题目基于LabVIEW的电子秤的设计.docx

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题目基于LabVIEW的电子秤的设计

题目：

基于LabVIEW的

电子秤的设计

基于LabVIEW的电子秤的设计研究

摘要

随着科学技术的进步，对测量技术的要求越来越高。

电子测量技术在各个领域得到了越来越广泛的应用。

传统的电子测量仪器由于其功能单一，体积庞大，己经很难满足实际测量工作中多样性、多功能的需要。

以虚拟仪器为代表的新型测量仪器改变了传统仪器的思想，它们充分利用计算机强大的软硬件功能，把计算机技术和测量技术紧密结合起来，是融合了电子测量、计算机和网络技术的新型测量技术。

特别是基于计算机平台的各种测量仪器由于成本低、使用方便等优点得到了更广泛的应用。

本设计是结合传感器技术、数据采集技术和虚拟仪器技术开发设计了一种基于LabVIEW的电子秤，该系统采用普通PC机为主机，利用图形化可视测试软件LabVIEW为软件开发平台，将被测重量转换、处理、进行数据采集，实时进行处理、显示。

关键词：

电子秤；虚拟仪器；LabVIEW

Designoftheintelligentelectronic

steelyardbasedonLabVIEW

Abstract

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,therequirementonmeasurementtechnologyisgettingmoreandmoreimportant.Theapplicationofelectronicmeasurementtechnologyhasextendedtomorefieldsthanbefore.Duetolimitedfunctionsandbigsize,traditionalelectronicmeasuringequipmentsarenolongersuitabletocommonpurposes.Therapiddevelopmentofintegratedcircuitandcomputertechnologygivesbirthtoanewkindofinstrument,VirtualInstrument（VI）.Asaresult,thetestingcostincreasesbyawidemargin.Inrecentlyyears,anewmeasuretechnologythatcombinesthetechnologyofelectron,technologyofcomputer,technologyofnetwork,isdevelopedandthisnewtechnologyisnamedVI.Especiallyvariousmeasuringinstrumentsbasedoncomputer,theyaremorewidelyusedbecauseoftheirexcellencesuchas:

lowercost,easilyused,etc.

ThisdesignistodevelopanddesignakindofelectronicsteelyardbasedonLabVIEW，whichcombinesthesensortechnology，datagatheringtechnologyandthenationalinstrumenttechnology,thesystemusedforordinaryPC-host,theuseofgraphicvisualtestsoftwareforLabVIEWsoftwaredevelopmentplatform,theweightwillbetestedConversionprocessingofdataacquisition,real-timeprocessingandmanifesting.

Keywords:

electronicssteelyard;virtualinstrument;LabVIEW

第一章引言

一.1研究背景

质量是测量领域中的一个重要参数，称重技术自古以来就被人们所重视。

公元前，人们为了对货物交换量进行估计，起初采用木材或陶土制作的容器对交换货物进行计量。

以后，又采用简单的秤来测定质量。

据考证，世界上最古老的计量器具出土于中东和埃及，最古老的衡器和砝码出自于埃及。

秤是最普遍、最普及的计量设备，电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。

低成本、高智能化的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。

本章简述称重技术和衡器的发展过程，论述提出新型电子秤的意义，关键技术及工作重点等。

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。

一.1.1称重技术和衡器的发展

衡器是通过作用于被测量物体的重力来确定该物体质量的计量器具。

在整个衡器的发展过程中，先后主要出现了六种类型的衡器：

架盘天平、不等臂平台秤、吊车秤、倾斜象限杆秤、弹簧秤和自动秤。

电子衡器种类繁多，且涉及到贸易结算和广大消费者的利益，所以为世界各国政府普遍关注和重视，并被确定为我国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，对于加强企业管理、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。

目前电子衡器主要分为非自动衡器和自动衡器。

我国电子衡器经过40多年的不断改进与完善，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。

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。

一.1.2电子秤的发展状况

电子秤是各行业对物料进行计量或工矿企业在生产过程中对物料重量进行各种控制的新一代重量计量器具。

作为重量测量仪器，电子秤在各行各业中开始显现其测量精度高,测量速度快,操作简单易学,可以实时监控的巨大优点，使其已经开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量秤，成为测重领域的主流产品。

电子秤不仅要向高精度、高可靠方向发展，而且更需向多种功能的方向发展。

据悉，目前电子秤的附加功能主要有以下几种：

1.电子秤附加了处理机构计算机信息补偿装置,可以进行自诊断、自校正和多种补偿计算和处理。

2.具有皮重、净重显示等特种功能。

电子秤有些已具备了自动称量模式,即通过进行算术平均、积分处理和自动调零等方法,消除上述的误差。

3.附加特殊的数据处理功能。

目前的电子秤有附加多种计算和数据处理功能，以满足多种使用的要求。

今后，随着电子高科技的飞速发展，电子秤技术的发展定将日新月异。

同时,功能更加齐全的高精度的先进电子秤将会不断问世，其应用范围也会更加拓宽。

一.2本章小结

本章研究了电子秤研究的背景，并且介绍了衡器的发展经过，以及电子秤的发展的状况。

第二章电子秤的功能、分类及现状

二.1电子秤的系统构成及其使用功能

电子秤的系统由由压力传感器、信号调理电路、数据采集卡和计算机组成。

其工作的流程如图2.1所示。

使用功能：

电子秤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，才能满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动”称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。

图2.1电子秤系统的流程图

二.2电子秤的分类

电子秤的分类：

1.按原理分：

电子秤、机械秤、机电结合秤

2.按功能分：

计数秤、计价秤、计重秤

3.按用途分：

工业秤、商业秤、特种秤

4.按放置位置分类：

桌面秤：

指全称量在30Kg以下的电子秤

台秤：

指全称量在30-300Kg以内的电子秤

地磅：

指全称量在300Kg以上的电子秤

5.按精确度分类：

I级：

特种天平精密度≥1/10万

II级：

高精度天平1/1万≤精密度＜1/10万

III级：

中精度天平1/1000≤精密度＜1/1万

IV级：

普通秤1/100≤精密度＜1/1000

二.3电子秤的现状

电子秤集机、电、仪于一体，具有多功能、高精度、快速和动态计量、稳定可靠等特征，代表了衡器产品发展的方向。

电子秤属于日用衡器，为劳动密集型产品。

电子秤产品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；其应用性能趋向上综合性和组合性。

1.小型化

近几年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）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，己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、7m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5-28m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

某些品种和结构的秤，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720mmx550mmx32mm，重量约为23kg。

4.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示控制器的电子秤的根本区别。

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。

我国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OIML-R76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；按能否直接读出称量结果划分，可分为有分度衡器与无分度衡器，目前我国在用的绝大多数机械、电子衡器均属于能直接读出称量结果，故称为有分度衡器：

如按指示方式划分，可分为自行指示衡器、半自行指示衡器与非自行指示衡器三种形式。

其中非自行指示衡器主要指目前我国在用的固定式杠杆秤（如固定式杠杆地上衡）、移动式杠杆秤（如移动式杠杆案秤、台秤）、机械杠杆式吊秤与静态机械轨道衡等。

半自行指示衡器主要指靠铭调整秤量的度盘秤（如邮包度盘秤）等。

自行指示衡器在我国又可分为模拟指示秤、数字指示秤。

模拟指示秤主要指弹簧度盘秤、度盘秤和人体秤等。

数字指示秤主要指电子案秤（如电子计价秤、电子计重秤、计数秤、条码打印计价秤、电子婴儿秤、电子厨房秤和电子邮政秤等）、电子台秤、固定式电子秤（如电子地上衡、电子汽车衡、电子行李秤与电子料斗秤等）、电子吊秤、机电秤、光栅秤、光栅数显静态轨道衡与静态电子轨道衡等。

OIMLR76中对于有分度衡器又分为单分度值秤与多分度值秤;按秤量分为单称量范围秤与多称量范围秤。

目前我国产品标准中列入的十大类衡器（案秤、台秤、地上衡、地中衡、吊秤、皮带秤、料斗秤、检验秤、轨道衡和特种秤）均已实现了电子化。

据近期统计，工业用衡器（按销售量统计）中的电子产品已占到三分之二左右，技术水平比较成熟的静态衡器的计量范围可以从1μg到800t，部分非自动衡器（如电子计价秤、电子台秤、电子地上衡、电子皮带秤、电子吊秤和电子轨道衡等）已达到国际水平。

由于近十几年来电子技术的迅速发展，商用衡器的加工能力迅速增长，产品成本大幅度降低，市场稳步发展。

现在，电子计量称重技术已越来越多地应用于工业生产过程控制中，电子衡器的功能及应用拓展到更广泛领域。

随着我国加入WTO组织，经济市场的开放度加大，一批具有国际先进水平的衡器产品和技术（如定量包装秤、自动重量检验秤、标签计价秤、电脑组合秤、耐压式计量给煤机等，以及应变计、称重传感器、称重显示器生产技术）进入我国，这对电子秤的进一步普及和提高必将产生积极的、巨大的影响。

二.4本章小结

本章介绍了电子秤的系统结构及其分类，还有电子秤的现状等。

电子秤的系统由由压力传感器、信号调理电路、数据采集卡和计算机组成。

电子秤属于日用衡器，为劳动密集型产品。

电子秤产品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；其应用性能趋向上综合性和组合性。

第三章虚拟仪器和LabVIEW简介

虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。

PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。

对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。

LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：

其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。

与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。

LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。

LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。

三.1虚拟仪器

虚拟仪器（virtualinstrumention）是基于计算机的仪器。

计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。

粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。

随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。

另一种方式是将仪器装入计算机。

以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。

虚拟仪器是微电子、通信、计算机等现代科学技术高速发展的产物。

自从1785年库仑发明静电扭秤，1834年哈里斯提出静电电表结构以来，电测仪表和电子仪器随相关技术的进步、仪器仪表元器件质量的提高和测量理论方法的改进得到飞速发展。

有一种较普遍地说法将测量仪器的发展分为五个阶段，如图3.1所示。

图3.1测量仪器的发展

3.1.1虚拟仪器的发展史

从十九世纪初到二十世纪末，测量仪器经历了模拟仪器、电子仪器、数字仪器、智能仪器等阶段，发展到现在的虚拟仪器。

模拟仪器主要有模拟式电压表、电流表等，这些仪表解决了当时对某些量的测量的需求。

从二十世纪初到五十年代左右，测量仪器的材料性能得到改善，出现了电子管，同时，测量理论和方法与电子技术、控制技术相结合，出现了以记录仪和示波器为代表的电子仪表。

五十年代以后，随着晶体管和集成电路的出现以及应用电子技术的发展，数字技术成功地应用到测量仪器。

这时，电子、控制、集成电路和计算机技术开始融为一体，成为测量仪器的主要特征。

七十年代初，第一片微处理器问世，微计算机技术从此发展迅猛，在其影响下，测量仪器呈现出新的活力并取得了长足进步。

伴随微电子技术、计算机技术、网络技术的迅速发展及在电工电子测量技术领域的应用，测量仪器也不断进步和发展，出现了智能仪器。

智能仪器是将微机置于仪器内部，使仪器具有控制、存储、运算、逻辑判断及自动操作等智能特点，并在测量准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用能力及解决测量技术问题深度和广度等方面都有明显的进步。

这种内置微处理器的仪器，既能进行自动测试又能完成数据处理，可取代部分的脑力劳动。

随着电子技术、微计算机技术的发展，智能仪器的智能水平不断提高。

但是，在数字化仪器、智能仪器阶段基本上没有摆脱传统仪器那种独立使用、手动操作的模式，难以胜任更复杂、多任务的测量需求。

为解决这样的问题，总线式仪器与系统应运而生。

人们发明制造出CAMAC、RS-232C和GPIB（即IEEE0-488）等多种仪器通讯接口总线，用于将多台智能仪器连在一起，以构成更复杂的测试系统。

但在复杂的总线式仪器系统中还有许多重复的部件或功能单元，如键盘、CRT、存储器等。

在这种背景下，1982年，美国西北仪器公司总裁德·伯克提出了微机化仪器的概念，也就是人们现在常提到的卡式仪器。

卡式仪器是虚拟仪器的雏形，是将传统独立式仪器的测量电路部分与接口部分集合在一起制成仪器功能卡，将其插入微机的内部插槽或外部插件箱中形成的仪器。

1997年美国国家仪器公司（简称NI公司）推出了一种新的仪器总线标准PXI总线标准。

制定PXI规范的目的是为了将PC的性能价格比优势和PCI总线面向仪器领域的必要扩展结合起来，以期形成一种主流的虚拟仪器测试平台。

相对VXI仪器，按PXI总线标准制成的PXI仪器具有成本低、便于组成便携式测试系统等优点。

这些以PC为核心、由测量功能软件支持，具有虚拟控制面板、必要仪器硬件和通信能力的PC仪器或VXI仪器就是虚拟仪器。

虚拟仪器技术的出现，使得用户可以自己定义仪器，灵活地设计仪器系统，满足多种多样的实际需求。

随着虚拟仪器软件开发平台及硬件的发展，基于虚拟仪器的仪器系统的开发周期缩短，费用降低，测量速度、准确度及可复用性提高，且更便于相应仪器系统的维护和扩展。

现代仪器仪表技术是计算机技术和多种基础学科紧密结合的产物。

随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的飞速发展，新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现,在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。

在此背景下，1986年美国国家仪器公司（Nationalinstruments,NI）提出了虚拟仪器（Virtualinstrument,VI）的概念。

尽管迄今为止虚拟仪器还没有一个统一的定义，但是一般认为：

虚拟仪器是在PC基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的可重用测试仪器系统和传统仪器相比，虚拟仪器具有巨大的优越性。

电测量理论和技术的不断发展、测量领域和测量观念的不断拓展，给测量仪器仪表提出了更高的要求。

仪器是测量的工具，测量的本质是利用仪器仪表获得定量认知的过程，测量的实现离不开仪器仪表，测量技术的发展过程，也就是仪器仪表的发展过程。

因而，为适应测量技术发展的需要，仪器仪表技术也不断地进步和提高，虚拟仪器就是为了适应测量技术发展的需要而产生并发展起来的。

虚拟仪器的够成如图3.2所示。

3.1.2虚拟仪器的主要特点

虚拟仪器的主要特点：

1.尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。

2.可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。

3.用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。

 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。

虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。

图3.2虚拟仪器的构成方式

3.1.3虚拟仪器的现状

普通的PC有一些不可避免的弱点。

用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。

目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。

每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。

这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。

VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准。

虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。

目前使用较多的是IEEE488或GPIB协议，未来的仪器也应当是网络化的。

3.1.4虚拟仪器的发展方向

随着计算机、通信、微电子技术的不断发展，以及网络时代的到来和信息化要求的不断提高，网络技术应用到虚拟仪器领域中是虚拟仪器发展的大趋势。

在国内网络化虚拟仪器的概念目前还没有一个比较明确的提法，也没有一个被测量界广泛接受的定义。

其一般特征是将虚拟仪器、外部设备、被测试点以及数据库等资源纳入网络，实现资源共享，共同完成测试任务。

使用网络化虚拟仪器，可在任何地点、任意时刻获取数据信息的愿