电子秤的设计研究综述【文献综述】

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毕业论文文献综述电子信息工程电子秤的设计研究综述摘要：目前，由称重传感器制作的电子秤衡器类产品已广泛地应用到各行各业，实现了对物料的快速、准确的称量。基于电子秤的现状，本设计拟研究一种用单片机控制的电子秤设计方案，这种电子秤经济性、稳定性好，集质量称量与价格计算功能于一体，能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。关键词：电子秤；传感器；硬件设计；软件设计引言随着科学技术和经济社会的发展，人们对称重装置的要求也越来越高，传统的机械式杠杆和刀刃的称重装置正在为电子称重装置所取代，从而进入到传感器、电子学和微处理器领域，使得称重装置成为电子仪器。称重技术的这种发展适应了实现称重工作的自动化和智能化，即实现快速化称量，进一步提高称量的精确度和数据的处理速度的需求。1.电子秤的概念及分类1.1电子秤的概念电子秤是以电子元件：称重传感器，放大电路,AD转换电路，单片机电路，显示电路，键盘电路，通讯接口电路，稳压电源电路等电路组成的一种电子计量器械，主要用于日常生活中的称重也称称重器[1]。1.2电子秤的分类[2]（1）按原理分：电子秤机械秤机电结合秤　　（2）按功能分：计数秤计价秤计重秤（3）按用途分：工业秤商业秤特种秤9 （4）按放置位置分类：　　桌面秤指全称量在30Kg以下的电子秤　　台秤：指全称量在30-300Kg以内的电子秤　　地磅：指全称量在300Kg以上的电子秤（5）按精确度分类：　　I级：特种天平精密度≥1/10万基准衡器　　II级：高精度天平1/1万≤精密度＜1/10万精密衡器　　III级：中精度天平1/1000≤精密度＜1/1万工业.商业衡器IV级：普通秤1/100≤精密度＜1/1000粗衡器1.按放置位置分类1.3电子秤的功能电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，才能满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动”称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求[3]。2.电子秤的结构及原理日常生活中常用电子秤来秤量物体的质量，它以较高的精确度得到大家的信赖。下面就电子秤的结构和原理作些介绍。电子秤主要是由电桥电路及电阻应变式传感器组成，在现代测量技术中常常需要将非电量利用传感器转变成电量后再进行测量。电阻应变式传感器是一种利用金属电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。它一般分为金属丝式和箔式两类，这里分别介绍其结构和工作原理，其结构如图1、2所示：2.1应变式电阻传感器原理测量力时，可将电阻应变片粘贴在承受被测力的弹性元件上。当力作用在弹性元件上时，它将产生应变，通过粘贴胶将此应变传递给电阻应变片，使应变片的电阻产生变化，此现象称为电阻应变效应。因为弹性元件的应变与所承受的力的大小成比例，所以应用桥式测量电路测出电阻应变片的电阻变化值即可测出力的大小[4]。导体的电阻值可以用下式计算：9 当此应变片两端受拉或受压以后，它将发生变化，对上式进行微分，得：最后通过简化得到：其中K称为应变片的灵敏系数，对于一定材料，它是常数。称为应变。通过上式可看出，电阻变化与应变片的应变是成比例的。通过测量电阻的变化，就可测出应变，也就可以测出受力了.接下来通过介绍非平衡电桥的工作原理了解怎样测量电阻的变化。2.2非平衡电桥的工作原理在测量中常常会因为待测信号很小，所以用一般的测量仪表较难直接测量，因此常把它转换成电压变化后再用电测仪器进行测定，这正是利用电桥电路来进行这种变换的。非平衡电桥是利用电桥输出电流或电压与电桥各参数间的关系进行测量的，常用来测量动态对象。为了消除非线性误差，在实际中常采用差动电桥[5]。差动电桥分差动半桥和全桥两种形式，电路图如图3所示。在图3(a)中有两个应变片，一个受拉，一个受压，它们的阻值变化大小相等，符号相反.工作时将两个应变片接在电桥相邻臂内，这种结构为半桥差动电路.在图3(b)中粘贴四个工作应变片，两个受拉，两个受压，两个形变符号相同的应变片接到电桥的相对臂内，符号不同的接到相邻臂内，这种结构为全桥差动电路。当对称时，即R1=R2，R3=R4，△R1=△R2，可导出半桥差动电路的输出电压为：9 同时，全桥差动电路的输出电压为：这样，当载荷作用W时，产生了：若保证U不变，令C=KAU，可得：同理：这样，通过测量输出电压Uo，就可测出载荷W。3.各种电子秤的设计比较本文介绍的电子秤是通过测量电阻应变片的微小变形来测量被测物体的重量。该系统具有设定单价和计算总价等多种功能，实现了操作智能化，大大减少了人们的脑力劳动。因而，该电子称重系统是日常经贸往来中不可或缺的好帮手。3.1常用电子秤的设计3.1.1总体设计思路硬件电路模块分为前置放大器模块、A/D转换器AD574接口模块、单片机接口模块和人机对话模块。硬件模块的连接方法是以主机为核心，通过数据线和控制线连接其它功能模块。软件模块可分为主程序循环模块、采样子程序模块、按键子程序模块、显示子程序模块和延时子程序模块。软件模块的连接方法是以主程序循环为核心，不断调用各功能子程序以实现不同的功能。整体设计框图如图1所示。3.1.2硬件设计为了减少和克服非线性误差，本系统采用差动电桥，用直流供电，该电桥输出电压为：9 由式⑵可知，U0与ΔR1/R1成线性关系。差动电桥非线性误差较小，而且电桥电压灵敏度Ku=E/2，是单臂工作时的两倍，同时还具有温度补偿的作用。3.1.3软件设计整个系统软件设计包括A/D采样，数据处理、按键输入、重量显示和单价显示等子程序构成。其流程图如图4所示。3.2高精度电子秤的设计3.2.1设计思路基于DSP处理器TMS320LF2407的高精度电子秤称重，信号采集电路由称重传感器、称重信号调理电路、A/D转换电路等组成。3.2.2硬件设计（1）A/D转换电路设计9 本文设计的电子秤内分度为1g，最大秤量为50kg,分度数为5000，因此A/D转换电路的分辨率至少为1/50000。考虑到噪声的影响，实际应用中应设定裕量，一般为最小分辨率的10倍(即能够分辨出0.1g)，因此A/D转换电路的分辨率设计为1/500000。此时A/D转换器至少为19位(19位A/D转换器的分辨率为1/524288)，本文设计的电子秤采用AnalogDevices公司的24位高精度、低噪声的△一名型A/D转换器AD7799[6]完成称重信号的A/D转换。图3为A/D转换电路原理图。图中，AD7799采用差分输人方式(AIN十、AIN-)，将经调理后的称重信号转换为数字信号，.其与称重传感器、信号调理电路、DSP处理器TMS320LF2407等构成了分辨率为0.1g的称重信号采集电路。集成运放UO与电阻R6,R:等组成A/D转换器的基准电压发生器，其输出VHF=2.5V;AD7799具有SPI接口，DSP利用IOPC2,IOPC3,IOPC4模拟SPI总线，实现与AD7799的数据通信。（2）信号调理电路设计调理电路由称重信号放大电路、低通滤波电路及相关外围电路组成，其原理如图4所示。图中，U2(包括U2A和U2B),R3,R,,R5,C,,几等组成双端输人双端输出的仪用放大器与低通滤波器，这种仪用放大器具有低噪声、高输人阻抗、低箱出阻抗等优点，用以实现称重传感器输出微弱信号(IN1+,IN1一)的放大和低通滤波，并将调理后的信号(AINl+,AINI-)直接传送至A/D转换器;集成运放U1采用TI公司的OPA2227，该集成运放具有低噪声、低漂移、低失调电压、高共模抑制比(CMRR)、工作频带宽等优点，很适合微弱信号处理。3.2.3软件设计9 电子秤的软件设计主要包括系统初始化子程序、称重信号采集与处理子程序、功能键处理子程序、显示子程序、通信子程序等。下图为电子秤主程序流程框图，图中，系统首先完成称重信号的实时采集，并进行数据预处理，然后根据保存在DSP内部的各种判别程序(如超量程判别等)处理、显示处理(如BCD码转换、单位转换等)，获得最终的称重结果，通过LCD显示，并调用语音提示子程序完成称重结果报读等提示。若需要与上位机通信，则调用通信子程序，完成与上位机通信功能。3.3体重电子称的设计该电子秤的称重范围在0～100kg，最小分辨率20g，4位数码管显示。3按键包括“标定”、“∧”、“＞”。2LED显示“设定”、“重量”。3.3.1设计思路该电子秤硬件系统由电源模块、MSP430系列单片机系统、传感器模块、控制键盘、LED显示电路等组成。3.3.2硬件设计（1）电源：考虑到技术和开发研制经费因素，本系统采用了线性电源主要由LM317组成。（2）传感器：电阻应变式压力传感器是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，然后以适当方式组成电桥的一种将力转换成电信号的转换元件。电阻应变式压力传感器包括两个主要部分：一是弹性敏感元件，它把被测的重量转换成弹性体的应变值；另一是电阻应变计，它作为传感元件将弹性体的应变同步地转换为电阻值的变化。电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中的几个主要部分。（3）单片机：9 本系统采用了MSP430F42520单片机，内集成带有差动输入的16位△-∑ADC和增益高达32的可编程运放。（4）数码管接口电路：如下图3.3.3软件设计系统应用程序由主程序、中断服务程序和其它子程序组成。在设计中采用模块化程序设计技术，根据系统的功能，将软件分成若干个功能相对独立的模块，包括系统初始化程序模块、数据采集和处理程序模块、人机接口程序模块等。4.结论随着社会的发展进步，电子秤和电子计价秤因其使用方便、稳定性强、精度高的特点，特别是计重计价清楚，容易使消费者明白，公平性强，减少买卖纠纷的优势，在市场和超市被广泛使用，甚至在偏僻的农村小超市、小商店都已普遍使用电子秤和电子计价秤。参考文献[1]肖思宁.精密电子秤设计..广西物理，2008，29(3):25-30[2]施昌彦.电子称重技术现状和发展趋势.中国衡器网[31吴正毅.测试技术与测试信号处理.北京:清华大学出版社，1991[4]http://www.xzyilong.eom.ICs电子皮带秤的现状与发展趋势[5]赵广平，孙雯萍，孙建军.电子称重技术现状及发展趋势.仪表技术与传感器，2007，(7):76-77[6]仪蕾，郑柏松，王振文.贵重金属及宝石的称重要求和配备衡器.标准规程，2007，(36)2:36-38[7]王光学，朱白强，胡敏.CCD测量微小位移的研究.光学工程，1994，2l(4):37-1[8]张雄伟，曹铁勇.DSP芯片的原理与开发应用(第2版).北京:电子l一业出版社，2000[9］陆伯勤.电子称重技术和自动称重系统的进展［J］.自动化博览，2009，（1）. 9 [10］阎石.数字电子技术基础［M］.北京：高等教育出版社，2005. [11］马明建.数据采集与处理技术［M］.西安:西安交通大学出版社，2004. [12］杨文龙.单片机原理及应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2008. 9