畢業設計---多功能電子秤的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 3。 21 致 謝 22 參考文獻 23 附 錄 25 電子秤的信號采集、處理、顯示的程序 . 25 西南交通大學 網絡教育 畢業設計 （ 論文 ） I 摘 要 隨著時代科技的迅猛發展，微電子學和計算機等現代電子技術的成就給傳統的電子測量與儀器帶來了巨大的沖擊和革命性的影響。常規的測 試儀器儀表和控制裝置被更先進的智能儀器所取代，使得傳統的電子測量儀器在遠離、功能、精度及自動化水平定方面發生了巨大變化，并相應的出現了各種各樣的智能儀器控制系統，使得科學實驗和應用工程的自動化程度得以顯著提高。作為重量測量儀器，智能電子秤在各行各業開始顯現其測量準確，測量速度快，易于實時測量和監控的巨大優點，并開始逐漸取代傳統型的機械杠桿測量稱，成為測量領域的主流產品。 西南交通大學 網絡教育 畢業設計 （ 論文 ） 1 第 1 章 前 言 引言 本 系統采用單片機 AT89S52 為控制核心，實現電子秤的基本控制功能。系統的硬件部分包括最小系統 板，數據采集、人機交互界面三大部分。最小系統部分主要是擴展了外部數據存儲器，數據采集部分由壓力傳感器、信號的前級處理和 A/D 轉換部分組成。人機界面部分為鍵盤輸入 ， 128 64 點陣式液晶顯示，及打印機部分， LCD 顯示部分可以直觀的顯示中文，使用方便。 軟件部分應用單片機 C 語言實現了本設計的全部控制功能，包括基本的稱重功能，去皮和發揮部分的顯示購物清單的功能，可以設置日期和重新設定 10 種商品的單價，同時具有超重報警功能，由于系統資源豐富，還可以方便的擴展其應用 . 電子秤的發展與現狀 電 子衡器一般是指裝有電子裝置的衡器。因其種類繁多，且涉及到貿易結算和保護廣大消費者的利益，所以為世界各國政府普遍關注和重視，并被確定為國家強制管理的法制計量器具。 50 年代中期電子技術的滲入推動了衡器制造業的發展。 60 年代初期出現機電結合式電子衡器以來，經過 40 多年的不斷改進與完善，我國電子衡器從最初的機電結合型發展到現在的全電子型和數字智能型。我國電子衡器的技術裝備和檢測試驗手段基本達到國際 90年代中期的水平。國際上主要有兩種發展途徑：以美國為代表的先軍工后民用，先提高后普及的途徑和以日本為代表的實用化商品化 ，先普及后提高的途徑。我國應屬于后者，盡管軍工部門研究應用較早，但并未轉為民用，快速發展和普及還是在近 20 年。近幾 年是關鍵時期，急需提高我國稱重傳感器的總體技術、工藝和質量水 平。 國際稱重技術的發展動向 國際稱重傳感器技術的發展動向是，把稱重傳感器的準確度、穩定性和可靠性作為極其重要的質量指標，把制造技術和制造工藝作為核心競爭力，緊緊抓住稱重傳感器的特性問題、生產問題和應用問題進行基礎研究、工藝研究和應用研究，其研究方向和特點是： （ 1）在產品結構設計與制造工藝中，吸取了工程化產品設計中的計算 機擬實技術和虛擬技術，加快開發速度，減少開發風險。 （ 2）在彈性體加工中，從單元加工技術發展到集成化加工技術；從剛性制造發展到柔性制造；從簡單化經驗判斷發展到智能化定量分析。普遍采用柔性制造單元和柔性制造系統。 （ 3）生產工藝已不是傳統關念中的“作坊手藝”，而是技術與管理相結合的一項系統工程。為適應多品種、大批量生產，保證產品技術性能的均一性，生產工藝必須向盡量減少手工操作、人為控制，增加半自動化和自動化工序方向發展。例如：采用計算機控制，人機一體化工藝系統和測試技術網絡化信息系統等。 （ 4）與穩定性和可靠 性有關的穩定處理工藝在高溫處理，低溫深冷，脈動疲勞，超載靜壓等方法的基礎上，又研究出振動時效、共振時效新工藝，共振 10 分鐘，可消除絕大部西南交通大學 網絡教育 畢業設計 （ 論文 ） 2 分殘余應力。 稱重傳感器技術的發展趨勢 稱重傳感器技術的發展趨勢 、應變式稱重傳感器的發展趨勢，可用“四化”來概括，即設計技術虛擬化，制造技術柔性化，生產工藝網絡化，企業管理信息化。 （ 1）設計技術虛擬化：包括彈性體結構設計的擬實技術和工藝設計的虛擬技術。 結構設計的擬實技術：是指面向彈性體的結構和性能分析技術，包括動態仿真、動力學分析、強度和剛度有限單元 法計算、敏感區應變大小與分布等，以達到優化設計的目的 .工藝設計的虛擬技術：是指面向彈性體生產過程的模擬和試驗，檢驗彈性體的可加工性，加工方法和工藝的合理性，保證制造工藝最佳化。設計技術虛擬化的核心是有限單元計算和計算機動態仿真。通過仿真軟件來模擬真實受載情況，發現并及時處理設計和工藝缺陷或錯誤，以確保結構設計和生產工藝的合理性。 （ 2）制造技術柔性化：是指在多品種、大批量生產的彈性體加工中，納入先進的制造技術：柔性制造單元（ FMC）、柔性制造系統（ FMS）和計算機集成制造系統。它是計算機技術、信息技術、自 動控制技術等與傳統的制造技術相結合形成的全新的制造系統。 （ 3）生產工藝網絡化：是指在生產工藝全過程中，通過通訊線路和設備把各生產工序具有獨立操作和控制功能的計算機系統相互連接起來，在網絡軟件管理下，實現信息的收集、存儲和處理。與傳統的“作坊手藝”生產工藝相比，大大的減少了手工操作，最大限度的排除了人為因素對產品質量的影響。 （ 4）企業管理信息化：是指按計算機處理的要求，依據結構化系統分析和設計方法，建立企業信息系統，實現企業管理全面現代化。包括 CAD、 CAM 系統，生產管理系統，商務決策系統和經營管理系 統等。 電子衡器發展趨勢 為適應電子稱重技術從靜態稱重向動態稱重發展；計量方法從模擬測量向數字測量發展；測量特點從單參數測量向多參數測量發展，以及電子衡器對稱重傳感器的新要求，以下課題將是今后一個時期的研發重點： （ a） 快速、低速動態和動態稱重傳感器及其阻尼技術。 （ b）多功能、多分量稱重傳感器及其測試方法。 （ c） 微小和超大量程稱重傳感器。 （ d） 防爆、耐壓、耐腐蝕等稱重傳感器。 （ e） 偏心載荷測量及車載秤用稱重傳感器。 （ f） 大阻值低功耗高精度電阻應變計研制等。 分 析近年來電子衡器對稱重傳感器的新要求，不難得出小型化，集成化，多功能化和智能化將是稱重傳感器的重要特點和發展趨勢。 （ 1）小型化：是指稱重傳感器總體結構體積小、高度低、重量輕，即小、薄、輕。例如：30t、 60t 彎曲環式結構，其外形尺寸分別為外徑 120mm 和 150mm，高度只有 50mm 和 60mm。 （ 2）集成化：有結構集成和功能集成兩種形式。結構集成是指彈性體與秤體合二為一的新型結構，例如：稱重板、稱重軌、稱重鉤、稱重環等。功能集成是指將重量信息采集、放大、變換、傳輸、處理和顯示都集于一體的稱重傳感器，例 如：將敏感元件（彈性體）、轉換元件（電阻應變計）、信號處理電路和稱重顯示控制都集于一體的輪輻式稱重傳感器，其數字顯示位置就在傳統輪輻式稱重傳感器的接線盒處，通常稱為輪輻式稱重儀。 [2] （ 3）多功能化：是指稱重傳感器本身除具有檢測重量信息的功能外，還能同時檢測其它信息。例如：電子吊秤用稱重傳感器在檢測重量信息的同時還可檢測加速度信息；汽車檢西南交通大學 網絡教育 畢業設計 （ 論文 ） 3 測平臺用稱重傳感器，可同時檢測垂直方向的重量信息和水平方向的側向載荷，即多分力測量。 （ 4）智能化：是由于模擬式稱重傳感器輸出信號小，抗干擾能力差，傳輸距離短，稱重顯 示控制儀復雜，組秤調試周期長，根本不適應數字式智能電子衡器的發展。稱重傳感器的智能化就是研制新型數字式智能稱重傳感器，有兩種結構。一是整體型：在稱重傳感器內部增加放大、濾波、 A/D 轉換器、微處理器、溫度傳感器等數字處理電路，利用數字補償技術與工藝實現各項補償。二是分離型：將整體型數字式智能稱重傳感器內的數字電路置于外部接線盒內，稱為數字模盒。將普通模擬式稱重傳感器接入數字模盒，就可變模擬輸出為數字輸出，通常將其稱為分離型數字稱重傳感器系統。 數字式智能稱重傳感器具有如下特點： （ a） 輸出信號大，抗干擾能 力強，傳輸距離遠，信噪比高。 （ b） 通過數字補償電路和數字補償工藝，可進行線性、滯后、蠕變等補償，改善了性能。 （ c）內裝溫度傳感器，通過補償軟件可進行實時溫度補償，穩定性好。 （ d）各數字式智能稱重傳感器的地址可調，便于應用與互換。 對某些商用電子計價秤而言，只具備稱重、計價、顯示、打印功能還遠遠不夠，現代商業系統還要求它能提供各種銷售信息，把稱重與管理自動化緊密結合，使稱重、計價、進庫、銷售管理一體化，實現管理自動化。 第 2 章 系統的主要功能與分析 系統的主要功能 基于單片機的智能電 子秤，是利用稱重傳感器將采集的壓力信號轉換成電壓信號，輸出 0~20mv 的電壓信號。電壓信號經前端處理及放大，再接入 A/D 轉換芯片，轉換成數字信號進入單片機進行處理。單片機處理完信號后可以輸出到 LCD 顯示，或直接送入打印機打印。該系統具有以下特點： （ a）電子秤測量范圍 0~20KG。 （ b）采用電阻應變傳感器，保證較高的精確度。 （ c）采用專用鍵盤控制芯片及顯示芯片，可以設定數據、 LCD顯示重量及價格。 （ d）可設置物品單價，直接計算出總價，并打印顯示結果，運行中通過鍵盤進行設定和修改、查看等操作。 系統分析 根據系統要求的功能，對系統分析如下。 （ a）首先要有傳感器把壓力信號轉化為電信號，本裝置使用由應變電阻組成的稱重傳感器把壓力信號轉化為電壓信號。 （ b）要直接把壓力傳感器轉化的電壓信號后送入單片機處理是不行的。因為傳感器轉換的電壓信號微弱并且是模擬信號，因此，就要對信號進行前端放大和模－數轉化，因此在送入單片機前要經過放大電路和 A/D 轉化電路。 （ c） 經過轉化的數 字 信號在處理前含有干擾信號，因此要進行濾波，濾波又分硬件和西南交通大學 網絡教育 畢業設計 （ 論文 ） 4 軟件濾 波 ，通過比較分析采 用軟件濾波。 （ d）數字濾波后的信號送入單片機進行處 理，但是此信號由于其與輸入量不是線性關系，給軟件編程帶來極 困難，因此本系統先對其進行線性 處理，然后根據系統要求確定算法進行數字處理軟件編 程。 （ e）單片 機 處理后的信號必 須輸出顯示，這時 應要有顯示電路，本裝置用 128 64的 LCD顯示，既可以顯示數 字 ，也可以顯示中文。結果也可以轉 為 4~20mA 的 DC標準電流和 0~5VDC 標準電壓信號輸出。 （ f）最后單片機可以把信號輸入打印機打印總價格等信息 。 第 3 章 總體方案的設計 設計電子秤的指導思想 基于單片機的智能電子秤，是利用稱重傳感器將采集的壓力信號 轉換成電壓信號，輸出 0~20mv 的電壓信號。電壓信號經前端處理及放大，再接入 A/D 轉換芯片，轉換成數字信號進入單片機處理。單片機處理完信號后可以輸出到 LCD 顯示，或直接送入打印機打印 。 方案選擇與方案論證 在對系統功能的全面分析后，就需要對實現方案進行選擇。方案選擇上最主要的是對傳感器與微控制器的比較與選擇。 （ a）傳感器方面，需要精度高，可靠性好，穩定性高，誤差小，同時要滿足實際需要。因此我們選擇了 LPSIII 型稱重傳感器。量程 20Kg ，精度為 %，滿量程時誤差 ，可以 滿足本系統的精度要求。 [3] （ b）微控制器方面，由于基于半導體集成技術的突飛猛進地發展，各種類型的單片機正日新月異地涌向市場為單片機技術的應用人員提供了極大的方便。 INTEL 公司推出的高性能 MCS51 系列八位單片機一投入市場就很快被使用者所歡迎。隨著時間的推移，世界各生產單片機的公司看好 MCS51 系列八位單片機的強勁趨勢。在八位單片機的設計上紛紛向 51 系列八位單片機內核靠攏。 PHILIPS 公司首先購買了 8051 內核的使用權，并在此基礎上增加具有自身特點的 I178。C 總線， PHILIPS 公司還推出一系列高性能 具有快閃存儲器的標準的 8051 派生型八位機單片機，很方便地多次在線編程為用戶帶來極大方便。 ATMEL 公司通過技術交換取得了 8031 內核的使用權生產出 AT89C 系列單片機。 Cygnal 公司推出的80C51F 又將 8051 兼容單片機技術推向了一個新的高度， 80C51F 單片機是完全集成混合信號系統級芯片，具有與 8051 兼容的高速 CIP51內核，于 MCS－ 51指令集完全兼容，可以使用標準 803 805X 匯編器和編譯器進行軟件開發。除了具有標準 8051 的數字外設部件之外，片內還集成了數據采集和控制系統中常用的模擬部件 和其它數字外設及功能部件。這些外設或功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、 ADC、 DAC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、 SMBUS、 12C、 UART、 SPI、定時器、可編程計數器、定時器陣列（ PCA）、數字 I/O 端口、電源監視器、看門狗定時器（ WDT）和時鐘振蕩器等。所有器件都有內置的 FLASH 程序存儲器和 256 字節的內部 RAM，有些器件內部還有位于 外部數據存儲器空間的 RAM，即 XRAM. 綜上所述： 本系統基于單片機來實現，同時因為系統需要大量控制液晶顯示和鍵盤，西南交通大學 網絡教育 畢業設計 （ 論文 ） 5 故不宜采用大規模可編程邏輯器件 CPLD、 FPGA 來實現。（因為大規模可編程邏輯器件一般是使用狀態機方式來實現，即所解決的問題都是規則的有限狀態轉換問題。本系統狀態較多，難度較大。）另外系統沒有其它高標準的要求，我們最終選擇了 AT89S52 通用的比較普通單片機來實現系統設計。 總體結構 框圖 要實現系統的功能，系統電路部分主要包括稱重傳感器及前端信號放大電路、 A/D 轉換采樣電路、 LCD 顯示及峰鳴器報警電路、外部存儲器擴展電路、鍵盤電路、打印機接口電路。系統組成框圖如圖 31所示： 圖 31 系統組成框圖 第 4 章 系