学位论文基于虚拟仪器的电子秤设计.docx
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学位论文基于虚拟仪器的电子秤设计
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基于虚拟仪器的电子秤设计
摘要
电子秤因其种类繁多，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。
作为重量测量仪器，智能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。
基于虚拟仪器设计了电子秤系统，阐述了系统硬件电路构成、软件设计思想和具体实现。
系统应用虚拟仪器技术进行自动测量、处理和显示，实现了电子秤的智能化，具有测量精度高、界面友好、运行稳定可靠、功能便于扩展。
关键词：
电子秤；虚拟仪器；数据库；数据采集
DesignoftheelectronicscalebasedonLabview
Abstract
Electronicscalebecauseofitsgreatvariety,andinvolvestothetradesettlementandtheprotectiongeneralconsumer'sbenefit,thoughtthatvariouscountriesgovernmentpaysattentiongenerallyandtakesseriously,andisdeterminedforthenationalcompulsionmanagementlegalsystemmeasurementappliance.Astheweightmeteringequipment,theintelligentelectronicscalestartsinthevarioustradesandoccupationstoappearitsmeasuringaccuracytobehigh,thesurveyspeedisquick,thesimplicityofoperatoreasytostudy,mightthereal-timemonitoringhugemerit,makeitalreadytostarttosubstituteforthetraditionmechanicalleversurveytosaygradually,becamemeasurestheheavydomainthemainstreamproduct.
BasedonLabview，thispaperdesignedasystemofintelligentelectronicscale，andillustrateditscircuitstructureofhardware，designideaandimplementationofthesoftware．Thesystemcallautomaticallymeasure，manageanddisplaytheresultwiththevirtualinstrumenttechnique，whichmakesthesystemintelligent．Thedeviceisnotonlycharacteristicofhighaccuracyandfriendlyinterface，butalsogoodstabilityandextensibility．
Keywords:
electronicscale;Labview;Database;datacollects
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第一章绪论
电子秤因其种类繁多，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。
电子秤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。
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。
一.1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。
一.2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。
一.2.1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、电子地秤，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。
一.2.2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。
一.2.3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。
一.2.4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。
一.2.5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。
一.2.6组合型
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。
一.3本章小结
本章主要介绍了电子秤的发展现状及发展趋势。
第二章电子秤系统组成、分类、特点
电子秤是配有电子称量装置的衡器，主要由称重传感器、承载器（俗称秤架）、称重仪表3部分组成。
电子秤的工作原理是将作用在承载器上的质量或力的大小，通过称重传感器转换为与之成正比的电信号，并且以模拟或数字量的形式在称重仪表上显示出来[1]。
二.1电子秤系统组成
二.1.1称重传感器
称重传感器是电子称重的核心部件，从原理上分为电阻应变式、压磁式、振弦式等[1]。
⑴电阻应变式称重传感器
电阻应变式称重传感器因制作简单、工艺成熟、准确度高，占据着称重传感器90%以上的市场份额。
电阻应变式称重传感器用于静态、动态条件下质量或力的测量，在工业生产过程检测、控制、自动称量等领域已大量应用。
⑵压磁式称重传感器
压磁式称重传感器的代表厂家是ABB公司，该传感器输出功率大，过载能力强，可在高温、潮湿、多尘等恶劣环境条件下长期工作。
⑶振弦式称重传感器
振弦式称重传感器的代表厂家是瑞士哈斯勒公司，该公司采用的SFT振弦式称重传感器的电子皮带秤已在国内有较多应用。
这种称重传感器的特点如下：
重复性、线性为满刻度的0.01%，稳定性为0.03%，与电阻应变式称重传感器的指标大体相当；微小的被测力变化可产生较大的频率变化，分辨率高达百万分之一，灵敏度高；直接数字称重，被处理的信号及输出信号都是数字信号，处理过程无A/D、D/A转换，运算精确度高；抗电气干扰、抗振动干扰能力强;传感器内装有温度传感器，温度补偿灵敏度可达0.0001%/℃；非位移式测量原理，测量过程几乎无位移发生，不影响秤架的校准状态；有动态过载保护装置；最多15台传感器可在同一根串行总线上传递信号，最大传送距离为500m，因此，这种称重传感器是未来传感器发展的一个方向。
二.1.2称架
⑴单杠杆式秤架[1]
只有一组称量杠杆，其上支撑了一组或几组称量托辊，秤架通常由称量杠杆、支点、平衡重物等组成，结构较简单，但称量准确度不高，精度通常为1%～2%。
⑵双杠杆式秤架[1]
由对称的两组称量杠杆组成，每组称量杠杆上支撑了一组或几组称量托辊，秤架结构复杂，秤体庞大，但它的两组称量杠杆在称量过程中可以抵消一些水平分力对称量精确度的影响，所以秤架性能稳定，称量精确度较高，精度通常为0.25%～0.5%。
⑶悬臂式秤架[1]
通常是在专用的短皮带输送机上采用，短皮带输送机的整体只由支点和称重传感器承重，这种秤架只用于尺寸短小的定量给料机或专用的计量皮带秤，称量精确度中等，精度通常在1%左右。
⑷悬浮式秤架[1]
悬浮式秤架类似静态称重的称重平台，称重平台上支撑了一组或几组称量托辊，它的特性优于上述其他各种结构形式的秤架。
比如美国拉姆齐公司在有4组称量托辊的秤架中，17型双杠杆式准确度指标为0.25%，而14型悬浮式准确度指标为0.125%。
悬浮式秤架的精度通常在0.125%～0.25%。
从总体性能来看，悬浮式结构的秤架将是未来秤架的一个发展方向[1]。
二.1.3称重仪表
称重仪表从早期的模拟式仪表，发展到现在的微机式仪表。
仪表精度从0.1%、0.05%发展到0.01%。
微机式仪表有单片机、PLC、工业PC、嵌入式PC等形式。
微机式称重仪表采用了低漂移高增益放大器、高分辨率A/D转换器、闪存、电可擦存储器和非易失性随机存储器、RS-232/RS-485通信标准、现场总线等技术，使其性能和功能都有了很大提高。
这些新技术的采用，进一步提高了称重仪表的性能和可靠性，并为仪表小型化创造了有利条件。
在性能上已能做到:
非线性优于0.01%，灵敏度优于0.2V/d，A/D转换速度一般为10～30次/s，用于动态称重时可达100次/s以上。
功能上包括：
各种参数的设定，如分度值、量程、校准参数、计算系数、皮重等设定；零点自动跟踪；自动去皮；量程自动校准；动态检测；开机自检和故障诊断；停电数据保护；超载报警；非线性补偿；以及毛重、净重、皮重和累加值的显示等。
为了便于与计算机通信，现在的称重仪表都配有输入/输出接口，如RS-232C、RS-485、模拟量（4～20mA）以及继电器输出等。
为了适应各种应用的需要，当前称重仪表发展的一个趋势是：
通过硬件或软件的积木式组合来实现不同的功能需求。
称重仪表另一个发展趋势是小型化。
小型或微型仪表主要用于小型生产设备和移动的称重系统中，例如定量包装秤、叉车秤、货车秤、可移动的台秤等[1]。
二.2电子秤的分类
电子秤的种类和形式是很多的，而且有各种各样的分类方法。
例如，可以按称重传感器的工作原理分类，可以按仪表显示方法分类，也可以按称体结构形式分类等等[2]。
电子秤按用途分为下述几种类型：
容器称——主要用于对各种液体、粉状或颗粒状物料进行称重和配料；
吊秤——对各种大型构件、集装箱等在装卸运输过程中进行称重；
皮带秤——对散装物料在传输过程中进行称重；
平台秤——包括各种地中衡、汽车衡、平台秤等；
电子轨道称——称量铁路车辆重量[2]。
二.3电子秤的特点
电子秤与传统的机械秤相比，主要有以下优点：
传感器的反应速度快，从而可以提高称重速度；
结构简单，体积小，重量轻，受安装地点的限制小；
称重信号可以远距离传送，并可用计算机进行数据处理，自动显示、记录称重结果，还可以给出各种控制信号，实现生产过程自动化；
测量范围广。
因称重传感器可做成密封型的，从而有优良的防潮、防腐蚀性能，能在机械秤无法工作的恶劣环境下工作；
有足够的精度[2]。
二.4本章小结
我国的电子秤要打入国际市场，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。
面对与国际先进水平的差距和我国国民经济持续发展的大好形势，我们的态度应该是明确的，就是要从观念上、技术上和管理上迅速赶上，瞄准先进、与时俱进、迎接挑战、开拓创新、以提高制造技术与制造工艺水平为突破口，主要解决规模生产中的关键技术与工艺，提高批量生产能力，质量保证，使我国的电子秤走上健康持续发展的轨道。
第三章虚拟仪器
最初只存在机器语言，计算机的世界里一片黑暗。
可是不久，汇编语言问世了，给计算机的世界投下了一缕曙光。
Labview图形化编程语言的出现终于把人们——尤其是工程师和科学家们从繁杂的编程工作中解放出来。
三.1虚拟仪器的产生
三.1.1产生背景
二十世纪七十年代以来，在数字信号处理理论、微电子技术、计算机技术迅速发展的支撑下，微机化测试分析仪得到了长足的发展。
其基本状况是：
各类专用微机化测试分析仪的功能和性能越来越强，在工程测试中得到了广泛的应用。
但由于仪器的功能基本上由厂家规定，用户难以扩充，且仪器的研制开发周期长，寿命短，价格昂贵。
以PC机为核心的个人仪器（系统），硬件性能有极大提高且日趋标准化。
研究单位研制的专业测试分析软件包，可用PC机做许多专业性的分析处理，但软件功能仍由研制者确定，用户较难扩充。
众多的测试工作者并不十分熟悉计算机编程，面对这些硬件、软件，仍然处于被动使用的局面。
九十年代中期，个人计算机CPU时钟频率已达100MHz以上，以64位二进制进行运算，运算速度和精度有了极大提高，价格亦大幅降低，硬件接口进一步趋于标准化，厂商在出售可程控仪器的同时也提供其驱动软件。
特别是面向仪器的软件开发平台，如Labview的成熟和商业化，使用者在配有专用或通用插卡式硬件、可程控仪器和软件开发平台的个人计算机上，可按自己的需要，快捷方便地设计和组建各种测试分析仪器和系统。
个人仪器发展到了使用者也能设计，开发的新阶段。
鉴于主要由使用者自己编制，调用软件来开发仪器功能，完成原来由硬件及固化软件完成的工作，软件成了仪器的关键。
这与虚拟现实技术，虚拟制造技术有着相拟的特点。
故人们也称这类个人仪器为虚拟仪器，称这种主要由使用者自己设计、制造仪器的技术为虚拟仪器技术。
三.1.2虚拟仪器的产生
在上述的背景下，提出了全新概念的仪器——虚拟仪器。
1986年，美国国家仪器公司提出了虚拟仪器的概念。
1990年代，虚拟仪器得到业界广泛认可和应用，相继推出了基于GPIB总线、PC-DAQ和VXI总线、PXI总线等多种虚拟仪器系统。
三.2虚拟仪器的发展历程
虚拟仪器发展至今，大体来说可分为三个阶段。
第一阶段:
计算机的使用，增强了传统仪器的功能。
此阶段的VI发展是飞速前进。
GPIB总线标准的确立，使得PC机和外界通信成为可能，用户便可以使用PC机来控制仪器，并且随着个人PC机系统性价比的不断飞升，用PC机控制测控仪器成为一种趋势。
与此同时仪器销售市场上也发生了巨大的变化，通用的数字式仪器销售量猛增，而专用的传统仪器销售量大幅度下降。
因为用户已经清楚的知道了，使用PC机和数字化通用设备连接，就可以实现信号数字化，这样就可以方便的对数据做特定分析处理并显示在PC机屏幕上，毕竟台式PC机的处理能力远远超过一般的仪器。
第二阶段:
开放式的仪器构成。
随着插入式计算机数据处理卡和仪器总线标准这两大测试技术的确立，新的仪器构成得以开放。
仪器设计者与用户一样，都希望尽可能地提高效率和重复使用次数。
仪器生产商建立了各自的内在标准，使得各自标准的其他产品有利可图。
许多仪器上唯一通用的元器件就是PC机里的标准件，这样使得PC机成为一个构建VI的理想平台。
就类似于PC机的扩展槽，许多仪器内的特殊功能，如A/D、D/A、数字I/O、时间I/O组件都是模块化的功能块，能够直接插在仪器内部的扩展槽内，与处理器总线相连。
传统的仪器的相关软件都是固化在内部ROM内，只针对专门仪器。
而在VI中，专用仪器的软件也是使用模块化的可重用代码，但VI的功能软件是以文件形式储存在介质里的，可以安装在任何PC机上。
正是这个阶段VI在软硬件上的这些进步，使得它的构建具有了开放性和更大的灵活性。
第三阶段:
VI框架的广泛认同和采用。
面向对象技术把用户构建VI需要知道的东西封装起来，VI将成为一种主流技术。
许多行业标准在硬件和软件领域已产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。
至此人们也认识到了VI软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。
美国国家仪器公司的软件产品也创造了整体的虚拟仪器框架，它把离硬件较近的接口程序和高级应用程序以及专门仪器的转换驱动程序组合起来。
用户可以使用其标准硬件接口驱动程序包去控制数据采集产品。
接口软件包中的所有程序都可运行于多种普通计算机和操作系统上。
三.3虚拟仪器的简介
虚拟仪器：
是一种以计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核心所构成的，并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面板，以及由计算机所完成的仪器功能，都可由用户软件来定义的计算机仪器。
Labview是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。
三.3.1Labview图形化程序设计的步骤
⑴建立方案：
建立其前面板接口，
升级会员 