，体积大大减小、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。

结构简图如下图所示：

图2.3.3方案三方框图

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，采用了第二种设计方案。

3　系统硬件选取方案

3.1　单片机的选取

单片机的选择在整个系统设计中至关重要，要满足大内存、高速率、通用性、价格便宜等要求，本课题选择AT89S52作为主控芯片。

3.2　电源选取

集成三端稳压芯片LM7805具有比较高的精确度，加上电容的滤波，对电路可以提供比较稳定的电压，为此选取LM7805作为电源。

3.3　传感器的选取

在本设计中，传感器是一个十分重要的元件，因此对传感器的选择也显的特别的重要，不仅要注意其量程和参数，还要考虑到与其相配置的各种电路的设计的难易程度和设计性价比等等。

所谓传感器就是能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

通常传感器由敏感元件和转换元件组成。

其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。

通过以上系统总体方案设计，确立了以下两种传感器方案：

3.3.1　方案一　压电传感器

压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。

其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。

压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。

目前多用于加速度和动态力或压力的测量。

压电器件的弱点：

高内阻、小功率。

功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。

3.3.2　方案二　电阻应变式传感器

应变片式传感器有如下特点：

1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器；

2）分辨力和灵敏度高，精度较高；

3）结构轻小，对试件影响小，对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好；

4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量；

通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第二种方案。

3.4　运算放大器的选取

称重传感器输出的信号一般电平较低，经由电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行AD转换。

为此，测量电路中常设有模拟放大环节。

这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。

放大器的输入信号一般是由传感器输出的。

传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。

为此确立以下两种放大器方案：

3.4.1　方案一　利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器

普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。

由于信号转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。

所以，此种方案不宜采用。

3.4.2　方案二由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器

差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放（如OP07）做成一个差动放大器，如下图所示：

图3.4.2利用普通运放构成的放大器

优点：

输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，滑动变阻器R6可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。

输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用要求。

缺点：

此电路要求R3、R4相等，误差将会影响输出精度，难度较大。

实际测量，每一级运放都会引入较大噪声，对精度影响较大。

3.4.3　方案三采用专用仪表放大器

此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。

以 INA126为例,接口如下图所示：

图3.4.3INA126仪表放大结构图

放大器增益 ，通过改变RG的大小来改变放大器的增益。

INA126具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点。

其最大输入偏置电流为20nA，这一参数反映了它的高输入阻抗。

INA126在外接电阻RG时，可实现1~1000范围内的任意增益；工作电源范围为±2.3~±18V；最大电源电流为1.3mA；最大输入失调电压为125V；频带宽度为120kHz（在G=100时）。

基于以上分析，决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器INA126。

3.5模数转换（AD）芯片的选取

AD转换器选用的原则：

1、AD转换器的位数。

AD转换器决定分辨率的高低。

在系统中，AD转换器的分辨率应比系统允许引用误差高一倍以上。

2、AD转换器的转换速率。

不同类型的AD转换器的转换速率大不相同。

积分型的转换速率低，转换时间从几豪秒到几十毫秒，只能构成低速AD转换器，一般用于压力、温度及流量等缓慢变化的参数测试。

逐次逼近型属于中速AD转换器，转换时间为纳秒级，用于个通道过程控制和声频数字转换系统。

3、是否加采样保持器。

4、AD转换器的有关量程引脚。

有的AD转换器提供两个输入引脚，不同量程范围内的模拟量可从不同引脚输入。

5、AD转换器的启动转换和转换结束。

一般AD转换器可由外部控制信号启动转换，这一启动信号可由CPU提供。

转换结束后AD转换器内部转换结束信号触发器置位，并输出转换结束标志电平。

通知微处理器读取转换结果。

6、AD转换器的晶闸管现象。

其现象是在正常使用时，AD转换器芯片电流骤增，时间一长就会烧坏芯片。

3.5.1　方案一　ADC0832

ADC0832为8位分辨率AD转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。

其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。

芯片转换时间为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。

其设计多使用AD为ADC0832逐次比较型AD，逐次比较型的具体原理图如下：

图4.5.1　逐次比较型AD原理图

3.5.2　方案二　HX711

HX711是一款专为高精度电子秤而设计的24位AD转换器芯片。

与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。

降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。

该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。

通过以上的比较分析，最终选择了第二种方案。

3.6　显示器的选取

3.6.1　方案一　LCD液晶显示