電子秤的設計研究綜述【文獻綜述】

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畢業(yè)論文文獻綜述電子信息工程電子秤的設計研究綜述摘要：目前，由稱重傳感器制作的電子秤衡器類產(chǎn)品已廣泛地應用到各行各業(yè)，實現(xiàn)了對物料的快速、準確的稱量?；陔娮映拥默F(xiàn)狀，本設計擬研究一種用單片機控制的電子秤設計方案，這種電子秤經(jīng)濟性、穩(wěn)定性好，集質量稱量與價格計算功能于一體，能夠滿足商業(yè)貿易和居民家庭的使用需求。關鍵詞：電子秤；傳感器；硬件設計；軟件設計引言隨著科學技術和經(jīng)濟社會的發(fā)展，人們對稱重裝置的要求也越來越高，傳統(tǒng)的機械式杠桿和刀刃的稱重裝置正在為電子稱重裝置所取代，從而進入到傳感器、電子學和微處理器領域，使得稱重裝置成為電子儀器。稱重技術的這種發(fā)展適應了實現(xiàn)稱重工作的自動化和智能化，即實現(xiàn)快速化稱量，進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轉換電路，單片機電路，顯示電路，鍵盤電路，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：電子秤機械秤機電結合秤　?。?）按功能分：計數(shù)秤計價秤計重秤（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　　臺秤：指全稱量在30-300Kg以內的電子秤　　地磅：指全稱量在300Kg以上的電子秤（5）按精確度分類：　　I級：特種天平精密度≥1/10萬基準衡器　　II級：高精度天平1/1萬≤精密度＜1/10萬精密衡器　　III級：中精度天平1/1000≤精密度＜1/1萬工業(yè).商業(yè)衡器IV級：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、電子技術和計算機技術一體化的電子稱量裝置，才能滿足并解決現(xiàn)實生活中提出的“快速、準確、連續(xù)、自動”稱量要求，同時有效地消除人為誤差，使之更符合法制計量管理和工業(yè)生產(chǎn)過程控制的應用要求[3]。2.電子秤的結構及原理日常生活中常用電子秤來秤量物體的質量，它以較高的精確度得到大家的信賴。下面就電子秤的結構和原理作些介紹。電子秤主要是由電橋電路及電阻應變式傳感器組成，在現(xiàn)代測量技術中常常需要將非電量利用傳感器轉變成電量后再進行測量。電阻應變式傳感器是一種利用金屬電阻應變片將應變轉換為電阻變化的傳感器。它一般分為金屬絲式和箔式兩類，這里分別介紹其結構和工作原理，其結構如圖1、2所示：2.1應變式電阻傳感器原理測量力時，可將電阻應變片粘貼在承受被測力的彈性元件上。當力作用在彈性元件上時，它將產(chǎn)生應變，通過粘貼膠將此應變傳遞給電阻應變片，使應變片的電阻產(chǎn)生變化，此現(xiàn)象稱為電阻應變效應。因為彈性元件的應變與所承受的力的大小成比例，所以應用橋式測量電路測出電阻應變片的電阻變化值即可測出力的大小[4]。導體的電阻值可以用下式計算：9 當此應變片兩端受拉或受壓以后，它將發(fā)生變化，對上式進行微分，得：最后通過簡化得到：其中K稱為應變片的靈敏系數(shù)，對于一定材料，它是常數(shù)。稱為應變。通過上式可看出，電阻變化與應變片的應變是成比例的。通過測量電阻的變化，就可測出應變，也就可以測出受力了.接下來通過介紹非平衡電橋的工作原理了解怎樣測量電阻的變化。2.2非平衡電橋的工作原理在測量中常常會因為待測信號很小，所以用一般的測量儀表較難直接測量，因此常把它轉換成電壓變化后再用電測儀器進行測定，這正是利用電橋電路來進行這種變換的。非平衡電橋是利用電橋輸出電流或電壓與電橋各參數(shù)間的關系進行測量的，常用來測量動態(tài)對象。為了消除非線性誤差，在實際中常采用差動電橋[5]。差動電橋分差動半橋和全橋兩種形式，電路圖如圖3所示。在圖3(a)中有兩個應變片，一個受拉，一個受壓，它們的阻值變化大小相等，符號相反.工作時將兩個應變片接在電橋相鄰臂內，這種結構為半橋差動電路.在圖3(b)中粘貼四個工作應變片，兩個受拉，兩個受壓，兩個形變符號相同的應變片接到電橋的相對臂內，符號不同的接到相鄰臂內，這種結構為全橋差動電路。當對稱時，即R1=R2，R3=R4，△R1=△R2，可導出半橋差動電路的輸出電壓為：9 同時，全橋差動電路的輸出電壓為：這樣，當載荷作用W時，產(chǎn)生了：若保證U不變，令C=KAU，可得：同理：這樣，通過測量輸出電壓Uo，就可測出載荷W。3.各種電子秤的設計比較本文介紹的電子秤是通過測量電阻應變片的微小變形來測量被測物體的重量。該系統(tǒng)具有設定單價和計算總價等多種功能，實現(xiàn)了操作智能化，大大減少了人們的腦力勞動。因而，該電子稱重系統(tǒng)是日常經(jīng)貿往來中不可或缺的好幫手。3.1常用電子秤的設計3.1.1總體設計思路硬件電路模塊分為前置放大器模塊、A/D轉換器AD574接口模塊、單片機接口模塊和人機對話模塊。硬件模塊的連接方法是以主機為核心，通過數(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，不斷調用各功能子程序以實現(xiàn)不同的功能。整體設計框圖如圖1所示。3.1.2硬件設計為了減少和克服非線性誤差，本系統(tǒng)采用差動電橋，用直流供電，該電橋輸出電壓為：9 由式⑵可知，U0與ΔR1/R1成線性關系。差動電橋非線性誤差較小，而且電橋電壓靈敏度Ku=E/2，是單臂工作時的兩倍，同時還具有溫度補償?shù)淖饔谩?.1.3軟件設計整個系統(tǒng)軟件設計包括A/D采樣，數(shù)據(jù)處理、按鍵輸入、重量顯示和單價顯示等子程序構成。其流程圖如圖4所示。3.2高精度電子秤的設計3.2.1設計思路基于DSP處理器TMS320LF2407的高精度電子秤稱重，信號采集電路由稱重傳感器、稱重信號調理電路、A/D轉換電路等組成。3.2.2硬件設計（1）A/D轉換電路設計9 本文設計的電子秤內分度為1g，最大秤量為50kg,分度數(shù)為5000，因此A/D轉換電路的分辨率至少為1/50000。考慮到噪聲的影響，實際應用中應設定裕量，一般為最小分辨率的10倍(即能夠分辨出0.1g)，因此A/D轉換電路的分辨率設計為1/500000。此時A/D轉換器至少為19位(19位A/D轉換器的分辨率為1/524288)，本文設計的電子秤采用AnalogDevices公司的24位高精度、低噪聲的△一名型A/D轉換器AD7799[6]完成稱重信號的A/D轉換。圖3為A/D轉換電路原理圖。圖中，AD7799采用差分輸人方式(AIN十、AIN-)，將經(jīng)調理后的稱重信號轉換為數(shù)字信號，.其與稱重傳感器、信號調理電路、DSP處理器TMS320LF2407等構成了分辨率為0.1g的稱重信號采集電路。集成運放UO與電阻R6,R:等組成A/D轉換器的基準電壓發(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，實現(xiàn)與AD7799的數(shù)據(jù)通信。（2）信號調理電路設計調理電路由稱重信號放大電路、低通濾波電路及相關外圍電路組成，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，用以實現(xiàn)稱重傳感器輸出微弱信號(IN1+,IN1一)的放大和低通濾波，并將調理后的信號(AINl+,AINI-)直接傳送至A/D轉換器;集成運放U1采用TI公司的OPA2227，該集成運放具有低噪聲、低漂移、低失調電壓、高共模抑制比(CMRR)、工作頻帶寬等優(yōu)點，很適合微弱信號處理。3.2.3軟件設計9 電子秤的軟件設計主要包括系統(tǒng)初始化子程序、稱重信號采集與處理子程序、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)首先完成稱重信號的實時采集，并進行數(shù)據(jù)預處理，然后根據(jù)保存在DSP內部的各種判別程序(如超量程判別等)處理、顯示處理(如BCD碼轉換、單位轉換等)，獲得最終的稱重結果，通過LCD顯示，并調用語音提示子程序完成稱重結果報讀等提示。若需要與上位機通信，則調用通信子程序，完成與上位機通信功能。3.3體重電子稱的設計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“標定”、“∧”、“＞”。2LED顯示“設定”、“重量”。3.3.1設計思路該電子秤硬件系統(tǒng)由電源模塊、MSP430系列單片機系統(tǒng)、傳感器模塊、控制鍵盤、LED顯示電路等組成。3.3.2硬件設計（1）電源：考慮到技術和開發(fā)研制經(jīng)費因素，本系統(tǒng)采用了線性電源主要由LM317組成。（2）傳感器：電阻應變式壓力傳感器是把電阻應變計粘貼在彈性敏感元件上，然后以適當方式組成電橋的一種將力轉換成電信號的轉換元件。電阻應變式壓力傳感器包括兩個主要部分：一是彈性敏感元件，它把被測的重量轉換成彈性體的應變值；另一是電阻應變計，它作為傳感元件將彈性體的應變同步地轉換為電阻值的變化。電阻應變式稱重傳感器是基于這樣一個原理：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變片（轉換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減小），再經(jīng)相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中的幾個主要部分。（3）單片機：9 本系統(tǒng)采用了MSP430F42520單片機，內集成帶有差動輸入的16位△-∑ADC和增益高達32的可編程運放。（4）數(shù)碼管接口電路：如下圖3.3.3軟件設計系統(tǒng)應用程序由主程序、中斷服務程序和其它子程序組成。在設計中采用模塊化程序設計技術，根據(jù)系統(tǒng)的功能，將軟件分成若干個功能相對獨立的模塊，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、人機接口程序模塊等。4.結論隨著社會的發(fā)展進步，電子秤和電子計價秤因其使用方便、穩(wěn)定性強、精度高的特點，特別是計重計價清楚，容易使消費者明白，公平性強，減少買賣糾紛的優(yōu)勢，在市場和超市被廣泛使用，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價秤。參考文獻[1]肖思寧.精密電子秤設計..廣西物理，2008，29(3):25-30[2]施昌彥.電子稱重技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢.中國衡器網(wǎng)[31吳正毅.測試技術與測試信號處理.北京:清華大學出版社，1991[4]http://www.xzyilong.eom.ICs電子皮帶秤的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[5]趙廣平，孫雯萍，孫建軍.電子稱重技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.儀表技術與傳感器，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.標準規(guī)程，2007，(36)2:36-38[7]王光學，朱白強，胡敏.CCD測量微小位移的研究.光學工程，1994，2l(4):37-1[8]張雄偉，曹鐵勇.DSP芯片的原理與開發(fā)應用(第2版).北京:電子l一業(yè)出版社，2000[9］陸伯勤.電子稱重技術和自動稱重系統(tǒng)的進展［J］.自動化博覽，2009，（1）. 9 [10］閻石.數(shù)字電子技術基礎［M］.北京：高等教育出版社，2005. 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