題目：數(shù)顯電子秤的設(shè)計

　　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、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)的機械式稱量衡器。與傳統(tǒng)的機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，在工作原理、結(jié)構(gòu)和材料上都是全新的計量衡器。數(shù)顯電子秤的設(shè)計是通過壓力傳感器采集到被測物體的確切重量并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號。輸出的電壓信號通常會很小，需要相應(yīng)的放大電路進行準(zhǔn)確的線性放大。放大后的模擬電壓信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號量被送入到主控電路的單片機中，在經(jīng)過單片機控制譯碼顯示器，就可以顯示出被測物體的確切重量。

　　現(xiàn)在市場上使用的稱量工具，有些是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有些是運行不可靠，成本高，精度穩(wěn)定性也不好，調(diào)正的時間長，易損件多，維修困難，能源消耗大。現(xiàn)在市場上電子秤產(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)品的開發(fā)能力，電子產(chǎn)品質(zhì)量處在低水平層次。所以，有針對性的開發(fā)出一套有實用價值的電子秤系統(tǒng)，從技術(shù)上客服了上述諸多缺點，改善電子秤系統(tǒng)在應(yīng)用中的不足之處，具有現(xiàn)實意義。

　　從20世紀(jì)70年代開始，在世界范圍內(nèi)掀起了一股“電子秤熱”各個先進工業(yè)國都很重視傳感技術(shù)和電子秤的研究、開發(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，在計量要求、功能和外形上已經(jīng)打到了國外同類產(chǎn)品的先進水平，而且在價格上又低于國外的同類產(chǎn)品，具有較好的出口潛力;但動態(tài)衡器電子秤，與國外的同類產(chǎn)品還有一定的差距，尤其是在動態(tài)穩(wěn)定性上存在較大距離，我國進口的電子秤大多數(shù)就是這類產(chǎn)品。我國的電子衡器要想打入國際市場，參與國際競爭。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。增強國際市場競爭力。我們要從觀念上、技術(shù)上和管理上迅速趕上，與時俱進、開拓創(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。努力提高批量生產(chǎn)的能力，使我國的民族衡器工業(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算機信息補償裝置，可以進行自診斷、自校正和多種補

　　償計算和處理。

　　(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)展將會日新月異。而且功能更加齊全的高進度先進電子秤將會不斷問世，其應(yīng)用范圍也會更加廣。

　　現(xiàn)在，在世界各國常用的衡器中，無論是利用杠桿原理的各種稱，還是利用彈性元件的回復(fù)力與被測物體的重力達到平衡來測量質(zhì)量的稱，都離不開兩個必須的條件：一個是重力場，另一個是靜力平衡，第一個說明了現(xiàn)代各種稱都不能用于無重力的場合，第二個說明了各種稱都必須待其保持平衡時才能進行測量。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，常常會遇到運動中的物體需要稱重，或在外界有震動源干擾的條件下需要稱重，這是靜態(tài)稱就無能為力了，如果采用“靜態(tài)標(biāo)定，動態(tài)使用”的稱重

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

　　在傳感器稱重系統(tǒng)中，只有當(dāng)動態(tài)誤差為零或在所規(guī)定的誤差范圍內(nèi)是時，動態(tài)測量結(jié)果才與靜態(tài)性能一致，即使傳感器測量系統(tǒng)的靜態(tài)性能很好，也會產(chǎn)生較大的測量誤差。實踐證明，“靜態(tài)標(biāo)定，動態(tài)使用”的方法，只是以靜看動，其本質(zhì)還是靜態(tài)稱重，并沒有從根本上解決靜態(tài)稱重方法存在的問題。今年來，日本、美國一些學(xué)者為從根本上解決這一問題，以便能在宇宙空間和運動中進行稱重，開展了許多研究工作，提出來一個擺脫重力場的影響，無需靜力平衡的全新的稱重方法—動態(tài)稱重法。

　　動態(tài)稱重法，其基礎(chǔ)就是用力程動力學(xué)來解決質(zhì)量測量問題。因為動是絕對的，靜是相對的，靜可以看成是動的一個特例。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，這是一個不受被測量物體是靜態(tài)還是動態(tài)已經(jīng)重力場大小影響的質(zhì)量測量方法，這就是動態(tài)稱重的基本原理，隨著時間的推移，必將有新的發(fā)展。

　　我國動態(tài)質(zhì)量測量的研究除同濟大學(xué)作了一些前期立項工作外，基本沒有開展。動態(tài)質(zhì)量測量理論的確立，動態(tài)電子衡器的問世，將是電子稱重技術(shù)的一次革命，它將再很多場合以動態(tài)秤代替靜態(tài)秤，必然促進電子稱重技術(shù)的快速發(fā)展。我國也應(yīng)開展動態(tài)質(zhì)量測量理論和應(yīng)用的研究，盡快找出解決問題的途徑，開發(fā)出適合我國市場需求的動態(tài)電子秤以及動態(tài)電子稱重系統(tǒng)。

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

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

　　本次畢業(yè)設(shè)計擬利用重量檢測元件結(jié)合51單片機設(shè)計一個能實時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單片機為處理核心;

　　(2) 把被測量轉(zhuǎn)換成電壓信號，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;

　　(3) 采用鍵盤作為功能鍵，設(shè)定量程;

　　(4) 用LCD實時顯示物品的重量值;

　　(5) 量程為0—10kg。

　　硬件設(shè)計框圖：

　　軟件設(shè)計：

　　本電子秤單片機采用了89C51單片機，所有的程序都固化于FLASH中，用來存貯保存多次質(zhì)量測量值等。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、傳感器零點自動跟蹤等。

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

　　處于不變的保持狀態(tài)。

　　(2) 利用軟件程序來自動跟蹤傳感器零點的漂移。由于溫漂和時源的影

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

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

　　本思想是，在程序上不斷對零質(zhì)量值進行采樣，跟蹤其變化，重新

　　設(shè)置變化的零點值。

　　(3) 測量前，先輸入設(shè)定量程(0—10kg)，完成設(shè)定后，開始測量。 軟件流程圖：

　　研究難點：

　　本課題的研究難點在于如何消除或減少溫漂和時漂對傳感器測量精度的影響，以達到減少整個系統(tǒng)的測量誤差的目的。對系統(tǒng)軟件的編寫也是一個難題，如何編寫出一個適合本系統(tǒng)測量的軟件，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)計出簡單的實物來，在電子秤硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上完善和加強軟件的設(shè)計，能夠精確稱量，最終達到單片機智能控制電子秤的稱重目標(biāo)。

　　4研究工作詳細工作進度和安排

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

　　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)計路線，完成文獻綜述、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。完成開題報告;

　　2013年3月5日—2013年4月8日 進行詳細的系統(tǒng)分析，完成電路的設(shè)計，每周匯總情況、問題和進度一次，個人隨時可以通過電話、qq、E-mail聯(lián)系，開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)開發(fā)、代碼設(shè)計、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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