智能电子称设计毕业论文.docx
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智能电子称设计毕业论文
郑州轻院轻工职业学院
专科毕业设计（论文）
题目：
电子称的设计
学生姓名：
水若冰
专业班级：
电子工艺与管理1班
学号：
10111041
系别：
机电工程系
指导老师（职称）：
刘金桂（讲师）
完成时间：
2013年3月9号
智能电子秤设计
摘要
本设计系统以单片机AT89S52为控制核心，实现电子秤的基本控制功能。
在设计系统时，为了更好地采用模块化设计法，分步设计了各个单元功能模块。
系统的硬件部分包括最小系统部分、数据采集部分、人机交互界面和系统电源四大部分。
最小系统部分主要包括AT89S52和扩展的外部数据存储器；数据采集部分由称重传感器，信号的前期处理和A/D转换部分组成，包括运算放大器AD620和A/D转换器ICL7135；人机界面部分为键盘输入，四位LED数码显示器，可以直观的显示重量的具体数字以及方便的输入数据，使用方便；系统电源以LM317和LM337为核心设计电路以提供系统正常工作电源。
系统的软件部分应用单片机C语言进行编程，实现了该设计的全部控制功能。
该电子秤可以实现基本的称重功能（称重范围为0～9.999Kg，重量误差不大于±0.005Kg）,并发挥部分的显示购物清单的功能，可以设置日期和设定十种商品的单价，还具有超量程和欠量程的报警功能。
本系统设计结构简单，使用方便，功能齐全，精度高，具有一定的开发价值。
关键词单片机 数据采集 A/D转换器 人机界面
INTELLIGENT
ELECTRONIC
DESING
ABSTRACT
ThedesignofthesystemwiththemonolithicintegratedcircuitAT89S52asthecoretorealizethebasicelectroniccontrolfunctions.Inthedesignofthesystem,inordertobetterthemodularizeddesignmethod,theunitstepfunctionmoduledesign.
Thesystemincludeshardware,dataacquisitionsystemminimum,man-machineinterfaceandthesystemofpower.TheminimumsystempartsincludingAT89S52andtheexpansionofexternaldatastorage,Datacollectedbyweighingtransducer,signalprocessingandtheA/Dconversionparts,includingtheamplifierAD620andA/DconverterICL7135,Fortheman-machineinterfacepartialkeyboardinput,fourLEDdigitaldisplay,canshowthespecificweightandfigureofinputdata,useconvenient,InLM317LM337andpowersystemasthecorecircuitdesigntoprovidenormalworkofthesystem.
TheapplicationofSCMsystemsoftwarepartClanguageprogram,thedesignofallcontrolfunction.Itcanrealizethebasicelectronicweighingfunction（weighingtherangeof0-9.999Kg,weighterrorisnotmorethan±0.005Kg）,andplayapartoftheshowshoppinglistoffunction,cansetthedateandsetthepriceofgoods,andtenhassuperrangeandlessrangealarmfunction.
Thesystemdesignissimpleinstructure,easytouse,completefunction,highprecision,hascertainvalue.
Keywords：
microcontroller,datacollection,A/Dconverter,human-machineinterface
2.1.1电子秤的基本结构
第一章 绪论
1.1 电子秤概述
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。
因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。
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。
电子秤属于电子衡器的一种，它的发展也遵循这一趋势。
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。
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距离、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。
做为重量测量仪器，智能电子秤在各行各业开始显现其测量准确，测量速度快，易于实时测量和监控的巨大优点，并开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量称，成为测量领域的主流产品。
接下来让大家了解更多有关于智能电子秤的相关知识。
1.2 选题背景与意义
随着第二次世界大战后的经济繁荣，为了把称重技术引入生产工艺过程中去，对称重技术提出了新的要求，希望称重过程自动化，为此电子技术不断渗入衡器制造业。
在1960年开发出了与衡器相联的专门称重值打印机。
当时的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。
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。
随着生活水平的提高，商品的种类和样式越来越来多，我们出门买东西无论是在超市还是在市场都经常会用到电子称，电子称在我们的日常生活中已经成为必不可少的工具，因此，有针对性地开发出一套有实用价值的电子秤系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善电子秤系统在应用中的不足之处，具有现实意义。
1.3 电子衡器的发展动态
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秤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，其应用领域在不断地扩大。
根据近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，电子衡器总的发展动向为：
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、稳定性高、可靠性高；其应用性趋向于综合性、组合性。
小型化：
体积小、高度低、重量轻，即小薄轻。
为使电子衡器的承载器达到小、薄、轻，开始采用重量轻且刚度大的空心波纹铜板和方形闭合截面的薄壁型材。
模块化：
电子衡器的承载器采用模块式一体组合或分体组合，产生新的品种和规格。
这种模块化组合不但提高了产品的通用性和可靠性，而且也大大提高了生产效率，降低了成本。
智能化：
与电子计算机组合或开发称重用计算机，利用计算机的智能来增加称重显示控制的功能，使其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。
集成化：
对于某些品种和结构的电子衡器，可以实现承载器与称重传感器一体化或承载器、称重传感器与称重显示控制器一体化。
综合性：
电子称重技术和电子衡器产品的应用范围不断扩大，它已渗透到一些学科和工业自动控制领域。
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。
组合性：
在工业生产过程或工艺流程中，不少称重系统还应具有可组合性，即：
测量范围可以任意设定；硬件能够依据不定的程序进行修改和扩展；输入输出数据与指令可使用不同的语言，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。
1.4 本文结构
全文共分为六章，各章的主要内容如下：
第一章简单介绍了电子秤及其概念、特点与相关背景等。
第二章电子秤原理的阐述以及描述了系统方案的设计思路与流程。
第三章对系统硬件设计进行了描述，给出了单片机的的控制方案。
第四章讲述了系统软件流程。
第五章本次设计的总结及感想。
第六章本文相关的参考文献。
第二章 系统方案设计
2.1 电子秤的组成结构
2.1.1 电子秤的基本结构
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、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、声表面谐振式）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（包括放大器、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。
2.1.2 电子秤的工作原理
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－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（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。
2.2 电子秤设计的要求及基本思路
2.2.1 电子秤设计的要求
1）称重范围：
不超过9.999Kg
2）测量精度：
≤0.005Kg
3）显示方式：
LCD显示所称量的物品重量，同时还可显示物品的名称，数量，单价，金额和所有物品的总金额。
4）使用操作：
键盘输入数据，操作简单方便。
5）特殊功能：
具有去皮功能以及能将金额累加计算；当物品重量超过电子秤量程，即过载情况或者是物品重量小于A/D转换器所能转换的最小精度，即欠量程的时候，具有超重报警功能。
2.2.2 电子秤设计的基本思路
将电子秤大致能划分为三大部分，数据采集模块、控制器模块和人机交互界面模块。
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。
此外添加了一个过载、欠量报警提示的特殊功能。
如图2-1（上图为本系统的设计图）
2.3 单片机的选型
AT89S52单片机是AT89S系列中的增强型高档机产品，它片内存储器容量是AT89S51的一倍，即片内8KB的Flash程序存储器和256B的RAM。
另外，它还增加了一个功能极强的、具有独特应用的16位定时／计数器2等多种功能。
在工程应用中AT89S52有一显著的优势：
不需要烧写器，只借助PC机的并口输出和极为简单的下载电路，便可将程序通过串行方式写入单片机。
并且下载电路可设计在系统中，可以随时修改单片机的软件而不对硬件做任何改动。
由此，通过对目前主流型号的比较，我们最终选择了AT89S52通用的普通单片机来实现系统设计。
AT89S52是一种兼容MCS51微控制器，工作电压4.0V到5.5V，全静态时钟0Hz到33MHz，三级程序加密，32个可编程I/O口，2/3个16位定时/计数器，6/8个中断源，全双工串行通讯口，低功耗支持Idle和Power-down模式，Powerdown模式支持中断唤醒,看门狗定时器，双数据指针，上电复位标志。
另外在外扩展了32K数据存储器，以满足系统要求。
2.4 数据采集模块
2.4.1 传感器
传感器下的定义是：
“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常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，转换元件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。
此外传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
称重传感器在电子秤中占有十分重要的位置，被喻为电子秤的心脏部件，它的性能好坏很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。
通常称重传感器产生的误差约占电子秤整机误差的50%~70%。
若在环境恶劣的条件下（如高低温、湿热），传感器所占的误差比例就更大，因此，在人们设计电子秤时，正确地选用称重传感器非常重要。
称重传感器的种类很多，根据工作原理来分常用的有以下几种：
电阻应变式、电容式、压磁式、压电式、谐振式等。
（本设计采用的是电阻应变式）
电阻应变式称重传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件：
利用它将被测的重量转换为弹性体的应变值；另一个是电阻应变计：
它作为传感元件将弹性体的应变，同步地转换为电阻值的变化。
电阻应变片所感受的机械应变量一般为10-6~10-2，随之而产生的电阻变化率也大约在10-6~10-2数量级之间。
这样小的电阻变化用一般测量电阻的仪表很难测出，必须采用一定形式的测量电路将微小的电阻变化率转变成电压或电流的变化，才能用二次仪表显示出来。
在电阻应变式称重传感器中通过桥式电路将电阻的变化转换为电压变化。
电阻应变式称重传感器工作原理框图如图2-1所示：
载荷P应变
电阻变化
R输出电压
如图2-2电阻应变式称重传感器工作原理框图
当传感器不受载荷时，弹性敏感元件不产生应变，粘贴在其上的应变片不发生变形，阻值不变，电桥平衡，输出电压为零；当传感器受力时，即弹性敏感元件受载荷P时，应变片就会发生变形，阻值发生变化，电桥失去平衡，有输出电压。
如图2-3桥式测量电路
R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻，组成了桥式测量电路，Rm为温度补偿电阻，e为激励电压，V为输出电压。
若不考虑Rm，在应变片电阻变化以前，电桥的输出电压为：
V=
（2-1）
由于桥臂的起始电阻全等，即R1=R2=R3=R4=R，所以V=0。
当应变片的电阻R1、R2、R3、R4变成R+△R1、R+△R2、R+△R3、R+△R4时，电桥的输出电压变为：
V=
（2-2）
通过化简，上式则变为：
V=
（2-3）
也就是说，电桥输出电压的变化与各臂电阻变化率的代数和成正比。
如果四个桥臂应变片的灵敏系数相同，且
=Kε，则上式又可写成：
V=
ε1-ε2+ε3-ε4）（2-4）
式中K为应变片灵敏系数，ε为应变量。
上式表明，电桥的输出电压和四个轿臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比。
在电阻应变式称重传感器中，4个应变片分别贴在弹性梁的4个敏感部位，传感器受力作用后发生变形。
在力的作用下，R1、R3被拉伸，阻值增大，△R1、△R3正值，R2、R4被压缩，阻值减小，△R2、△R4为负值。
再加之应变片阻值变化的绝对值相同，即
△R1=△R3=+△R或ε1=ε3=+ε（2-5）
△R2=△R4=-△R或ε2=ε4=-ε（2-6）
因此，V=
×4ε=eKε。
若考虑Rm，则电桥的输出电压变成：
V=
=
=
Kεe
令SU=
，则SU=
Kε（2-7）
SU称为传感器系数或传感器输出灵敏度。
对于一个高精度的应变传感器来说，仅仅靠4个应变片组成桥式测量电路还是远远不够的。
由于弹性梁材料金相组织的不均匀性及热处理工艺、应变片性能及粘贴工艺、温度变化等因素的影响，传感器势必产生一定的误差。
为了减少传感器随温度变化产生的误差，提高其精度和稳定性，需要在桥路两端和桥臂中串入一些补偿元件。
如：
初始不平衡值的补偿、零载输出温度补偿、输出灵敏度温度补偿等。
2.4.2 前级放大器
由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低而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A/D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。
因此，一般对放大器有如下一些要求：
1）输入阻抗应远大于信号源内阻。
否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。
2）抗共模电压干扰能力强。
3）在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。
从而保证放大器输出性能稳定。
4）能附加一些适应特定要求的电路。
如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。
基于以上分析，我们最终决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器AD620。
AD620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。
AD620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）。
AD620的内部结构如下图所示：
如图2-4AD620的内部等效图
AD620的接口如下图所示：
如图2-5AD620的接口图
电路的工作原理：
A1、A2工作在负反馈状态，其反向输入端的电压与同相输入端的电压相等。
即Rg两端的电压分别为Vin+、Vin-。
因此
设图（2-4）中电阻R1=R2=R，则A1、A2两输出端的电压差U12为
（2-8）
将上式代入第一个式子得
（2-9）
放大器的增益Av为
（2-10）
可见，仅需调整一个电阻Rg，就能方便的调整放大器的增益。
由于整个电路对称，调整时不会造成共模抑制比的降低。
在接口图（2-5）中，通过改变可变电阻R3的阻值大小来改变放大器的增益，放大器增益计算公式如下：
（2-11）
2.4.3 A/D转换器
A/D转换器是一种能把输入模拟电压或电流-成与它成正比的数字量，也就是说能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。
A/D转换器种类较多，从原理上可分为四种：
双积分式A/D转换器，逐次逼近式A/D转换器、并行A/D转换器、计数器式A/D转换器及△－∑型A/D转换器。
在电子秤的设计中用的比较多的是双积分式A/D转换器和△－∑型A/D转换器。
双积分ADC的基本原理是对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。
如图2-6所示是电子秤中常用的双积分式A/D转换电路，它由积分器、比较器、模拟电子开关，积分电阻、积分电容、自动回零电阻、电容组成。
其中VG是模拟地，VFR是基准电压（相对于VG为负值），VX是检测电压。
如图2-6 双积分A/D转换电路
其次双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。
对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50HZ的工频干扰抑制能力特强，对高于工频干扰（例如噪声电压）也具有良好的滤波作用。
只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。
尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。
故而采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。
作为电子秤，系统对AD的转换速度要求并不高，精度上14位的AD足以满足要求。
另外双积分型A/D转换器较强的抗干扰能力，和精确的差分输入，低廉的价格。
最终选择了精度为10Kg/
20000=
0.5g的ICL7135。
2.5 人机交互界面模块
2.5.1 键盘输入
键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。
键盘是由若干个按键开关组成，键的多少根据单片机应用系统的用途而定。
键盘由许多键组成，每一个键相当于一个机械开关触点，当键按下时，触点闭合，当键松开时，触点断开。
单片机接收到按键的触点信号后作相应的功能处理。
因此，相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号。
ZLG7289是周立功单片机公司设计的串行输入输出可编程键盘显示芯片，有强大的键盘显示功能，支持64键控制，可以比较方便地扩展系统。
另外ZLG7289内部有译码电路，大大简化了程序。
最终选择ZLG7289作为键盘扫描显示芯片。
2.5.2 输出显示
采用可以设置显示单价，金额，中文，购物日期等的LCD，它具有低功耗、可视面大、画面友好及抗干扰能力强等功能，其显示技术已得到广泛应用。
LCD显示器的工作原理：
液晶显示器的主要材料是液态晶体。
它在特定的温度范围内，既具有液体的流动性，又具有晶体的
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