求电子秤的设计 电子秤的原理？

求电子秤的设计 电子秤的原理？

目 录摘 要.. I目 录.. II第一章 绪论.. 11.1电子秤的发展现状.. 11.2现有便携秤和电子秤的不足.. 21.3项目研究背景.. 21.4本文的机构.. 3第二章 便携式电子秤的测量原理.. 42.1称重传感器.. 42.2电容式称重传感器设计.. 42.2.1传感器弹性体.. 52.2.2传感器工作原理与分析.. 52.3便携式电子秤的称量原理.. 6第三章 仪器软件设计.. 83.1仪器主程序.. 83.2校正模块.. 103.3电源管理模块.. 103.4键盘管理模块.. 113.5采样管理模块.. 113.6数据处理模块.. 113.7计价模块.. 11第四章 仪器工程设计.. 134.1仪器低功耗设计.. 134.1.1低功耗元器件的选择.. 134.1.2电路低功耗设计.. 144.1.3软件低功耗设计.. 144.2仪器抗干扰设计.. 154.2.1硬件抗干扰设计.. 154.2.2软件抗干扰设计.. 15第五章 总结与展望.. 17致 谢.. 18参考文献.. 19 第一章 绪论质量是测量领域中的一个重要参数，称重技术自古以来就被人们所重视[1]。公元前，人们为了对货物交换量进行估计，起初采用木材或陶土制作的容器对交换货物进行计量。以后，又采用简单的秤来测定质量。据考证，世界上最古老的计量器具出土于中东和埃及，最古老的衡器和砝码出自于埃及。秤是最普遍、最普及的计量设备，电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。低成本、高智能化的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。本章简述称重技术和衡器的发展过程，论述提出新型便携式电子秤的意义， 介绍项目研究背景、关键技术、工作重点及本文的创新之处。1.1电子秤的发展现状电子秤是载于秤的台座、盘、钩上的物品的重量由传感器蠕变反应平衡，而由仪器数字显示的电子衡器。电子秤集机、电、仪于一体，具有多功能、高精度、快速和动态计量、稳定可靠等特征，代表了衡器产品发展的方向。电子秤属于日用衡器，为劳动密集型产品。电子秤产品总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性[2]。（1）小型化近几年新研制的电子平台秤结构充分体现了体积小、高度低、重量轻（即小、薄、轻）的发展方向。对于低容量的电子平台秤和电子轮轴秤，可采用将薄型或超薄型的圆形称重传感器，直接嵌入钢板或铝板底面与称重传感器外径相同的盲孔内，形成低外形的秤体结构，称重传感器的数量和位置由秤的额定载荷和力学要求计算决定。（2）模块化对于大型或超大型的承载器结构，如大型静动态电子汽车衡等，已开始采用几种长度的标准结构的模块， 经过分体组合，而产生新的品种和规格。以5、6、7m长的同宽度3种标准模块为例，由单块、二块、三块到四块分体组合，可以组合成长度为5～28m的22种规格的分体式秤体结构。当然在实际应用中，根据各行业用户的需要，选择其中10余种常用的标准规格即可。这种模块化的分体式秤体结构，不仅提高了产品的通用性、互换性和可靠性，而且也大大地提高了生产效率和产品质量。同时还降低了成本，增强了企业的市场竞争能力。（3）集成化某些品种和结构的例如小型电子平台秤、专用秤、便携式静动态电子轮轴秤、静动态电子轨道衡等，都可以实现秤体与称重传感器，钢轨与称重传感器，轨道衡秤体与铁路线路一体化。（4）智能化电子秤的称重显示控制器与电子计算机组合，利用电子计算机的智能来增加称重显示控制器的功能。使电子秤在原有功能的基础上，增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织等功能，这就是当今市场上采用微机化称重显示控制器的电子秤与采用智能化称重显示控制器的电子秤的根本区别。（5）综合性电子称重技术的发展规律就是不断的加强基础研究并扩大应用，扩展新技术领域，向相邻学科和行业渗透，综合各种技术去解决称重计量、自动控制、信息处理等问题。例如在流量计量专业，如果按照传统的理论和方法建造一套标准大流量测量系统，价格相当昂贵。如果采用称重法即质量流量法，只要将重量和时间测量准确，大流量的测量问题就迎刃而解了。对某些商用电子计价秤而言， 只具备称重、计价、显示、打印功能还远远不够，现代商业系统还要求它能提供各种销售信息，把称重与管理自动化紧密结合，使称重、计价、进库、销售管理一体化，实现管理自动化。这就要求电子计价秤能与电子计算机联网，把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统。1.2现有便携秤和电子秤的不足现有的便携秤为杆秤或以弹簧压缩、拉伸变形来实现计量的弹簧秤，居民用户使用的基本是杆秤。这种在我国沿袭了两千多年的木杆秤， 国家工商局与国家技术监督局早在1995年1月1日就已经颁布了禁止在全国城乡农贸市场、固定摊点使用杆秤的规定。各省市、自治区根据各地的经济发展情况，规定了各地区取缔杆秤的最后期限[7]。弹簧秤制造工艺要求较高，弹簧的疲劳问题无法彻底解决，一旦超过弹簧弹性限度，弹簧秤就会产生很大误差，以至损坏，影响到称重的准确性和可靠性，只是一种暂时的代用品，也被列入逐渐取消的行列。近年来，农贸市场及其它商贸活动中被广泛使用的是弹簧度盘秤和台式电子计价秤。弹簧度盘秤允许使用于80年代末，具有构造简单、体积小巧和价格便宜等优点。作为4级秤，弹簧度盘秤在准确度、耐用性和防欺骗性等方面都优于杆秤，因而被广泛的应用于农贸市场。近年来，弹簧度盘秤的质量问题比较突出， 几次监督抽查，产品的抽样合格率均在40%～60%之间。弹簧度盘秤产品的问题主要是计量精度严重超差，双面示值不同步，产品强度低，寿命短[3]。可见，我国在电子秤的运用方面，还处于非常落后的状况。1994年，美国电子秤的普及率是90%，日本是65%，而我国仅为3.6%。1.3项目研究背景现代社会的发展，对称重技术提出了更高的要求，尤其是微处理技术和传感技术的巨大进步，大大加速了这个进程。基于当前电子秤和便携秤的现状和不足，人们高度重视发展小型化的普及型的便携式电子秤，设计一种重量轻、携带方便、计量准确、读数直观、价格低廉的便携式电子秤（袖珍电子秤）已迫在眉睫。本项目研究一种用单片机控制的高精度智能电子秤设计方案。这种高精度智能电子秤体积小、计量准确、携带方便，集质量称量功能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。项目的标准要求与OIMLR76国际建议基本吻合， 与国际水平接轨。本项目研究的便携式电子秤的主要技术指标为：（ 1） 量程：0～10kg（ 2） 分度值：0.01kg（ 3） 误差：≤0.02kg（ 4） 精度：OIML Ⅲ 级[4]（ 5） 电源：DC1.5V，AA 电池1节（ 6） 体积：约130×80×20mm（ 7） 工作环境：温度0～40℃，湿度20～95％RH；（ 8） 功能：开机自检、去皮、计价、清除、累计、自动休眠、中文液晶显示、过载报警、欠压提示等；仪器若不进行称量操作，5分钟后自动进入休眠模式，降低电源消耗。1.4本文的机构全文分为5部分：第一章阐述电子秤的发展现状，介绍本文研究背景，指出研究新型便携式电子秤的意义，介绍本文的组成。第二章介绍传统应变式称重传感器存在的不足，设计了一种电容式称重传感器，介绍了它的测量原理。第三章根据仪器的硬件构成和功能要求，对系统软件进行模块化设计， 给出主要程序流程图。第四章对仪器的工程设计做出详细论述，包括低功耗设计和抗干扰设计。第五章对论文的总结与展望。 第二章 便携式电子秤的测量原理在电子秤中，传感器是最为关键的部件，也是设计中最难处理的环节，其性能的好坏直接决定了电子秤的性能。生产三级便携式电子秤主要难点就是传感器。设计称重传感器的指导思想是：追求良好的自然线性，尽量有较高的输出灵敏度，抗侧向能力强，结构简单，易于加工和密封，长期稳定性要好。2.1称重传感器现代科学技术的发展，特别是微型计算机技术的普及，及国民经济的发展使各工业领域普遍要求用电子衡器来检测重量信息；电子称重技术由单一的称量用途，延伸到生产过程和工艺流程等过程控制领域，特别是物流中各环节的自动检测和监控。电子衡器用于电子称重，是国家重点管理的6种计量器具之一。称重传感器是电子衡器产品和电子称重系统的核心部件，其特性直接影响电子衡器整机的性能。因此，其性能的优劣或质量的高低，对整个称重控制系统起到至关重要的作用。准确度、稳定性和可靠性是称重传感器的重要的质量指标，同时也是用户最关心的问题。电容式传感器灵敏度高，动态特性好，结构简单，分辨力强，温度漂移小， 能在恶劣环境下工作，适应性好，抗干扰力强，近年来获得了越来越多的研究， 可望逐步替代应变式称重传感器[6]。但电容式传感器存在非线性误差、寄生效应等特定问题，更主要的缺点是电容量一般很小，仅几十～几百 ，甚至只有几个 ，环境变化会影响电容量的变化。例如，在温度影响下，电容泄漏电导、极板的尺寸、间隙的大小、介质的介电常数都会发生变化[9]。因此，电容式传感器的应用也受到一定程度的限制。本文设计一种变极距电容式称重传感器，其灵敏度高，结构简单，测量电路简单，体积小，质量轻，且为数字信号输出，可直接与微机相连，其成本远低于应变式称重传感器。2.2电容式称重传感器设计电容式传感器受几何尺寸的限制，其容量 都很小，容抗 很大， 为高阻抗元件。 小，需要作用的能量也小，可动的质量也小，因而它的固有频率很高，可以保证有良好的动态特性。传感器的视在功率 很小，这使传感器易受到外界的干扰，所以信号的提取比较困难。同时，由于 小，分布电容和寄生电容对灵敏度和测量精度都会产生影响[8]。因此，电容式称重传感器在设计应用时，要充分考虑抗干扰设计。2.2.1传感器弹性体弹性体是称重传感器的基础，其结构形式参照了电阻应变式称重传感器的双孔平行梁式结构[7]。电容式传感器采用差动电容，由两个定极板和一个动极板组成，这两个变极距型电容器的初始电容值相同。电容式称重传感器结构如图2-1所示。图2-1中，左侧立柱A用螺丝固定，在上面安装两块定极板 、 。右侧立柱B上安装一块动极板 。 与 构成电容 ， 与 构成电容 ，二者组成差动电容 。差动式电容传感器比单极式灵敏度提高一倍，非线性误差减小。由于结构上的对称性，它还能有效的补偿温度变化所造成的误差[5]。弹性体结构中， 、 、 、 是弹性变形点，是为了增加传感器的灵敏度而加工的半圆弧形，相当于平行四边形的4个铰链。物体称量时，重力使矩形变形为平行四边形，即矩形的A端保持不动，B端下降。由于两个侧壁A、B都是由很宽的刚性材料制成，在矩形变为平行四边形的过程中，B端只有上下位移， 左右位移不会发生扭动； 也只发生上下位移和左右位移，但 的左右位移幅度非常小，且三个极板的面积相对于极距很大，故左右位移对电容器的容量影响很小可以忽略，因此认为动极板 只作相对平行的上下移动。图 2-1 平行板电容器称重传感器结构极距变化不仅与所加重物大小有关，还与圆弧 、 、 、 的加工深度有关， 越小，重物的作用下动极板 向下位移就越大，它直接影响到传感器的灵敏度及重物与位移之间的线性关系，必须适当选取[7]。后面将介绍如何选取 。2.2.2传感器工作原理与分析质量称量时，被测试样的重力 使A端保持不动，B端下降， 下移，极距变化量 与试样质量 产生的重力成正比，即 （2-1）式中， 为质量与位移之间的转换系数； 为重力加速度。由于矩形极板 、 、 的长、宽尺寸远大于它们之间的极距，又因为材料上的设计，可以忽略极板的边缘效应。初始电容均为 (2-2)式中， 为两平行极板相互覆盖的有效面积； 为极板间介质的介电常数； 为初始极距。质量称量时， 向下移动 ，而 、 不动，差动电容 的上下两极距发生相反变化，即极距一增一减，使得 减小 ， 增加 ，从而将被测荷重转换成电容量的变化 。由于 （2-3）因此 （2-4）由式（2-1）、（2-4）有 （2-5）式中， 为由极板初始间距 、传感器质量与位移之间的转换系数 、重力加速度 及介电常数 决定的常数。式（2-5）表明：（1）被测试样的质量与电容的变化量 有关， 只要测量传感器电容的变化量，就可以计算测到被测质量[11]；（2）被测质量与电容变化量为非线性关系。2.3便携式电子秤的称量原理电容式传感器传统的测量方法采用模拟电路测量手段，主要有电桥电路（普通交流电桥、变压器电桥、双T二极管电桥）；脉冲宽度调制电路；调频电路等。模拟测量方法电路环节多，容易受到零漂、温漂的影响，尤其对小电容的测量，更难保证测量精度[8]。影响电子秤测量精度的因素较多。如寄生效应使传感器电容相对变化量大大降低，导致灵敏度显著下降；质量值与电容变化量不成比例，导致传感器输出的非线性；被测电容变化量小，而又要求灵敏度高时，噪声影响将很严重等。这些因素的存在，使电容传感器特性不稳定，且测量精度不高，严重时甚至无法工作。因此，保证测量精度除了采用上述材料、工艺、尺寸设计外，还需采用合适的电容量变化的测量方法。电容式称重传感器拟采用数字化测量原理实现C-f（电容－频率）转换。数字化测量首先是将传感器的电容量变为频率信号，即实现C-f 转换。常用的C-f转换方法有LC振荡和RC振荡，线路结构简单，受电源等外界因素影响小，振荡频率稳定。鉴于仪器测量质量只须检测出电容传感器容量的变化量，因此，仪器拟通过555多谐振荡器将不易测量的电容变化量转换成易于测量的频率信号的变化量[ 5 1 ]。仪器采用高稳定参考电容生成参考频率信号，消除系统误差，实现高精度测量。电容－频率转换框图如图2-2所示。两路频率分别送入后级处理电路，经数据选择送入单片机系统。电容传感器 参考电容 555定时器 555定时器 后级处理电路 图 2-2 电容－频率转换框图由式（2-5）可知，测质量 只须测出电容的变化量 ，再经电容－频率转换为频率 ，从而有f 对应于 的函数 。被测物的质量 计算由单片机编程实现。 查看全文，请如下文库：