電子秤的設(shè)計(jì)研究綜述【文獻(xiàn)綜述】

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畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述電子信息工程電子秤的設(shè)計(jì)研究綜述摘要：目前，由稱重傳感器制作的電子秤衡器類產(chǎn)品已廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料的快速、準(zhǔn)確的稱量?；陔娮映拥默F(xiàn)狀，本設(shè)計(jì)擬研究一種用單片機(jī)控制的電子秤設(shè)計(jì)方案，這種電子秤經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性好，集質(zhì)量稱量與價(jià)格計(jì)算功能于一體，能夠滿足商業(yè)貿(mào)易和居民家庭的使用需求。關(guān)鍵詞：電子秤；傳感器；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)引言隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)稱重裝置的要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的機(jī)械式杠桿和刀刃的稱重裝置正在為電子稱重裝置所取代，從而進(jìn)入到傳感器、電子學(xué)和微處理器領(lǐng)域，使得稱重裝置成為電子儀器。稱重技術(shù)的這種發(fā)展適應(yīng)了實(shí)現(xiàn)稱重工作的自動(dòng)化和智能化，即實(shí)現(xiàn)快速化稱量，進(jìn)一步提高稱量的精確度和數(shù)據(jù)的處理速度的需求。1.電子秤的概念及分類1.1電子秤的概念電子秤是以電子元件：稱重傳感器，放大電路,AD轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)電路，顯示電路，鍵盤(pán)電路，通訊接口電路，穩(wěn)壓電源電路等電路組成的一種電子計(jì)量器械，主要用于日常生活中的稱重也稱稱重器[1]。1.2電子秤的分類[2]（1）按原理分：電子秤機(jī)械秤機(jī)電結(jié)合秤　?。?）按功能分：計(jì)數(shù)秤計(jì)價(jià)秤計(jì)重秤（3）按用途分：工業(yè)秤商業(yè)秤特種秤9 （4）按放置位置分類：　　桌面秤指全稱量在30Kg以下的電子秤　　臺(tái)秤：指全稱量在30-300Kg以內(nèi)的電子秤　　地磅：指全稱量在300Kg以上的電子秤（5）按精確度分類：　　I級(jí)：特種天平精密度≥1/10萬(wàn)基準(zhǔn)衡器　　II級(jí)：高精度天平1/1萬(wàn)≤精密度＜1/10萬(wàn)精密衡器　　III級(jí)：中精度天平1/1000≤精密度＜1/1萬(wàn)工業(yè).商業(yè)衡器IV級(jí)：普通秤1/100≤精密度＜1/1000粗衡器1.按放置位置分類1.3電子秤的功能電子秤采用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)一體化的電子稱量裝置，才能滿足并解決現(xiàn)實(shí)生活中提出的“快速、準(zhǔn)確、連續(xù)、自動(dòng)”稱量要求，同時(shí)有效地消除人為誤差，使之更符合法制計(jì)量管理和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的應(yīng)用要求[3]。2.電子秤的結(jié)構(gòu)及原理日常生活中常用電子秤來(lái)秤量物體的質(zhì)量，它以較高的精確度得到大家的信賴。下面就電子秤的結(jié)構(gòu)和原理作些介紹。電子秤主要是由電橋電路及電阻應(yīng)變式傳感器組成，在現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)中常常需要將非電量利用傳感器轉(zhuǎn)變成電量后再進(jìn)行測(cè)量。電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用金屬電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。它一般分為金屬絲式和箔式兩類，這里分別介紹其結(jié)構(gòu)和工作原理，其結(jié)構(gòu)如圖1、2所示：2.1應(yīng)變式電阻傳感器原理測(cè)量力時(shí)，可將電阻應(yīng)變片粘貼在承受被測(cè)力的彈性元件上。當(dāng)力作用在彈性元件上時(shí)，它將產(chǎn)生應(yīng)變，通過(guò)粘貼膠將此應(yīng)變傳遞給電阻應(yīng)變片，使應(yīng)變片的電阻產(chǎn)生變化，此現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。因?yàn)閺椥栽膽?yīng)變與所承受的力的大小成比例，所以應(yīng)用橋式測(cè)量電路測(cè)出電阻應(yīng)變片的電阻變化值即可測(cè)出力的大小[4]。導(dǎo)體的電阻值可以用下式計(jì)算：9 當(dāng)此應(yīng)變片兩端受拉或受壓以后，它將發(fā)生變化，對(duì)上式進(jìn)行微分，得：最后通過(guò)簡(jiǎn)化得到：其中K稱為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，對(duì)于一定材料，它是常數(shù)。稱為應(yīng)變。通過(guò)上式可看出，電阻變化與應(yīng)變片的應(yīng)變是成比例的。通過(guò)測(cè)量電阻的變化，就可測(cè)出應(yīng)變，也就可以測(cè)出受力了.接下來(lái)通過(guò)介紹非平衡電橋的工作原理了解怎樣測(cè)量電阻的變化。2.2非平衡電橋的工作原理在測(cè)量中常常會(huì)因?yàn)榇郎y(cè)信號(hào)很小，所以用一般的測(cè)量?jī)x表較難直接測(cè)量，因此常把它轉(zhuǎn)換成電壓變化后再用電測(cè)儀器進(jìn)行測(cè)定，這正是利用電橋電路來(lái)進(jìn)行這種變換的。非平衡電橋是利用電橋輸出電流或電壓與電橋各參數(shù)間的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量的，常用來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)對(duì)象。為了消除非線性誤差，在實(shí)際中常采用差動(dòng)電橋[5]。差動(dòng)電橋分差動(dòng)半橋和全橋兩種形式，電路圖如圖3所示。在圖3(a)中有兩個(gè)應(yīng)變片，一個(gè)受拉，一個(gè)受壓，它們的阻值變化大小相等，符號(hào)相反.工作時(shí)將兩個(gè)應(yīng)變片接在電橋相鄰臂內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)為半橋差動(dòng)電路.在圖3(b)中粘貼四個(gè)工作應(yīng)變片，兩個(gè)受拉，兩個(gè)受壓，兩個(gè)形變符號(hào)相同的應(yīng)變片接到電橋的相對(duì)臂內(nèi)，符號(hào)不同的接到相鄰臂內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)為全橋差動(dòng)電路。當(dāng)對(duì)稱時(shí)，即R1=R2，R3=R4，△R1=△R2，可導(dǎo)出半橋差動(dòng)電路的輸出電壓為：9 同時(shí)，全橋差動(dòng)電路的輸出電壓為：這樣，當(dāng)載荷作用W時(shí)，產(chǎn)生了：若保證U不變，令C=KAU，可得：同理：這樣，通過(guò)測(cè)量輸出電壓Uo，就可測(cè)出載荷W。3.各種電子秤的設(shè)計(jì)比較本文介紹的電子秤是通過(guò)測(cè)量電阻應(yīng)變片的微小變形來(lái)測(cè)量被測(cè)物體的重量。該系統(tǒng)具有設(shè)定單價(jià)和計(jì)算總價(jià)等多種功能，實(shí)現(xiàn)了操作智能化，大大減少了人們的腦力勞動(dòng)。因而，該電子稱重系統(tǒng)是日常經(jīng)貿(mào)往來(lái)中不可或缺的好幫手。3.1常用電子秤的設(shè)計(jì)3.1.1總體設(shè)計(jì)思路硬件電路模塊分為前置放大器模塊、A/D轉(zhuǎn)換器AD574接口模塊、單片機(jī)接口模塊和人機(jī)對(duì)話模塊。硬件模塊的連接方法是以主機(jī)為核心，通過(guò)數(shù)據(jù)線和控制線連接其它功能模塊。軟件模塊可分為主程序循環(huán)模塊、采樣子程序模塊、按鍵子程序模塊、顯示子程序模塊和延時(shí)子程序模塊。軟件模塊的連接方法是以主程序循環(huán)為核心，不斷調(diào)用各功能子程序以實(shí)現(xiàn)不同的功能。整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。3.1.2硬件設(shè)計(jì)為了減少和克服非線性誤差，本系統(tǒng)采用差動(dòng)電橋，用直流供電，該電橋輸出電壓為：9 由式⑵可知，U0與ΔR1/R1成線性關(guān)系。差動(dòng)電橋非線性誤差較小，而且電橋電壓靈敏度Ku=E/2，是單臂工作時(shí)的兩倍，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?.1.3軟件設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括A/D采樣，數(shù)據(jù)處理、按鍵輸入、重量顯示和單價(jià)顯示等子程序構(gòu)成。其流程圖如圖4所示。3.2高精度電子秤的設(shè)計(jì)3.2.1設(shè)計(jì)思路基于DSP處理器TMS320LF2407的高精度電子秤稱重，信號(hào)采集電路由稱重傳感器、稱重信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等組成。3.2.2硬件設(shè)計(jì)（1）A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)9 本文設(shè)計(jì)的電子秤內(nèi)分度為1g，最大秤量為50kg,分度數(shù)為5000，因此A/D轉(zhuǎn)換電路的分辨率至少為1/50000?？紤]到噪聲的影響，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)設(shè)定裕量，一般為最小分辨率的10倍(即能夠分辨出0.1g)，因此A/D轉(zhuǎn)換電路的分辨率設(shè)計(jì)為1/500000。此時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器至少為19位(19位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為1/524288)，本文設(shè)計(jì)的電子秤采用AnalogDevices公司的24位高精度、低噪聲的△一名型A/D轉(zhuǎn)換器AD7799[6]完成稱重信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換。圖3為A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖。圖中，AD7799采用差分輸人方式(AIN十、AIN-)，將經(jīng)調(diào)理后的稱重信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，.其與稱重傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、DSP處理器TMS320LF2407等構(gòu)成了分辨率為0.1g的稱重信號(hào)采集電路。集成運(yùn)放UO與電阻R6,R:等組成A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓發(fā)生器，其輸出VHF=2.5V;AD7799具有SPI接口，DSP利用IOPC2,IOPC3,IOPC4模擬SPI總線，實(shí)現(xiàn)與AD7799的數(shù)據(jù)通信。（2）信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)調(diào)理電路由稱重信號(hào)放大電路、低通濾波電路及相關(guān)外圍電路組成，其原理如圖4所示。圖中，U2(包括U2A和U2B),R3,R,,R5,C,,幾等組成雙端輸人雙端輸出的儀用放大器與低通濾波器，這種儀用放大器具有低噪聲、高輸人阻抗、低箱出阻抗等優(yōu)點(diǎn)，用以實(shí)現(xiàn)稱重傳感器輸出微弱信號(hào)(IN1+,IN1一)的放大和低通濾波，并將調(diào)理后的信號(hào)(AINl+,AINI-)直接傳送至A/D轉(zhuǎn)換器;集成運(yùn)放U1采用TI公司的OPA2227，該集成運(yùn)放具有低噪聲、低漂移、低失調(diào)電壓、高共模抑制比(CMRR)、工作頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，很適合微弱信號(hào)處理。3.2.3軟件設(shè)計(jì)9 電子秤的軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)初始化子程序、稱重信號(hào)采集與處理子程序、功能鍵處理子程序、顯示子程序、通信子程序等。下圖為電子秤主程序流程框圖，圖中，系統(tǒng)首先完成稱重信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后根據(jù)保存在DSP內(nèi)部的各種判別程序(如超量程判別等)處理、顯示處理(如BCD碼轉(zhuǎn)換、單位轉(zhuǎn)換等)，獲得最終的稱重結(jié)果，通過(guò)LCD顯示，并調(diào)用語(yǔ)音提示子程序完成稱重結(jié)果報(bào)讀等提示。若需要與上位機(jī)通信，則調(diào)用通信子程序，完成與上位機(jī)通信功能。3.3體重電子稱的設(shè)計(jì)該電子秤的稱重范圍在0～100kg，最小分辨率20g，4位數(shù)碼管顯示。3按鍵包括“標(biāo)定”、“∧”、“＞”。2LED顯示“設(shè)定”、“重量”。3.3.1設(shè)計(jì)思路該電子秤硬件系統(tǒng)由電源模塊、MSP430系列單片機(jī)系統(tǒng)、傳感器模塊、控制鍵盤(pán)、LED顯示電路等組成。3.3.2硬件設(shè)計(jì)（1）電源：考慮到技術(shù)和開(kāi)發(fā)研制經(jīng)費(fèi)因素，本系統(tǒng)采用了線性電源主要由LM317組成。（2）傳感器：電阻應(yīng)變式壓力傳感器是把電阻應(yīng)變計(jì)粘貼在彈性敏感元件上，然后以適當(dāng)方式組成電橋的一種將力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的轉(zhuǎn)換元件。電阻應(yīng)變式壓力傳感器包括兩個(gè)主要部分：一是彈性敏感元件，它把被測(cè)的重量轉(zhuǎn)換成彈性體的應(yīng)變值；另一是電阻應(yīng)變計(jì)，它作為傳感元件將彈性體的應(yīng)變同步地轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個(gè)原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。俳?jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過(guò)程。電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測(cè)電路是電阻應(yīng)變式稱重傳感器中的幾個(gè)主要部分。（3）單片機(jī)：9 本系統(tǒng)采用了MSP430F42520單片機(jī)，內(nèi)集成帶有差動(dòng)輸入的16位△-∑ADC和增益高達(dá)32的可編程運(yùn)放。（4）數(shù)碼管接口電路：如下圖3.3.3軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用程序由主程序、中斷服務(wù)程序和其它子程序組成。在設(shè)計(jì)中采用模塊化程序設(shè)計(jì)技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)的功能，將軟件分成若干個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的模塊，包括系統(tǒng)初始化程序模塊、數(shù)據(jù)采集和處理程序模塊、人機(jī)接口程序模塊等。4.結(jié)論隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，電子秤和電子計(jì)價(jià)秤因其使用方便、穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高的特點(diǎn)，特別是計(jì)重計(jì)價(jià)清楚，容易使消費(fèi)者明白，公平性強(qiáng)，減少買(mǎi)賣(mài)糾紛的優(yōu)勢(shì)，在市場(chǎng)和超市被廣泛使用，甚至在偏僻的農(nóng)村小超市、小商店都已普遍使用電子秤和電子計(jì)價(jià)秤。參考文獻(xiàn)[1]肖思寧.精密電子秤設(shè)計(jì)..廣西物理，2008，29(3):25-30[2]施昌彥.電子稱重技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì).中國(guó)衡器網(wǎng)[31吳正毅.測(cè)試技術(shù)與測(cè)試信號(hào)處理.北京:清華大學(xué)出版社，1991[4]http://www.xzyilong.eom.ICs電子皮帶秤的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[5]趙廣平，孫雯萍，孫建軍.電子稱重技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).儀表技術(shù)與傳感器，2007，(7):76-77[6]儀蕾，鄭柏松，王振文.貴重金屬及寶石的稱重要求和配備衡器.標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程，2007，(36)2:36-38[7]王光學(xué)，朱白強(qiáng)，胡敏.CCD測(cè)量微小位移的研究.光學(xué)工程，1994，2l(4):37-1[8]張雄偉，曹鐵勇.DSP芯片的原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用(第2版).北京:電子l一業(yè)出版社，2000[9］陸伯勤.電子稱重技術(shù)和自動(dòng)稱重系統(tǒng)的進(jìn)展［J］.自動(dòng)化博覽，2009，（1）. 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