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1、学 海 无 涯 1 1 引言引言 在生活中我们经常需要用秤来测量物体的重量，由于秤在我们日常生活中的应用 十分广泛，我们对其的设计要求就需要操作方便、易于识别。随着计量技术和电子技 术的发展，传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装 置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青 睐。电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号 处理器件需求的增加。 1.1 1.1 称重技术的发展与成果称重技术的发展与成果 电子称的发展过程经历了由简单到复杂、又粗糙到精密、由机械到机电结合再到 全电子化、由单一功能到多功能的过程 1
2、。特别是近 30 年以来，工艺流程中的现场 称重、 配料定量称重、 以及产品质量的监测等工作， 都离不开能输出信号的电子衡器。 近年来电子称已愈来愈多地参与到数据的处理和控制过程中。现代称重技术和数据系 统已经成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可或缺 的组成部分。随着称重传感器各项性能的不断突破 2，为电子称的发展奠定了基础， 国外如美国、西欧等一些国家在 20 世纪 60 年代就出现了 0.1%称量准确度的电子称， 并在 70 年代中期约对 75%的机械称进行了机电结合式改造。 我国的衡器在 20 世纪 40 年代以前还全是机械式的， 40 年代开始发展了机电结合
3、 式的衡器，50 年代开始出现了以称重传感器为主的电子衡器，80 年代以来，我国通 过自行研究引进消化吸收和技术改造，已由传统的机械式衡器步入集传感器、微电子 技术、计算机技术与一体化的电子衡器发展阶段 3。随着称重传感器技术以及超大规 模集成电路和微处理器的进一步发展，电子称重技术及其应用范围将更进一步的发 展，并被人们越来越重视。根据近些年来电子称重技术和电子衡器的发展情况及电子 衡器市场的需求，电子称的发展动向为：小型化、模块化、智能化、集成化；其技术 性能趋向于速率高、准确度高、可靠性高；其应用性趋向综合性、组合性 4。 1.2 1.2 电子秤的组成电子秤的组成 1.2.1 电子秤的基
4、本结构 电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确 定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。不管根据什么原理制成的电了秤均由以 下三部分组成 5： 学 海 无 涯 a)承重、传力复位系统 它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般 包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。 b) 称重传感器 即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或 其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。 按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电 位计式、振弦式、空腔谐振器
5、式等）和应变传感器（电阻应变式、卢表面谐振式）或 是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。 对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线 性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工 作；有较好的频响特性；稳定可靠 6。 c) 测量显示和数据输出的载荷测量装置 7 即处理称重传感器信号的电子线路（包括放人器、模数转换、电流源或电压源、 调节器、补尝元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮器件 等） 。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。在数字式的测量电路中，通常包括 前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱
6、动显示等环节 8。 1.2.2 电子秤的工作原理 9 当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感 器随之产生力电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般 成正比关系)的电信号(电压或电流等)。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由 A/D 器进行转换 10，数字信号再送到微处器的 CPU 处理，CPU 不断扫描键盘和各种功 能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的 软件来控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU 发出指令，从内存 贮器中读出送到显示器显示，或送打印机打印。一般地信号的放大、滤波、A/D
7、 转换 以及信号各种运算处理都在仪表中完成 11。 1.2.3 电子秤的计量性能 电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有：量程、分度值、分度数、准确度等级 等。 a） 量程： 电子衡器的最大称量 Max， 即电子秤在正常工作情况下， 所能称量的最大值。 学 海 无 涯 b）分度值：电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值，用 e 或 d 来表 示。 c）分度数：衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用 n 表示。 d）准确度等级 12 国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成、四类等级，分别对应 不同准确度的电子秤和分度数 n 的范围，如下表 1.1 所示： 表 1.1 电子秤
8、等级分类 标志及等级 电子秤种类 分度数范围（n） 特种准确度（级） 基准衡器 n 100 000 级高准确度（级） 精密衡器 10 000 n 100 000 中准确度（级） 商业衡器 1 000 n 10 000 普通准确度（级） 粗衡器 100 n 1 000 1.3 1.3 课题设计思路课题设计思路 本课题要求利用单片机实现一种简便易实现的电子秤，具体模块包括称重传感器 13、放大器、转换器、单片机、显示器等几部分。具体设计指标为：能测量体重且误 差不大于 50 克、语音播报测量结果、低电压报警、低功耗设计 14。 由于体重的称量范围比较大，在做实物时对所需的传感器和电子秤支架要求比较
9、 高，考虑到学校实验室现有条件以及成本等因素，经指导老师同意，本次设计的电子 秤量程改为 03kg。 本课题的主要设计思路是：利用压力传感器采集因压力变化产生的电压信号，经 过电压放大电路放大，然后再经过模数转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入 单片机。单片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的重量，并通过数码管显示显 示数值以及扬声器进行语音播报。其主要技术指标为：称量范围 03kg；分度值 0.001kg；精度等级中准确度（级） ；电源分为给系统供电的 5V 以及给语音播报模 块的 3V 两部分。 学 海 无 涯 2 2 系统方案论证与选型系统方案论证与选型 按照本设计功能的要求，系统
10、主要由控制器部分、测量部分、数据显示部分和语 音播报部分这四个部分组成，系统设计总体方案框图如图 2.1 所示。 图 2.1 系统设计总体方案 测量部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设计为电压信 号） ，而后经放大电路处理后，送 A/D 转换器，将模拟量转化为数字量输出。控制器 部分接受来自 A/D 转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物体 的实际重量信号，并通过控制器实现数据的显示以及语音播报的功能。 2.1 2.1 控制器部分控制器部分 本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器,而且以单片机为主控制器 的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术
11、结合在一起，组成新型的只需要改 变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统” 。这种新型的智能仪表在测量 过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。 本设计对于系统并没有其他高标准的要求，结合 A/D 采集模块、数据显示模块和 语音报数模块对单片机端口的要求，可以采用 AT89C51 单片机或者 AT89SXX 系列单片 机 15。 2.2 2.2 数据采集部分数据采集部分 2.2.1 传感器的选择 在本设计中，传感器是一个十分重要的元件，传感器的精度决定电子秤的测量精 压力传感器 信号放大 A/D 转换 单片机 数码管显示 语音播报 低电量告警 学 海 无
12、涯 度，因此对传感器的选择显得特别重要。在选择传感器时不仅要注意其量程和参数， 还要充分考虑与其相配置的各种电路的设计难易程度和设计性价比等。 传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可 能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。一般来说，传感器的量程越接近分 配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但在实际使用时，由于加在传感器 上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用 传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。 方案一 压电传感器 压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于 某
13、些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。 压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量， 不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力或压力的 测量。压电器件的弱点：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电 容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。 方案二 电容式传感器 电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它有结构简 单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容传感器 可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。 电容传感器的基本工作原理可用最普通的平行极板电容器来说明。
14、两块相互平行 的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量 的变化）时，其电容量为： d A C r0 = (2.1) 式（2.1）中 d两极板间的距离 A两平行极板相互覆盖的有效面积 r 介质的相对介电常数 0 真空中介电常数 若被测量的变化式中，d、A、 r 三个参量中任一个发生变化，都会引起电容量 的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。 学 海 无 涯 虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素： a）小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法 至几十皮法。因 C 太小，故容抗 C Xc 1 =很大，为高
15、阻抗元件，负载能力差；又因 其视在功率CuP 2 0 =，C 很小，则 P 也很小，故易受外界干扰，信号需经放大，并 采取抗干扰措施。 b）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。 方案三 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构 型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电 阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件 构成力学量传感器。 导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机 械应变信号转换为R/R 后，由于应变量及相应电阻变化一
16、般都很微小，难以直接精 确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的R/R 变化转换成电压或电 流变化，其转换电路常用测量电桥。 直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能 力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。 应变片式传感器有如下特点： a）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。 b）分辨力和灵敏度高，精度较高。 c）结构轻小，对试件影响小， 对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特 殊环境中使用，频率响应好。 通过以上对压力传感器的分析与比较，综合考虑本次设计的技术指标，选择方案 三。 在实际工作中为确保传感器线性好、 精度高，
