電子秤的設(shè)計(jì)【文獻(xiàn)綜述】

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畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述電子信息工程電子秤的設(shè)計(jì)前言電子秤（Electronicscale）是采用現(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，與其他事物一樣，也經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由粗糙到精密、由機(jī)械到機(jī)電結(jié)合再到全電子化、由單一功能到多功能的過程[1]。滿足并解決我們現(xiàn)實(shí)生活中提出的“快速、準(zhǔn)確、連續(xù)、自動(dòng)”稱量的要求，同時(shí)有效地消除人為誤差，使之符合法制計(jì)量管理，商業(yè)活動(dòng)和工業(yè)生產(chǎn)過程控制的應(yīng)用要求。稱重技術(shù)自古以來就被人們所重視，作為一種計(jì)量手段，廣泛應(yīng)用與工農(nóng)業(yè)、科研、交通、內(nèi)外貿(mào)易等的各個(gè)領(lǐng)域，與人們的生活緊密相連。電子秤是電子衡器的一種，衡器是國家法定的計(jì)量器具，是國計(jì)民生、國防建設(shè)、科學(xué)研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺少的計(jì)量設(shè)備，衡器產(chǎn)品技術(shù)水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的提高。稱重裝置不僅僅是提供質(zhì)量數(shù)據(jù)的單體儀表，而且作為工業(yè)控制領(lǐng)域和商業(yè)管理領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分，推進(jìn)著工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化以及管理的現(xiàn)代化，起到了縮短作業(yè)時(shí)間、改善操作條件、降低能源和材料的消耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及加強(qiáng)企業(yè)管理、改善經(jīng)營管理等多方面的作用。稱重裝置的應(yīng)用已經(jīng)遍及倒國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。因此，稱重技術(shù)的研究和衡器工業(yè)的發(fā)展每個(gè)國家都非常重視。50年代中期電子技術(shù)的滲入推動(dòng)了衡器制造業(yè)的發(fā)展。60年代初期出現(xiàn)機(jī)電結(jié)合式電子衡器以來，經(jīng)過40多年的不斷改進(jìn)與完善，我國電子衡器從最初的機(jī)電結(jié)合型發(fā)展到現(xiàn)代的全電子型。如今電子衡器制造技術(shù)和應(yīng)用得到了全新的發(fā)展。電子稱重技術(shù)從靜態(tài)稱重到動(dòng)態(tài)稱重發(fā)展；計(jì)量方式從模擬測(cè)量向數(shù)字測(cè)量發(fā)展；測(cè)量特點(diǎn)從單參數(shù)測(cè)量向多參數(shù)測(cè)量發(fā)展。隨著第二次世界大戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，為了把稱重技術(shù)引入到生產(chǎn)工藝過程中去，對(duì)稱重技術(shù)提出了新的要求，希望將稱重過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，為此電子技術(shù)不斷的滲入到衡器制造業(yè)中。在1954年使用了帶新式打印機(jī)的傾斜杠桿式秤，其輸出信號(hào)能控制商用結(jié)算器，并且用電磁機(jī)構(gòu)與代替人工操做的按鍵與辦公機(jī)器連用。在1960年開發(fā)了與衡器相連的專門稱重值打印機(jī)。當(dāng)時(shí)的帶電子裝置的衡器其稱量工作是機(jī)械式的，但與稱重有關(guān)的顯示、記錄、遠(yuǎn)傳式控制器等功能是電子方式的。 主題電子秤的發(fā)展過程[2]與其他事物一樣，也經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由粗糙到精密、由機(jī)械到機(jī)電結(jié)合再到全電子化、由單一功能到多功能的過程。特別是近30年來，工藝流程中的現(xiàn)場(chǎng)稱重、配料定量稱重、以及產(chǎn)品質(zhì)量的檢測(cè)等工作都離不開能輸出電信號(hào)的電子衡器。這是由于電子衡器不僅能給出質(zhì)量或重量的信號(hào)，而且能作為總系統(tǒng)的一個(gè)單元來承擔(dān)著控制和校驗(yàn)的功能，從而推進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易交往的自動(dòng)話和合理化。近年來，電子秤已經(jīng)越來越多的參與到數(shù)據(jù)處理和過程控制中，現(xiàn)代稱重技術(shù)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)已經(jīng)成為工藝制造、儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)、預(yù)包裝技術(shù)、收貨業(yè)務(wù)以及商業(yè)銷售領(lǐng)域中不可或缺的一部分。隨著稱重傳感器各項(xiàng)性能的不斷突破，為電子秤的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，國外如美國、西歐等一些國家在20世紀(jì)60年代就出現(xiàn)了0.1%稱量準(zhǔn)確度的電子秤，并在70年代中期約對(duì)75%的機(jī)械進(jìn)行了機(jī)電結(jié)合時(shí)的電子化改造。在我國，秤的使用已經(jīng)有著兩千多年的歷史，最早的有桿秤、臺(tái)秤、案秤等。我國的衡器行業(yè)是一個(gè)具有漫長(zhǎng)發(fā)展歷史的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和重要的基礎(chǔ)行業(yè)，多年以來都是以機(jī)械型衡器為主，到二十世紀(jì)八十年代開始擴(kuò)大對(duì)電子衡器的使用和對(duì)大型自動(dòng)衡器的研制，但其智能化程度與國外同類產(chǎn)品相比還有一定的差距。近年來伴隨計(jì)算機(jī)在商業(yè)領(lǐng)域的滲透，單片機(jī)的應(yīng)用也正在隨之不斷地走向深入。于是，電子秤作為一種精確、智能、便捷、明了、可靠的稱量?jī)x器，在我們現(xiàn)代快節(jié)奏的生活中應(yīng)運(yùn)而生，并在商業(yè)活動(dòng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。所以我們需要研制出一種高精度的數(shù)字電子秤。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，我了解到一個(gè)電子秤最重要的部分為稱重傳感器，還有就是處理器也就是我的設(shè)計(jì)中用到的單片機(jī)。單片機(jī)也被稱為微控制器[3]（Microcontroller），誕生于20世紀(jì)70年代末，最早被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。經(jīng)歷了SCM、MCU、SOC三大階段?！　?.SCM即單片微型計(jì)算機(jī)（SingleChipMicrocomputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。“創(chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計(jì)算機(jī)完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展道路上，Intel公司功不可沒?！?.MCU即微控制器（MicroController Unit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴(kuò)展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時(shí)，對(duì)象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對(duì)象的智能化控制能力。它所涉及的領(lǐng)域都與對(duì)象系統(tǒng)相關(guān)，因此，發(fā)展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠家。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展MCU方面，最著名的廠家當(dāng)數(shù)Philips公司。Philips公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢(shì)，將MCS-51從單片微型計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展到微控制器。因此，當(dāng)我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時(shí)，不要忘記Intel和Philips的歷史功績(jī)?！　?.單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機(jī)的發(fā)展自然形成了SOC化趨勢(shì)。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計(jì)、EDA工具的發(fā)展，基于SOC的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)有較大的發(fā)展。因此，對(duì)單片機(jī)的理解可以從單片微型計(jì)算機(jī)、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。單片機(jī)最早的設(shè)計(jì)理念[4]是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設(shè)計(jì)出的處理器，從此以后，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。早期的單片機(jī)都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因?yàn)楹?jiǎn)單可靠而性能不錯(cuò)獲得了很大的好評(píng)。此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機(jī)系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢r(jià)比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90年代后隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大提高。隨著INTELi960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機(jī)迅速取代16位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場(chǎng)。而傳統(tǒng)的8位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的32位單片機(jī)主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號(hào)出廠價(jià)格跌落至1美元，最高端的型號(hào)也只有10美元。當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。下面介紹下電子秤的基本功作原理[5]為：當(dāng)物體放置在秤體的秤臺(tái)上時(shí)，其質(zhì)量便通過秤體傳遞到稱重傳感器，傳感器隨之產(chǎn)生力電效應(yīng)，將物體的重量轉(zhuǎn)換成與被稱物體質(zhì)量成一定函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)（電壓或者電流}。此信號(hào)經(jīng)由放大電路進(jìn)行放大，經(jīng)濾波后再由模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號(hào)再送到微處理器的CPU（單片機(jī)）進(jìn)行處理，CPU不斷掃描鍵盤和各種功能開關(guān)，根據(jù)鍵盤輸入內(nèi)容和各種功能開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行必要的判斷、分析，由儀表的軟件來控制各種運(yùn)算。運(yùn)算的結(jié)果送到內(nèi)存儲(chǔ)器，需要顯示時(shí)，CPU發(fā)出指令，從內(nèi)存儲(chǔ)器中讀出送到顯示器，或送打印機(jī)打印。一般的信號(hào)的放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換以及信號(hào)的各類運(yùn)算處理都在儀表中完成。稱重傳感器[6] 是由非電量（質(zhì)量或重量）轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，是將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)輸出的裝置，它是把支撐力變換成電或者其他形式的適合與計(jì)量求值的信號(hào)所用的一種輔助手段。按照稱重傳感器的結(jié)構(gòu)型式不同，可以分為直接位移傳感器（電容式、電感式、電位計(jì)式、振弦式、空腔諧振器式等）和應(yīng)變傳感器（電阻應(yīng)變式、聲表面諧振式）或是利用磁彈性、電壓或電阻等物理效應(yīng)的傳感器。按轉(zhuǎn)換方法分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動(dòng)式、陀螺儀式、電陰應(yīng)變式等，其中以電阻應(yīng)變式使用最廣。電阻應(yīng)變式傳感器[7]利用電阻應(yīng)變片變形時(shí)其電阻也隨之改變的原理工作。主要由彈性元件、電阻應(yīng)變片、測(cè)量電路和傳輸電纜四部分組成。電阻應(yīng)變片貼在彈性元件上，彈性元件受力變形時(shí)，其上的應(yīng)變片隨之變形，并導(dǎo)致電阻改變。測(cè)量電路測(cè)出應(yīng)變片電阻的變化并變換為與外力大小成比例的電信號(hào)輸出。電信號(hào)經(jīng)處理后以數(shù)字形式顯示出被測(cè)物的質(zhì)量。電阻應(yīng)變式傳感器的稱量范圍為300克至數(shù)千千克，計(jì)量準(zhǔn)確度達(dá)1/1000～1/10000，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，而且可靠性較好，所以大部分電子衡器均使用此傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器（straingaugetypetransducer）以電阻應(yīng)變計(jì)為轉(zhuǎn)換元件的電阻式傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變計(jì)、補(bǔ)償電阻和外殼組成，可根據(jù)具體測(cè)量要求設(shè)計(jì)成多種結(jié)構(gòu)形式。常用的電阻應(yīng)變式傳感器有應(yīng)變式測(cè)力傳感器、應(yīng)變式壓力傳感器、應(yīng)變式扭矩傳感器、應(yīng)變式位移傳感器、應(yīng)變式加速度傳感器和測(cè)溫應(yīng)變計(jì)等。彈性敏感元件受到所測(cè)量的力而產(chǎn)生變形，并使附著其上的電阻應(yīng)變計(jì)一起變形。電阻應(yīng)變計(jì)再將變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，從而可以測(cè)量力、壓力、扭矩、位移、加速度和溫度等多種物理量。電阻應(yīng)變式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是精度高，測(cè)量范圍廣，使用壽命長(zhǎng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實(shí)現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化。但同時(shí)它也存在許多不足，對(duì)于大應(yīng)變有較大的非線性、輸出信號(hào)較弱，不過可以采取一定的補(bǔ)償措施[8]。 在文獻(xiàn)施漢謙《電子秤技術(shù)》中說到一個(gè)理想電子秤的精度及誤差問題，我認(rèn)為在我們做畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候由于條件等各方面的原因，不可能達(dá)到理想中的要求，所以應(yīng)當(dāng)盡量減小誤差。精度的影響主要取決于傳感器的選擇，另外還有很多因素下面做詳細(xì)介紹。我認(rèn)為現(xiàn)實(shí)中設(shè)計(jì)一個(gè)電子秤要注意的誤差影響因素有這樣幾方面：（1）重物的沖擊對(duì)電子秤測(cè)量精度的影響。電子秤在使用的過程中會(huì)受到重物對(duì)稱重盤的沖擊，盡管在秤體結(jié)構(gòu)和傳感器的設(shè)計(jì)中采取了防撞限位措施，但劇烈的沖擊可能將使傳感器的限位措施受到損害，同時(shí)使當(dāng)前的測(cè)量值遠(yuǎn)大于重物實(shí)際的重量。因此在使用的過程中，稱重的物體應(yīng)盡量輕放，尤其是硬、重物體更應(yīng)該輕拿輕放，以免對(duì)秤體產(chǎn)生沖擊而影響其準(zhǔn)確度。（2）附加物對(duì)電子秤稱量精度的影響。電子秤在使用的過程中，為了方便起見，附加秤盤是最普遍的現(xiàn)象，因此在設(shè)計(jì)的過程中選擇稱重傳感器是，要考慮到附加秤盤的質(zhì)量，詳情會(huì)在正文中傳感器的選擇中具體解釋。（3）振動(dòng)和風(fēng)力對(duì)電子秤稱量精度的影響。振動(dòng)和風(fēng)力對(duì)小量程的電子秤精度影響比較大，例如一個(gè)最大量程為200g的電子秤，外界震動(dòng)以及風(fēng)力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，會(huì)使最后結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差。但相對(duì)大量程的電子秤，比如本設(shè)計(jì)最大量程30kg，該因素的影響則可以基本忽略。（4）環(huán)境溫度濕度對(duì)電子秤稱量精度的影響。在商業(yè)活動(dòng)中使用的成品電子秤，為了使傳感器能夠適應(yīng)溫度的變化，增添了溫度補(bǔ)償功能，使傳感器具備對(duì)輸出零點(diǎn)的輸出靈敏系統(tǒng)的自動(dòng)補(bǔ)償功能，使之能自動(dòng)根據(jù)環(huán)境溫度的變化來補(bǔ)償變量。但本設(shè)計(jì)在構(gòu)思的時(shí)候根據(jù)自身情況并沒有加入該功能，因此，要避免本系統(tǒng)在超高溫或低溫環(huán)境中工作，盡量避免外界環(huán)境溫度對(duì)其測(cè)量精度的影響。具體的問題還要等在實(shí)際做實(shí)物的時(shí)候考慮，碰到困難再具體分析，逐個(gè)攻破?？偨Y(jié)通過這些天對(duì)電子秤相關(guān)文獻(xiàn)資料的查閱和收集，我經(jīng)過總結(jié)，知道稱重技術(shù)從最初的發(fā)展至今已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪兄陵P(guān)重要的一部分。當(dāng)電子稱重方法進(jìn)入人們的視線時(shí)，我們的生活也在進(jìn)行生著日新月異的變化。隨著時(shí)間的推移，集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)在不斷革新與完善，使電子儀器的整體水平發(fā)生巨大的變化，傳統(tǒng)的儀器逐步被智能儀器所取代。智能儀器的核心部件是單片機(jī)，它可以嵌入到任何對(duì)象體系中去，實(shí)現(xiàn)智能化控制。集成器件級(jí)的低價(jià)位，低到幾元、十幾元，足以使單片機(jī)普及到許多民用家電、電子玩具中去。單片機(jī)構(gòu)成的現(xiàn)代電子系統(tǒng)已深入到各家各戶，正改變我們的生活。電子稱重以及電子秤的出現(xiàn)滿足了我們生活中對(duì)稱重“快速、準(zhǔn)確、連續(xù)、自動(dòng)”的要求，使我們的生活更加便捷，成為現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)中不可或缺的重要組成部分。通過對(duì)電子秤相關(guān)資料的查閱與整理，我們深深的感到，電子秤必然代替機(jī)械秤。電子秤會(huì)隨著我國的改革開放和企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，不斷地應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門。隨著稱重傳感器的開發(fā)，以及高精度高性能單片機(jī)為核心的尖端技術(shù)，電子秤領(lǐng)域會(huì)有一個(gè)大的發(fā)展，縮短與其他發(fā)達(dá)國家的差距，滿足我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要。通過完成這個(gè)電子秤的設(shè)計(jì)，使我對(duì)電子秤以及稱重衡器這一領(lǐng)域有了更多的了解，爭(zhēng)取把我的設(shè)計(jì)做到最好。參考文獻(xiàn)[1]施漢謙.電子秤技術(shù)[J].中國計(jì)量出版社.1991.[2]何小艇.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)[第三版][M].浙江大學(xué)出版社.2004.[3]樓然苗.51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例[第二版][M].北京航空航天大學(xué)出版社.2008.[4]王幸之.AT89系列單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京航天航空出版社.2006.[5]馬心凱.基于FPGA的實(shí)用電子秤[J].低壓電器P15～23.2006.[6]王素珍,鄭淑芬，周梅．稱重配料系統(tǒng)傳感器電源及放大電路[J].傳感器技術(shù).2006.[7]盧京潮.自動(dòng)控制原理[第二版].西北工業(yè)大學(xué)出版社.2008. 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