精编数字式电子秤.docx

1、精编数字式电子秤数字式电子秤1前言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。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、改善经营管理等多方面的作用。称重装置的应用已

2、遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效益。因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。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，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。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。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

3、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整体方案设计2.1方案设计本设计整体思路：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。然后通过系列转换，输出显示结果方案一：利用单片机，实现称重、显示、报警等功能。图2.1方案一框图方案二：直接使用放大系统经A/D转换器显示。传感器放大系统A/D显示切换量程图2.2方案二框图2.2方案比较方案一中利用电阻应变片式传感器采集因压力变化产生的电压信号

4、，经过电压放大电路放大，滤波，然后再经过模数转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机，单片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的重量及总额，然后再显示出来。方案二中较为简单，但实现功能较差，不容易达到设计精度要求。2.3方案选择综上所述,本课题的主要设计思路是：利用电阻应变片式传感器采集因压力变化产生的电压信号，经过电压放大电路放大，滤波，然后再经过模数转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机，单片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的重量及总额，然后再显示出来。此外，还可通过键盘设定所称物品的价格。这种高精度智能电子秤体积小、计量准确、携带方便,集重量称量功能与价格计算功能于一体

5、,能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求，因此选用方案一作为本设计的设计方案。3系统方案设计3.1传感器的选择在本设计中，传感器是个十分重要的元件，因此对传感器的选择也显得十分重要。不仅要注意其量程和参数，还要考虑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。3.1.1称重传感器的主要性能指标（1）传感器的输出灵敏度传感器在额定载荷作用下，供桥电压为1V时的输出电压，单位为（mV/V）。在任一载荷下，传感器的输出电压=所加载荷*供桥电压*输出灵敏度/额定载荷。（2）非线性传感器承受载荷与其相应输出电压之间并非成完全的线性关系，由此而造成的误差称为传感器的非线性误差。（3）不重复性在同一环

6、境条件下，对传感器反复施加某载荷时，其每次输出的电压值不尽相同，这种现象称为传感器的不重复性。（4）零点不平衡输出在传感器不受任何载荷条件下，传感器输入端以额定的供桥电压时的输出电压，称为零点不平衡输出。3.1.2称重传感器的选择主要从以下几个方面考虑（1）要考虑传感器所处的实际工作环境情况传感器所处的工作环境情况对如何选用传感器是至关重要的，它关系到传感器能否正常的工作，关系到传感器的安全和使用寿命，乃至关系到整个电子秤的可靠性和安全性。（2）对传感器数量和量程的选择传感器数量的选择是根据电子秤的用途、秤体需要支撑的点数（支撑点数应根据使秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定）而定。一般来说

7、，秤体有几个支撑点就选用几只传感器。（3）传感器准确度等级的选择传感器的准确度等级概括了传感器的非线性、蠕变、蠕变恢复、滞后、重复性、灵敏度等技术指标。称重传感器已按准确度等级划分，且已考虑了0.7倍误差因子，非自动衡器称重传感器的准确度等级要选择与电子秤相对应的准确度等级。称重传感器按综合性能分为A、B、C、D四个准确度等级，分别对应于衡器、四个准确度等级。综合考虑,本设计采用电阻应变式传感器,其最大量程为5Kg.称重传感器由组合式S型悬梁结构及金属箔式应变计构成，具有过载保护装置。由于惠斯登电桥具诸如抑制温度变化的影响，抑制干扰，补偿方便等优点，所以该传感器测量精度高、温度特性好、工作稳定

8、等优点，广泛用于各种结构的动、静态测量。该称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成。电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，把电阻应变片粘贴在弹性敏感元件上，以适当方式组成的将力转换成电信号的传感器。电阻应变效应，即金属丝在受到应力作用时，其电阻随着所发生机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生相应的变化。电阻应变效应的理论公式如下:R=L/S（式3.1.1）式中：为电阻率，L为金属丝的长度，S金属丝的截面积由上式可知，金属丝在承受应力而发生机械变形的过程中，、L、S三者都要发生变化，从而必然会引起金属丝电阻值的变化。当受外力伸张时，长度增加，截面积减小，电阻值增加；当受压力缩短时，长度减小，

9、截面积增大，电阻值减小。因此，只要能测出电阻值的变化，便可知金属丝的应变情况。这种转换关系为：R/R=K（式3.1.2）式中:R/R为金属丝电阻值的变化量，K为金属材料的应变灵敏系数,它主要由试验方法确定,且在弹性极限内基本为常数值，为金属材料的轴向应变值,即=L/L,因此又称为长度应变值,对金属丝而言。在实际应用中，将金属电阻应变片粘贴在传感器弹性元件或被测机械零件的表面。当传感器中的弹性元件或被测机械零件受作用力产生应变时，粘贴在其上的应变片也随之发生相同的机械变形，引起应变片电阻发生相应的变化。电阻应变片式传感器主要有两部分组成：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

10、个是电阻应变片，它作为传感器元件将弹性体应变同步的转换成电阻值的变化。电阻应变片是电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。电阻应变片把机械应变信号转换为R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，常规的电阻应变片K值很小，约为2，机械应变度约为0.0000010.001，所以，电阻应变片的电阻变化范围为0.00050.1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

11、入工作电压e，另一个对角线为输出电压V。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，否则就有电压输出，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。图3.1电阻应变式传感器图3.2电阻式应变称重传感器结构图图3.3桥式测量电路如图3.3R3、R5、R6、R7为4个应变片电阻，组成了桥式测量电路，R3,R4为温度补偿电阻，e为激励电压，V为输出电压。若不考虑R3,R4，在应变片电阻变化以前，电桥的输出电压为：V=R1/(R1+R2)-R4/(R3+R4)e（式3.1.3）由于桥臂的起始电阻全等，即R3=R5=R6=R7=R,所以V=0。当应变片的电阻变成R+R3、R+

12、R5、R+R6、R+R7时，电桥的输出电压为:V=(R+R3)/(R+R3+R+R6)-(R+R5)/(R+R5+R+R7)e（式3.1.4）也就是说，电桥的输出电压与每个桥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R/R=K，则上式又可写为：V=eK/4（35+67）（式3.1.5）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，R3、R6被拉伸，阻值增大，R3、R6正值，R5、R7被压缩，阻值减小，R5、R7为负值。再加之应变片阻值变化的绝

13、对值相同。因此，V=（Ek/4）*4=eK。若考虑R3，则电桥的输出电压为：V=（R+R）/2R-(R-R)/2RR/(R+2R3)e=R/（R+2R3）（R/R）e=R/(R+2R3)(R/R)e=R/(R+2R3)Ke令Su=V/e，则Su=R/(R+2R3)K（式3.1.6）Su称为传感器系数或传感器输出灵敏度。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

14、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电阻，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。3.2放大电路的选择经由传感器转换后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、控制或进行信号转换。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

15、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。3.3A/D转换电路的选择在实际的测量和控制系统中检测到的常是时间、数值都连续变化的物理量，这种连续变化的物理量称之为模拟量，与此对

16、应的电信号是模拟电信号。模拟量要输入到单片机中进行处理，首先要经过模拟量到数字量的转换，单片机才能接收、处理。实现模/数转换的部件称A/D转换器。随着大规模集成电路技术的飞速发展和电子计算机技术在工程领域的广泛应用，为满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同、性能各异的A/D转换电路不断产生。目前世界上有多种类型的ADC，有传统的积分型、并行、逐次逼近型ADC，压频变换型ADC，也有近年来发展起来的型和流水线型。多种类型的ADC各有其优缺点并能满足不同的具体要求。3.3.1ADC集成电路几种类型（1）并行比较A/D转换器：如ADC0808、ADC0809等。并行比较ADC是现今速度最快

17、的模/数转换器，采样速率在1GSPS以上，通常称为“闪烁式”ADC。它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分组成。这种结构的ADC所有位的转换同时完成，其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。缺点是：并行比较式A/D转换的抗干扰能力差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于8位，因此并行比较式A/D只适合于数字示波器等转换速度较快的仪器中，不适合本系统。(2）逐次逼近型A/D转换器：如：ADS7805、ADS7804、ADC0832等。逐次逼近型ADC是应用非常广泛的模/数转换方法，这一类型ADC的优点：高速，采样速率可达1MSPS；与其它ADC相比，功耗相当低；在分辨率低于

18、12位时，价格较低。缺点：在高于14位分辨率情况下，价格较高；传感器产生的信号在进行模/数转换之前需要进行调理，包括增益级和滤波，这样会明显增加成本。(3）积分型A/D转换器：如：ICL7135、ICL7109、ICL1549、MC14433等。积分型ADC又称为双斜率或多斜率ADC，是应用比较广泛的一类转换器。它的基本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。与此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现A/D转换。积分型ADC两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定，因此所得到的表达式与时钟频率无关，其转换精度只取决于参考电压VR。此外

19、，由于输入端采用了积分器，所以对交流噪声的干扰有很强的抑制能力。若把积分器定时积分的时间取为工频信号的整数倍，可把由工频噪声引起的误差减小到最小，从而有效地抑制电网的工频干扰。这类ADC主要应用于低速、精密测量等领域，如数字电压表。其优点是：分辨率高，可达22位；功耗低、成本低。缺点是：转换速率低，转换速率在12位时为100300SPS。（4）压频变换型ADC：其优点是：精度高、价格较低、功耗较低。缺点是：类似于积分型ADC，其转换速率受到限制，12位时为100300SPS。3.3.2A/D转换器的性能指标性能指标是选用ADC芯片型号的依据，也是衡量芯片质量的重要参数，ADC的主要性能指标主要

20、有以下几个：（1）分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。定义为满刻度电压与2（n）之比值，其中n为ADC的位数。例如，A/D转换器AD574的分辨率为12位，即该转换器的输出数据可以用2（12）个二进制数进行量化，其分辨率为1LSB。用百分数来表示分辨率为：1/2（12）100%=（1/4096）100%0.024414%0.0244%。当转换位数相同、而输入电压的满量程值VFS不同时，可分辩的最小电压值不同。例如，分辨率为12位，VFS=5V时，可分辨的最小电压是1.22mV；而VFS=10V时，可分辨的最小电压是2.44mV，当输入电压的变化低于此值时，转换器不能分

21、辨。例如，4.9995V所转换的数字量均为4095。输出为BCD码的A/D转换器一般用位数表示分辨率，例如MC14433双积分式A/D转换器分辨率为3（1/2）位。满度字位为1999，用百分数表示分辨率为：（1/1999）100%=0.05%（2）量化误差在不计其它误差的情况下，一个分辨率有限的ADC的阶梯状转移特性曲线与具有无限分辨率的ADC转移特性曲线之间的最大偏差，称为量化误差。（3）偏移误差输入信号为零时，输出信号不为零的值。（4）满刻度误差是指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输入电压之差。（5）线性度有时又称为非线性度，是指转换器实际的转移函数与理想直线的最大偏移。（6）绝对

22、精度在一个变换器中，任何数码所对应的实际模拟电压与其理想的电压值之差并非是一个常数，把这个差的最大值定义为绝对精度。（7）相对精度把绝对精度中的最大偏差表示为满刻度模拟电压的百分数。3.3.3电子秤A/D转换器的选用电子秤作为法定的计量器具，其技术指标、稳定性、可靠性都有严格的要求，必须符合国家的标准，因此，在设计时对于器件的选择不仅要考虑成本，更要的还要考虑电路的稳定性、实用性。考虑到本系统中对物体重量的测量和使用的场合，精度要求不是很苛刻，转换速率要求也不高，根据系统的精度要求以及综合的分析，本设计采用了ADC0832。ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辩可达256级，可适

23、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05V之间。芯片转换时间仅为32us，具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强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。芯片接口说明：CS片选使能，低电平芯片使能。CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。CHI模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。GND芯片参考0电位（地）。DI数据信号输入，选择通道控制。DO数据信号输出，转换数据输出。CLK芯片时钟输入。Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。图3.4ADC0

24、832引脚图3.4单片机的选择在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的AT89C51、AT89S51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为ATMELAT89xx做的编程器均带有这些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了我们的劳动成果。AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高

25、性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C51单片机特点能与MCS-51兼容，有4K字节可编程闪烁存储器，寿命能够达到1000写/擦循环，数据可以保留时间长达10年，全静态工作：0Hz-24MHz，三级程序存储器锁定，128*8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。所以AT89C51符合本次设计的主控芯片。AT89C51单片机引脚功能：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用

26、于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管

27、脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0RXD

28、（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出

29、的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。图3.5AT89C51引脚图PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部

30、锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.5键盘的选择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。操作者通过键盘向系统发送各种指令或置入必要的数据信息。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

31、信号是输入信号。矩阵式键盘又叫行列式键盘。用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。因此，在按键数量较多时，可以节省I/O口线。相对于专用芯片式可以节省成本，且更为灵活。3.6显示器的选择LCD液晶显示器是LiquidCrystalDisplay的简称，LCD的构造

32、是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：1、显示质量高：由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。2、数字式接口：液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。3、体积小、重量轻、功耗低：液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。由于本次设计的显示模块需