題目：數(shù)顯電子秤的設(shè)計(jì)

　　1 選題的背景、意義

　　數(shù)顯電子秤是現(xiàn)今生活中常用的電子秤重衡器，在各大超市、大中型商場(chǎng)、物流配送中心都可以看到。數(shù)顯電子秤在結(jié)構(gòu)和原理上取代了傳統(tǒng)的機(jī)械式稱量衡器。與傳統(tǒng)的機(jī)械式稱量衡器相比較，數(shù)顯電子秤具有稱量高精度、應(yīng)用范圍廣、易于操作使用等優(yōu)點(diǎn)，在工作原理、結(jié)構(gòu)和材料上都是全新的計(jì)量衡器。數(shù)顯電子秤的設(shè)計(jì)是通過(guò)壓力傳感器采集到被測(cè)物體的確切重量并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)。輸出的電壓信號(hào)通常會(huì)很小，需要相應(yīng)的放大電路進(jìn)行準(zhǔn)確的線性放大。放大后的模擬電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)量被送入到主控電路的單片機(jī)中，在經(jīng)過(guò)單片機(jī)控制譯碼顯示器，就可以顯示出被測(cè)物體的確切重量。

　　現(xiàn)在市場(chǎng)上使用的稱量工具，有些是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有些是運(yùn)行不可靠，成本高，精度穩(wěn)定性也不好，調(diào)正的時(shí)間長(zhǎng)，易損件多，維修困難，能源消耗大�，F(xiàn)在市場(chǎng)上電子秤產(chǎn)品整體水平不高，部分小型企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量差而且技術(shù)力量薄弱，缺乏產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能力，電子產(chǎn)品質(zhì)量處在低水平層次。所以，有針對(duì)性的開(kāi)發(fā)出一套有實(shí)用價(jià)值的電子秤系統(tǒng)，從技術(shù)上客服了上述諸多缺點(diǎn)，改善電子秤系統(tǒng)在應(yīng)用中的不足之處，具有現(xiàn)實(shí)意義。

　　從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，在世界范圍內(nèi)掀起了一股“電子秤熱”各個(gè)先進(jìn)工業(yè)國(guó)都很重視傳感技術(shù)和電子秤的研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。傳感技術(shù)已經(jīng)成為重要的現(xiàn)代科技領(lǐng)域，電子秤及其系統(tǒng)生產(chǎn)成為了重要的新興行業(yè)。我國(guó)生產(chǎn)的電子秤產(chǎn)品主要是屬于靜態(tài)衡器電子秤，在計(jì)量要求、功能和外形上已經(jīng)打到了國(guó)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，而且在價(jià)格上又低于國(guó)外的同類產(chǎn)品，具有較好的出口潛力;但動(dòng)態(tài)衡器電子秤，與國(guó)外的同類產(chǎn)品還有一定的差距，尤其是在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性上存在較大距離，我國(guó)進(jìn)口的電子秤大多數(shù)就是這類產(chǎn)品。我國(guó)的電子衡器要想打入國(guó)際市場(chǎng)，參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。這就要求企業(yè)必須以技術(shù)為先導(dǎo)、以質(zhì)量為中心、以管理為基礎(chǔ)，努力提高制造技術(shù)與制造工藝水平，穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量。增強(qiáng)國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。我們要從觀念上、技術(shù)上和管理上迅速趕上，與時(shí)俱進(jìn)、開(kāi)拓創(chuàng)新、以提高制造技術(shù)與制造工藝水平為突破口，主要解決電子衡器中的工程化產(chǎn)品的定型設(shè)計(jì)。努力提高批量生產(chǎn)的能力，使我國(guó)的民族衡器工業(yè)走上健康持續(xù)發(fā)展的軌道。

　　2 相關(guān)研究的最新成果及動(dòng)態(tài)

　　電子秤不僅要向高精度、高可靠性方向發(fā)展，而且更需要向多種功能的方向發(fā)展�，F(xiàn)在電子秤的附加功能主要有以下幾種：

　　(1) 電子秤附加了處理計(jì)算機(jī)信息補(bǔ)償裝置，可以進(jìn)行自診斷、自校正和多種補(bǔ)

　　償計(jì)算和處理。

　　(2) 具有皮重、凈重顯示等特定功能。

　　(3) 附加了特殊的數(shù)據(jù)處理功能�，F(xiàn)在的電子秤附加了多種計(jì)算和數(shù)據(jù)處理功能，

　　以滿足于多種使用的要求。

　　今后，隨著電子科技的飛速發(fā)展，電子秤技術(shù)的發(fā)展將會(huì)日新月異。而且功能更加齊全的高進(jìn)度先進(jìn)電子秤將會(huì)不斷問(wèn)世，其應(yīng)用范圍也會(huì)更加廣。

　　現(xiàn)在，在世界各國(guó)常用的衡器中，無(wú)論是利用杠桿原理的各種稱，還是利用彈性元件的回復(fù)力與被測(cè)物體的重力達(dá)到平衡來(lái)測(cè)量質(zhì)量的稱，都離不開(kāi)兩個(gè)必須的條件：一個(gè)是重力場(chǎng)，另一個(gè)是靜力平衡，第一個(gè)說(shuō)明了現(xiàn)代各種稱都不能用于無(wú)重力的場(chǎng)合，第二個(gè)說(shuō)明了各種稱都必須待其保持平衡時(shí)才能進(jìn)行測(cè)量。因此，將這些稱稱為靜態(tài)稱，所用的方法稱為靜態(tài)稱重法。

　　在科研生產(chǎn)當(dāng)中，常常會(huì)遇到運(yùn)動(dòng)中的物體需要稱重，或在外界有震動(dòng)源干擾的條件下需要稱重，這是靜態(tài)稱就無(wú)能為力了，如果采用“靜態(tài)標(biāo)定，動(dòng)態(tài)使用”的稱重

　　傳感器測(cè)量系統(tǒng)的方案去實(shí)現(xiàn)，就引出了稱重傳感器測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)誤差問(wèn)題。稱重傳感器測(cè)量系統(tǒng)用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的區(qū)別是：從時(shí)間域來(lái)看，靜態(tài)測(cè)量時(shí)，傳感器的輸出與時(shí)間無(wú)關(guān)，即不隨時(shí)間變化;動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，傳感器的輸出與時(shí)間有關(guān)，即隨時(shí)間變化包括瞬態(tài)變化和連續(xù)變化。從頻率域來(lái)看，靜態(tài)測(cè)量時(shí)，其輸出信號(hào)頻譜只有零數(shù);而在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，其輸出信號(hào)頻譜則有各種頻率成分，對(duì)周期信號(hào)為分離頻譜，對(duì)非周期信號(hào)為連續(xù)頻譜。采用“靜態(tài)標(biāo)定，動(dòng)態(tài)使用”的方法，首先必須進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，以確定傳感器的靜態(tài)特性，它是動(dòng)態(tài)測(cè)量的基礎(chǔ)和依據(jù)，然后，對(duì)傳感器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行校準(zhǔn)，確定傳感器的動(dòng)態(tài)誤差，包括幅值誤差和相對(duì)誤差。其中主要是動(dòng)態(tài)幅值誤差。

　　在傳感器稱重系統(tǒng)中，只有當(dāng)動(dòng)態(tài)誤差為零或在所規(guī)定的誤差范圍內(nèi)是時(shí)，動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果才與靜態(tài)性能一致，即使傳感器測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)性能很好，也會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。實(shí)踐證明，“靜態(tài)標(biāo)定，動(dòng)態(tài)使用”的方法，只是以靜看動(dòng)，其本質(zhì)還是靜態(tài)稱重，并沒(méi)有從根本上解決靜態(tài)稱重方法存在的問(wèn)題。今年來(lái)，日本、美國(guó)一些學(xué)者為從根本上解決這一問(wèn)題，以便能在宇宙空間和運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行稱重，開(kāi)展了許多研究工作，提出來(lái)一個(gè)擺脫重力場(chǎng)的影響，無(wú)需靜力平衡的全新的稱重方法—動(dòng)態(tài)稱重法。

　　動(dòng)態(tài)稱重法，其基礎(chǔ)就是用力程動(dòng)力學(xué)來(lái)解決質(zhì)量測(cè)量問(wèn)題。因?yàn)閯?dòng)是絕對(duì)的，靜是相對(duì)的，靜可以看成是動(dòng)的一個(gè)特例。根據(jù)牛頓第二定律F=mg以及它的特殊形式W=mg可知，只要測(cè)得力和加速度，而不必考慮a是什么樣的加速度，都可以求得質(zhì)量m的大小，這是一個(gè)不受被測(cè)量物體是靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)已經(jīng)重力場(chǎng)大小影響的質(zhì)量測(cè)量方法，這就是動(dòng)態(tài)稱重的基本原理，隨著時(shí)間的推移，必將有新的發(fā)展。

　　我國(guó)動(dòng)態(tài)質(zhì)量測(cè)量的研究除同濟(jì)大學(xué)作了一些前期立項(xiàng)工作外，基本沒(méi)有開(kāi)展。動(dòng)態(tài)質(zhì)量測(cè)量理論的確立，動(dòng)態(tài)電子衡器的問(wèn)世，將是電子稱重技術(shù)的一次革命，它將再很多場(chǎng)合以動(dòng)態(tài)秤代替靜態(tài)秤，必然促進(jìn)電子稱重技術(shù)的快速發(fā)展。我國(guó)也應(yīng)開(kāi)展動(dòng)態(tài)質(zhì)量測(cè)量理論和應(yīng)用的研究，盡快找出解決問(wèn)題的途徑，開(kāi)發(fā)出適合我國(guó)市場(chǎng)需求的動(dòng)態(tài)電子秤以及動(dòng)態(tài)電子稱重系統(tǒng)。

　　3 課題的研究?jī)?nèi)容及擬采取的研究方法(技術(shù)路線)、研究難點(diǎn)及預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)

　　電子秤的工作原理為：當(dāng)檢測(cè)時(shí)，傳感器接收到被測(cè)量的信號(hào)，然后起橋路輸出約為-75~75mV的電信號(hào)。該信號(hào)加到差分放大低通濾波器上，得到0到5V的模擬電信號(hào)。經(jīng)過(guò)單片機(jī)控制的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到與檢測(cè)質(zhì)量相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)對(duì)其處理計(jì)算，變換成以g為綱量的BCD碼，送8155芯片進(jìn)行顯示，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行保存。

　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)擬利用重量檢測(cè)元件結(jié)合51單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)能實(shí)時(shí)顯示物體重量的智能微型電子秤。系統(tǒng)的硬件包括重量測(cè)量裝置、功能鍵及顯示電路、中央控制器等部分。要求改系統(tǒng)特征及主要控制功能為：

　　(1) 以AT89C51單片機(jī)為處理核心;

　　(2) 把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換為0—5V，送A/D轉(zhuǎn)換器

　　轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào);

　　(3) 采用鍵盤作為功能鍵，設(shè)定量程;

　　(4) 用LCD實(shí)時(shí)顯示物品的重量值;

　　(5) 量程為0—10kg。

　　硬件設(shè)計(jì)框圖：

　　軟件設(shè)計(jì)：

　　本電子秤單片機(jī)采用了89C51單片機(jī)，所有的程序都固化于FLASH中，用來(lái)存貯保存多次質(zhì)量測(cè)量值等。其主程序的主要功能有：系統(tǒng)初始化與初始工作狀態(tài)設(shè)置，工作功能的判別、采樣數(shù)字濾波、傳感器零點(diǎn)自動(dòng)跟蹤等。

　　(1) 顯示結(jié)果鎖定，質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果由單片機(jī)送入顯示器后，其顯示結(jié)果

　　處于不變的保持狀態(tài)。

　　(2) 利用軟件程序來(lái)自動(dòng)跟蹤傳感器零點(diǎn)的漂移。由于溫漂和時(shí)源的影

　　響，傳感器的零點(diǎn)常常出現(xiàn)漂移現(xiàn)象，如不采取措施將影響測(cè)量的

　　準(zhǔn)確性。在研究的電子秤中采用了軟件自動(dòng)跟蹤措施，其設(shè)計(jì)的基

　　本思想是，在程序上不斷對(duì)零質(zhì)量值進(jìn)行采樣，跟蹤其變化，重新

　　設(shè)置變化的零點(diǎn)值。

　　(3) 測(cè)量前，先輸入設(shè)定量程(0—10kg)，完成設(shè)定后，開(kāi)始測(cè)量。 軟件流程圖：

　　研究難點(diǎn)：

　　本課題的研究難點(diǎn)在于如何消除或減少溫漂和時(shí)漂對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響，以達(dá)到減少整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量誤差的目的。對(duì)系統(tǒng)軟件的編寫也是一個(gè)難題，如何編寫出一個(gè)適合本系統(tǒng)測(cè)量的軟件，是至關(guān)重要的，合理的編寫能縮短系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，還可以減小系統(tǒng)誤差。

　　預(yù)期成果

　　根據(jù)電子秤硬件結(jié)構(gòu)原理圖設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單的實(shí)物來(lái)，在電子秤硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上完善和加強(qiáng)軟件的設(shè)計(jì)，能夠精確稱量，最終達(dá)到單片機(jī)智能控制電子秤的稱重目標(biāo)。

　　4研究工作詳細(xì)工作進(jìn)度和安排

　　2012年11月23日—2012年12月5日 布置畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)，講解畢業(yè)設(shè)計(jì)的方法和步驟，查找、分析相關(guān)文獻(xiàn)資料;

　　2012年 12月6日—2013年1月 10日 初步擬定系統(tǒng)采取的研究方法、設(shè)計(jì)路線，完成文獻(xiàn)綜述、外文翻譯的撰寫;

　　2013年1月11日—2013年3月5日 整理相關(guān)資料，確定系統(tǒng)完成的主要功能，繪制系統(tǒng)的流程圖。完成開(kāi)題報(bào)告;

　　2013年3月5日—2013年4月8日 進(jìn)行詳細(xì)的系統(tǒng)分析，完成電路的設(shè)計(jì)，每周匯總情況、問(wèn)題和進(jìn)度一次，個(gè)人隨時(shí)可以通過(guò)電話、qq、E-mail聯(lián)系，開(kāi)始撰寫論文大綱及初稿;

　　2013年4月9日—2013年5月3日 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、代碼設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試、修改及優(yōu)化階段;

　　2013年5月4日—2013年5月26日 完成畢業(yè)論文并提交;

　　2013年5月27日—2013年5月29日 畢業(yè)論文答辯。

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