基于單片機(jī)的電子秤設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的電子秤設(shè)計(jì),基于,單片機(jī),電子秤,設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 論文（設(shè)計(jì)）題目： 基于單片機(jī)的智能數(shù)字電子秤設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 明德學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 電子信息工程 班 級(jí)： 機(jī) 自05151 學(xué) 號(hào)： 0515174118 學(xué)生姓名： 劉小海 指導(dǎo)教師： 王 許 2009年6月 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 誠(chéng)信責(zé)任書(shū) 本人鄭重聲明：本人所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)），是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所完成。畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點(diǎn)等，均已明確注明出處。 特此聲明。 論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日 期： 2009年6月 目錄 摘要 III Abstract IV 第一章 緒 論 1 1.1 稱(chēng)重技術(shù)和衡器的發(fā)展 1 1.2 電子秤的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 2 1.3 項(xiàng)目研究意義 4 第二章 電子秤的硬件構(gòu)成 6 2.1 電子秤的構(gòu)成 6 2.2 稱(chēng)重傳感器 6 2.2.1 稱(chēng)重傳感器選用時(shí)需考慮的問(wèn)題 7 2.2.2 稱(chēng)重傳感器的基本結(jié)構(gòu) 9 2.3 應(yīng)變式傳感器 11 2.3.1 彈性元件 11 2.3.2 應(yīng)變膠 12 2.3.3 應(yīng)變片 13 2.3.4 應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器的各種補(bǔ)償 14 2.4 單片機(jī)系統(tǒng) 16 2.5 電路設(shè)計(jì) 18 2.5.1 稱(chēng)重傳感器的供橋電源 18 2.5.2 電子秤的調(diào)零電路 20 2.5.3 電子秤的數(shù)據(jù)采集、處理部分 20 2.5.4 鍵盤(pán)/開(kāi)關(guān)輸入電路 25 2.5.5 LCD顯示器 26 2.5.6 打印部分 28 2.5.7 掉電保護(hù)和檢測(cè)電路、報(bào)警電路 29 第三章 儀器軟件設(shè)計(jì) 31 3.1 儀器主程序 31 3.2 中斷服務(wù)程序 32 第四章 儀器的誤差及誤差分配 33 4.1 儀器的誤差來(lái)源 33 4.1.1 稱(chēng)重傳感器的誤差 33 4.1.2 電子設(shè)備的誤差 33 4.1.3 機(jī)械承重系統(tǒng)的誤差 34 4.2 儀器誤差分配 35 4.3 儀器誤差的計(jì)算方法 35 結(jié)論 37 參考文獻(xiàn) 38 致謝 39 附錄 40 基于單片機(jī)的智能數(shù)字電子秤設(shè)計(jì) 摘要 現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，對(duì)稱(chēng)重技術(shù)提出了更高的要求。目前，臺(tái)式電子秤在商業(yè)貿(mào)易中的使用已相當(dāng)普遍，但存在較大的局限性：體積大、成本高、需要工頻交流電源供應(yīng)、攜帶不便、應(yīng)用場(chǎng)所受到制約?，F(xiàn)有的便攜秤為桿秤或彈簧壓縮、拉伸變形來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)量的彈簧秤，居民用戶(hù)使用的是國(guó)家已經(jīng)明令淘汰的桿秤。多年來(lái)，人們一直期待測(cè)量準(zhǔn)確、攜帶方便、價(jià)格低廉的智能電子秤投放市場(chǎng)。 本文設(shè)計(jì)了一種智能電子秤，論述了儀器的工作原理，介紹了儀器的誤差來(lái)源于誤差分配，給出了儀器電路設(shè)計(jì)與軟件流程。 智能電子秤主要由電源、稱(chēng)重傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、鍵盤(pán)/開(kāi)關(guān)、LCD顯示器等部分組成。主要技術(shù)指標(biāo)為：稱(chēng)量范圍0～15kg；分度值為0.005kg；精度等級(jí)Ⅲ級(jí)。儀器主要功能有自檢、去皮、計(jì)價(jià)、單價(jià)設(shè)定、過(guò)載報(bào)警等。儀器若不進(jìn)行稱(chēng)量操作，5分鐘后自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，降低電源消耗。 智能電子秤體積小、計(jì)量準(zhǔn)確、攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、稱(chēng)量速度快，并集質(zhì)量稱(chēng)量功能與價(jià)格計(jì)算功能于一體，能夠滿(mǎn)足商業(yè)貿(mào)易和居民家庭的使用需求，具有廣闊的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：智能電子秤， 稱(chēng)重傳感器， A/D轉(zhuǎn)換器， 8051單片機(jī)， 誤差分析, 軟件設(shè)計(jì) A design of the intelligence electronic scales of micro-controller Abstract The development of the modern society has put forward higher request on weighing technology. Currently, the desk-top electronic scales have been great application in commercial trade, but they have many shortcomings such as large volume, high cost, not inconvenience to carry and AC supply power, so they are restricted to use. The usual portable scales are lever scales which are mostly used by residents and spring balance which measure through compression or drawing of spring. They are being rejected for their big measuring errors. People have been expecting cheap Intelligence electronic scales which can measure accurately and be carried conveniently for many years. This text designs a kind of intelligence electronic scales. It discusses the instrumental working principle, and introduces its error sources and how to distribute the error. Give instrument electric circuit design and software process. Intelligence electronic scales consist of power, and weighs to spread the machine, A/D conversion, keyboard/switch, list slice, LCD etc. Its technical indictors include : Measuring range from 0 to15 kg; Cent degree is 0.005 kg; Ⅲprecision. The instrument possesses many intelligence functions, such as shelling, overload alarm, unit price enactment, accumulation computation, self-calibrating and so on. For lowering power supply to consume, it can get into “sleep” automatically if the instrument is not measuring for 5 minutes. The intelligence electronic scales can measure mass rapidly and accurately and communicate value. Furthermore, it is small, simply structured, easy to operate and convenient to carry. The instrument is able to meet the needs of commercial trade and residents, so its application has a bright future. Keyword: Intelligence electronic scales， Weigh to spread a feeling machine，A/D conversion， micro-controller 8051， Error margin analysis， Software design IV 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 58 頁(yè) 第一章 緒 論 質(zhì)量是測(cè)量領(lǐng)域中的一個(gè)重要參數(shù),稱(chēng)重技術(shù)自古以來(lái)就被人們所重視。公元前，人們?yōu)榱藢?duì)貨物交換量進(jìn)行估計(jì)，起初采用木材或陶土制作的容器對(duì)交換物進(jìn)行計(jì)量，以后，又采用簡(jiǎn)單的秤來(lái)測(cè)定質(zhì)量，據(jù)考證，世界上最古老的計(jì)量器具出土于中東和埃及，最古老的衡器和砝碼出自于埃及。秤是最普遍、最普及的計(jì)量設(shè)備，電子秤取代機(jī)械秤是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然規(guī)律。低成本、高智能化的電子秤無(wú)疑具有極其廣闊的市場(chǎng)前景。 本章簡(jiǎn)述稱(chēng)重技術(shù)和衡器的發(fā)展過(guò)程，論述提出新型便攜式電子秤的意義，介紹項(xiàng)目研究背景、關(guān)鍵技術(shù)等。 1.1 稱(chēng)重技術(shù)和衡器的發(fā)展 衡器是通過(guò)作用于被測(cè)量物體的重力來(lái)確定該物體質(zhì)量的計(jì)量器具。在整個(gè)衡器的發(fā)展過(guò)程中，先后主要出現(xiàn)了六種類(lèi)型的衡器：架盤(pán)天平、不等臂平臺(tái)秤、吊車(chē)秤、傾斜象限桿秤、彈簧秤和自動(dòng)秤。其中，不等臂平臺(tái)秤（“十進(jìn)秤”）是當(dāng)今動(dòng)態(tài)軌道衡的鼻祖，至今它仍是最通用的一種秤。 第一次世界大戰(zhàn)后，由于貿(mào)易和工業(yè)發(fā)展的需要，急需能進(jìn)行快速稱(chēng)重的衡器。機(jī)械式衡器在此期間得到很大的發(fā)展。當(dāng)時(shí)以?xún)A斜杠桿案秤占絕大多數(shù)，讀數(shù)裝置除扇形度盤(pán)外，還有滾筒形度盤(pán)，從而擴(kuò)大了讀數(shù)范圍并可附加價(jià)格標(biāo)尺。以后又出現(xiàn)了用于工業(yè)的帶雙擺錘測(cè)量機(jī)構(gòu)的圓形度盤(pán)指針式秤和成本低廉、帶投影標(biāo)尺的傾斜式杠桿秤。 第二次世界大戰(zhàn)后出現(xiàn)了電子衡器，它主要由稱(chēng)重顯示控制器，稱(chēng)重傳感器和電器控制等部分組成，其發(fā)展過(guò)程與其它事物一樣，經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由粗糙到精密、由機(jī)械到機(jī)電結(jié)合再到全電子化、由單一功能到多功能的過(guò)程。二十世紀(jì)50年代中期，為了把衡器引入生產(chǎn)工藝過(guò)程中去，使稱(chēng)重過(guò)程自動(dòng)化，電子技術(shù)滲入了衡器制造業(yè)。60年代初期，出現(xiàn)了稱(chēng)量工作是機(jī)械式的，與稱(chēng)量有關(guān)的顯示、記錄、遠(yuǎn)傳式控制等功能是電子方式的衡器，即機(jī)電結(jié)合式電子衡器。近30年以來(lái)，工藝流程中的現(xiàn)場(chǎng)稱(chēng)量、配料定量稱(chēng)重、以及產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)測(cè)等工作，都離不開(kāi)能輸出電信號(hào)的電子衡器。這是因?yàn)殡娮雍馄鞑粌H能給出質(zhì)量或重量值的信號(hào)，而且也能作為總系統(tǒng)中的一個(gè)單元承擔(dān)著控制和檢驗(yàn)功能，從而推進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易交往的自動(dòng)化和合理化。電子衡器具有反應(yīng)速度快，測(cè)量范圍廣、應(yīng)用面廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用操作方便、信號(hào)遠(yuǎn)傳、便于計(jì)算機(jī)控制等特點(diǎn)，計(jì)量精度高，而且實(shí)現(xiàn)了多功能、多用途。 1.2電子秤的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 一、發(fā)展現(xiàn)狀 電子衡器已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，近年來(lái)愈來(lái)愈多地參與到數(shù)據(jù)處理和過(guò)程控制之中，使現(xiàn)代稱(chēng)重技術(shù)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)成為工藝技術(shù)、儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)、預(yù)包裝技術(shù)、收貨業(yè)務(wù)及商業(yè)銷(xiāo)售領(lǐng)域中不可缺少的組成部分。 電子衡器種類(lèi)繁多，且涉及到貿(mào)易結(jié)算和廣大消費(fèi)者的利益，所以為世界各國(guó)政府普遍關(guān)注和重視，并被確定為我國(guó)強(qiáng)制管理的法制計(jì)量器具。電子衡器是自動(dòng)化稱(chēng)重控制和貿(mào)易計(jì)量的重要手段，對(duì)加強(qiáng)企業(yè)管理、嚴(yán)格生產(chǎn)、貿(mào)易結(jié)算，交通運(yùn)輸、港口計(jì)量和科學(xué)研究都起到了重要作用。 50年代中期電子技術(shù)的滲入推動(dòng)了衡器制造業(yè)的發(fā)展。60年代初期出現(xiàn)機(jī)電結(jié)合式電子衡器以來(lái)，經(jīng)過(guò)40多年的不斷改進(jìn)與完善，我國(guó)電子衡器從最初的機(jī)電結(jié)合型發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型。我國(guó)電子衡器的技術(shù)裝備和檢測(cè)試驗(yàn)手段基本達(dá)到國(guó)際90年代中期的水平。電子衡器制造技術(shù)及應(yīng)用得到了新發(fā)展。電子稱(chēng)重技術(shù)從靜態(tài)稱(chēng)重向動(dòng)態(tài)稱(chēng)重技術(shù)發(fā)展；計(jì)量方法從模擬測(cè)量向數(shù)字測(cè)量發(fā)展；測(cè)量特點(diǎn)從單參數(shù)測(cè)量向多參數(shù)測(cè)量發(fā)展，特別是對(duì)快速稱(chēng)重和動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的研究與應(yīng)用。但就總體而言，我國(guó)電子衡器產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大差距，其主要差距是技術(shù)與工藝不夠先進(jìn)、工藝裝備與測(cè)試儀表老化、開(kāi)發(fā)能力不足、產(chǎn)品的品種規(guī)格較少、功能不全、穩(wěn)定性和可靠性較差等。 二、發(fā)展趨勢(shì) 電子秤是載于秤的臺(tái)座，盤(pán)，鉤上的物品的重量由傳感器蠕變反應(yīng)平衡，而由儀器數(shù)字顯示的電子衡器。電子秤集機(jī)、電、儀于一體，具有多功能、高精度、快速和動(dòng)態(tài)計(jì)量、穩(wěn)定可靠等特征，代表了衡器產(chǎn)品發(fā)展的方向。電子秤屬于日用衡器，為勞動(dòng)密集型產(chǎn)品。 電子秤產(chǎn)品總的發(fā)展趨勢(shì)是小型化，模塊化，集成化，智能化；其技術(shù)性能趨向是速率高，準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性高，可靠性高；其功能趨向是稱(chēng)重計(jì)量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其應(yīng)用性能趨向于綜合性和組合型。 （1） 小型化 近幾年新研制的電子平臺(tái)秤結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了體積小、高度低、重量輕（即小、薄、輕）的發(fā)展方向。對(duì)于低容量的電子平臺(tái)秤和電子輪軸秤，可采用將薄型或超薄型的圓形稱(chēng)重傳感器，直接嵌入鋼板或鋁板底面與稱(chēng)重傳感器外徑相同的盲孔內(nèi)，形成低外形的秤體結(jié)構(gòu)，稱(chēng)重傳感器的數(shù)量和位置由秤的額定載荷和力學(xué)要求計(jì)算決定。鋼板或鋁板就是秤體的臺(tái)面，稱(chēng)重傳感器既是傳感元件，又是承力支點(diǎn)，極大地簡(jiǎn)化了秤體結(jié)構(gòu)，減少了活動(dòng)連接環(huán)節(jié)，不但降低了成本，而且提高了穩(wěn)定性和可靠性。對(duì)中等或較大容量的電子平臺(tái)秤、電子地上衡，已經(jīng)出現(xiàn)了采用方形或者長(zhǎng)方形閉合截面的薄壁型鋼，并聯(lián)排隊(duì)列焊接成一個(gè)整體的竹排式的秤體，4個(gè)稱(chēng)重傳感器分別安裝在最外邊兩根薄壁型鋼兩端的切口內(nèi)，安裝在稱(chēng)重傳感器承力點(diǎn)上的固定支承就是秤體的承力支點(diǎn)，既簡(jiǎn)化了承力傳力機(jī)構(gòu)，又節(jié)瘁了秤體高度，這是一種很有發(fā)展前途的秤體結(jié)構(gòu)。對(duì)于大型電子平臺(tái)秤，可利用有限元法進(jìn)行等強(qiáng)度和剛度計(jì)算，采用抗彎剛度大的型材和輕型波紋夾心鋼板等。 （2） 模塊化 對(duì)于大型或超大型的承載結(jié)構(gòu)，如大型靜動(dòng)態(tài)電子汽車(chē)衡等，已開(kāi)始采用幾種長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的模塊，經(jīng)過(guò)分體組合，而產(chǎn)生新的品種和規(guī)格。以5、6、7m長(zhǎng)的同寬度3種標(biāo)準(zhǔn)模塊為例，由單塊、二塊、三塊到四塊分體組合，可以組合成長(zhǎng)度為5～28m的22種規(guī)格的分體式秤體結(jié)構(gòu)。當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)各行業(yè)用戶(hù)的需要，選擇其中10余種常用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格即可。這種模塊化的分體式秤體結(jié)構(gòu)，不僅提高了產(chǎn)品的通用性、互換性和可用性，而且也大大的提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)還降低了成本，增強(qiáng)了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。 （3）集成化 對(duì)于某些品種和結(jié)構(gòu)的電子衡器，例如小型電子平臺(tái)秤、專(zhuān)用秤、便攜式靜動(dòng)態(tài)電子輪軸秤、靜動(dòng)態(tài)電子軌道衡等，都可以實(shí)現(xiàn)秤體與稱(chēng)重傳感器，鋼軌與稱(chēng)重傳感器，軌道衡秤體與鐵路線(xiàn)路一體化。 如秤體與稱(chēng)重傳感器一體化的便攜式靜動(dòng)態(tài)電子輪軸秤，多用硬鋁合金厚板制成，其結(jié)構(gòu)原理是經(jīng)過(guò)固溶熱處理強(qiáng)化的鋁合金板，或通過(guò)在4個(gè)角上鉆孔和銑槽分別形成4個(gè)懸臂梁型稱(chēng)重傳感器；或在鋁合金板的底面銑出多個(gè)對(duì)稱(chēng)的盲孔和盲槽形成整體剪切梁型稱(chēng)重傳感器。這就使得秤體與稱(chēng)重傳感器合二為一，即鋁合金板既是秤體臺(tái)面又是一個(gè)大板式稱(chēng)重傳感器。以后者結(jié)構(gòu)的10噸便攜式動(dòng)態(tài)電子輪軸秤為例，其尺寸為720mm×550mm×32mm，重量約為23kg。 (4)智能化 電子衡器的稱(chēng)重顯示控制器與電子計(jì)算機(jī)組合，利用電子計(jì)算機(jī)的智能來(lái)增加稱(chēng)重顯示控制器的功能。使電子衡器在原有功能的基礎(chǔ)上，增加推理、判斷、自診斷、自適應(yīng)、自組織等功能，這就是當(dāng)今市場(chǎng)上采用微機(jī)化稱(chēng)重顯示控制器的電子衡器與采用智能化稱(chēng)重顯示控制器的電子衡器的根本區(qū)別。 （5）綜合性 電子稱(chēng)重技術(shù)的發(fā)展規(guī)律就是不斷的加強(qiáng)基礎(chǔ)研究并擴(kuò)大應(yīng)用，擴(kuò)展新技術(shù)領(lǐng)域，向相鄰學(xué)科和行業(yè)滲透，綜合各種技術(shù)去解決稱(chēng)重計(jì)量、自動(dòng)控制、信息處理等問(wèn)題。例如在流量計(jì)量專(zhuān)業(yè)，如果按照傳統(tǒng)的理論和方法建造一套標(biāo)準(zhǔn)大流量測(cè)量系統(tǒng)，價(jià)格相當(dāng)昂貴。如果采用稱(chēng)重法即質(zhì)量流量法，只要將重量和時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確，大流量的測(cè)量問(wèn)題就迎刃而解了。對(duì)某些商用電子計(jì)價(jià)秤而言，只具備承重、計(jì)價(jià)、顯示、打印功能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，現(xiàn)代商業(yè)系統(tǒng)還要求它能提供各種銷(xiāo)售信息，把稱(chēng)重與管理自動(dòng)化緊密集合，稱(chēng)重系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成一個(gè)完整的綜合控制系統(tǒng)。 （6）組合性 在工業(yè)稱(chēng)重計(jì)量過(guò)程或工藝流程中，不少稱(chēng)重計(jì)量系統(tǒng)還要求具有可組合性，即測(cè)量范圍等可以任意設(shè)定；硬件能夠依據(jù)一定的工作條件和環(huán)境作某些調(diào)整，硬件向軟件方向發(fā)展；軟件能按一定的程序進(jìn)行修改和擴(kuò)展；輸入輸出數(shù)據(jù)與指令可以使用不同的語(yǔ)言和條形碼，并能與外部的控制和數(shù)據(jù)處理設(shè)備進(jìn)行通信。 1.3項(xiàng)目研究意義 現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，對(duì)稱(chēng)重技術(shù)提出了更高的要求，尤其是微處理技術(shù)和傳感技術(shù)的巨大進(jìn)步，大大加速了這個(gè)進(jìn)程。基于當(dāng)前電子秤和便攜秤的現(xiàn)狀和不足，人們高度重視發(fā)展小型化的普及型的便攜式電子秤，設(shè)計(jì)一種重量輕、攜帶方便、計(jì)量準(zhǔn)確、讀數(shù)直觀、價(jià)格低廉的便攜式電子秤（袖珍電子秤）已迫在眉睫。 本項(xiàng)目研究一種用單片機(jī)控制的高精度智能電子秤設(shè)計(jì)方案。這種高精度智能電子秤體積小、計(jì)量準(zhǔn)確、攜帶方便，集質(zhì)量稱(chēng)量功能與價(jià)格計(jì)算功能于一體，能夠滿(mǎn)足商業(yè)貿(mào)易和居民家庭的使用需求，項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)要求與OIML(國(guó)際法制計(jì)量組織)建議基本吻合，與國(guó)際水平接軌。 本項(xiàng)目研究的便攜式電子秤的主要技術(shù)指標(biāo)為： （1） 量程：0～15kg （2） 分度值：0.005kg （3） 誤差：±0.005kg （4） 功能：開(kāi)機(jī)自檢、去皮、計(jì)價(jià)、清零、自動(dòng)休眠、中文液晶顯示、 過(guò)載報(bào)警等；儀器若不進(jìn)行稱(chēng)重操作，5分鐘后自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，降低電源消耗。 第二章 電子秤的硬件構(gòu)成 電子秤的測(cè)量原理是被稱(chēng)量物體的重量使傳感器彈性體發(fā)生變形，輸出與重量成正比的電信號(hào)，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)放大器放大后，輸入轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成的頻率信號(hào)直接送入微處理器中，其數(shù)字量由微機(jī)進(jìn)行處理，而周邊所需要的功能及各種接口電路也和微機(jī)連接應(yīng)用，最后由顯示屏幕以數(shù)字方式顯示。 2.1 電子秤的構(gòu)成 便攜式電子秤硬件系統(tǒng)由應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)系統(tǒng)、鍵盤(pán)/開(kāi)關(guān)、LCD顯示器、打印機(jī)等組成。儀器結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。 顯 示 器 8051單片機(jī) A/D轉(zhuǎn)換器 應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器 放 大 器 鍵盤(pán) 打 印 機(jī) 被測(cè)對(duì)象 圖2.1 儀器硬件結(jié)構(gòu)框圖 2.2 稱(chēng)重傳感器 在電子秤中，傳感器是最關(guān)鍵的部件，也是設(shè)計(jì)中最難處理的環(huán)節(jié)，其性能的好壞直接決定了電子秤的性能。 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使各工業(yè)領(lǐng)域普遍要求用電子衡器來(lái)檢測(cè)重量信息；電子稱(chēng)重技術(shù)由單一的稱(chēng)量用途，延伸到生產(chǎn)過(guò)程和工藝流程等過(guò)程控制領(lǐng)域，特別是物流中各環(huán)節(jié)的自動(dòng)檢測(cè)和監(jiān)控。電子衡器用于電子稱(chēng)重，是國(guó)家重點(diǎn)管理的6種計(jì)量器具之一。稱(chēng)重傳感器是電子衡器產(chǎn)品和電子稱(chēng)重系統(tǒng)的核心部件，其特性直接影響電子衡器整機(jī)的性能。因此，其性能的優(yōu)劣或質(zhì)量的高低，對(duì)整個(gè)稱(chēng)重控制系統(tǒng)起到至關(guān)重要的作用。準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性是稱(chēng)重傳感器的重要的質(zhì)量指標(biāo)，同時(shí)也是用戶(hù)最關(guān)心的問(wèn)題。 由于電子稱(chēng)重裝置的用途、使用場(chǎng)合和精度要求不同，對(duì)稱(chēng)重傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求也不盡相同。一般在選擇稱(chēng)重傳感器的綜合精度（非線(xiàn)性、重復(fù)性和滯后三項(xiàng)指標(biāo)的均方根值）時(shí)，以確保電子稱(chēng)重裝置能夠滿(mǎn)足其總誤差要求為準(zhǔn)，不能片面地追求高精度。在溫度變化較大的場(chǎng)合下使用的傳感器，應(yīng)選擇合適的工作溫度范圍，以確保傳感器在安裝場(chǎng)所的溫度條件下仍能正常地工作。 2.2.1 稱(chēng)重傳感器選用時(shí)需考慮的問(wèn)題 選擇傳感器時(shí)應(yīng)考慮：（1）傳感器的外形尺寸要求和形式；（2）傳感器的密封要求及其他要求；（3）傳感器的精度等級(jí)；（4）傳感器的量程選擇；（5）參數(shù)要求及所帶的電纜長(zhǎng)度。外形尺寸、傳力形式、電纜長(zhǎng)度在稱(chēng)重狀況、稱(chēng)量對(duì)象、現(xiàn)場(chǎng)布局確定的情況下，也是確定的。所以在選擇傳感器時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)： 1.傳感器精度的選擇 傳感器精度的選擇應(yīng)從經(jīng)濟(jì)、實(shí)用及對(duì)傳感器性能的側(cè)重點(diǎn)來(lái)考慮，應(yīng)根據(jù)稱(chēng)量系統(tǒng)實(shí)際要求的精度，合理地確定傳感器的精度等級(jí)。 精度低的傳感器并不意味著它在制作工藝上是粗糙的。各種精度等級(jí)的傳感器，其復(fù)零特性、密封條件、加工工藝都同樣是嚴(yán)格控制的。精度高低是由彈性結(jié)構(gòu)及是否進(jìn)行線(xiàn)性補(bǔ)償決定的。不少?gòu)椥泽w結(jié)構(gòu)，盡管它的自然線(xiàn)性較差，但對(duì)沖擊、密封具有結(jié)構(gòu)上先天的優(yōu)點(diǎn)，所以在測(cè)量精度要求低，但工作狀況惡劣的場(chǎng)合，即對(duì)傳感器性能側(cè)重于復(fù)現(xiàn)性、可靠性的場(chǎng)合，就宜選用低精度、高可靠性的產(chǎn)品。例如：鋼水液位控制和超載報(bào)警傳感器，盡管對(duì)測(cè)量精度無(wú)很多要求，但對(duì)可靠性的要求是極高的，因?yàn)橐坏┌l(fā)生故障，將會(huì)危及設(shè)備和人身安全。 柱式傳感器通過(guò)彈性模量補(bǔ)償、線(xiàn)性補(bǔ)償，可以達(dá)到0.02級(jí)精度。但在低精度使用時(shí)，就不需要進(jìn)行過(guò)于復(fù)雜的補(bǔ)償。這樣，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)上，還是從可靠性方面考慮都是有利的。 相反，在一些要求精確稱(chēng)量的場(chǎng)合，尤其在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú)法進(jìn)行調(diào)整檢測(cè)的電子衡器或測(cè)力系統(tǒng)就不但要求考慮線(xiàn)性、重復(fù)性、滯后三項(xiàng)精度，而且還要考慮因溫度變化引起的誤差、蠕變誤差及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。 2.傳感器量程的選擇 傳感器量程的選擇決定于下列因素：①被稱(chēng)量物料最大的重量；②秤臺(tái)或裝置的自重；③傳感器設(shè)置的數(shù)量；④正常操作下，最大可能產(chǎn)生的偏載；⑤稱(chēng)量狀況下可能出現(xiàn)的動(dòng)載和沖擊以及其他可能附加產(chǎn)生的干擾力。其中，④、⑤兩條對(duì)于不同的衡器、不同稱(chēng)量對(duì)象、不同的進(jìn)料方式是各不相同的。因此，對(duì)于不同類(lèi)型的衡器，在同樣的稱(chēng)量負(fù)荷下，傳感器量程的選擇是不同的。 綜合許多國(guó)外引進(jìn)的電子衡器中的傳感器量程選擇和國(guó)內(nèi)許多衡器廠(chǎng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在稱(chēng)量?jī)x表允許的條件下，一般傳感器選擇量程為實(shí)際最大受載的2～2.5倍。因?yàn)槿魏坞娮雍馄骶豢杀苊獾拇嬖谥鴽_擊、振動(dòng)和偏載，而有些可能產(chǎn)生的力量是難以準(zhǔn)確估計(jì)的；再則，選擇傳感器量程時(shí)所選定的沖擊系數(shù)、重心偏移系數(shù)事實(shí)上也不是很確切的。所以，從電子衡器最根本的性能指標(biāo)——可靠性來(lái)考慮，選用盡可能大的量程無(wú)疑是有利的。 3.傳感器技術(shù)參數(shù)的選擇 傳感器技術(shù)參數(shù)的選擇主要有以下幾個(gè)方面： （1）允許的不重復(fù)性誤差、非線(xiàn)性誤差、滯后誤差。上述技術(shù)參數(shù)應(yīng)依據(jù)系統(tǒng)精度要求確定； (2)傳感器輸出靈敏系數(shù)及是否要求規(guī)范化。輸出靈敏系數(shù)由彈性體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)時(shí)確定的應(yīng)力水平所決定，因此，用戶(hù)應(yīng)遵循生產(chǎn)廠(chǎng)提供的參數(shù)來(lái)選擇。 國(guó)內(nèi)各種傳感器的靈敏系數(shù)和輸出、輸入阻抗正逐步規(guī)范化，以使傳感器成為一個(gè)全國(guó)性甚至國(guó)際上可互換的商品。 (3)橋路阻抗和激勵(lì)電壓。在原稱(chēng)量系統(tǒng)已有激勵(lì)電源的使用場(chǎng)合，使用者必須考慮所選傳感器施加的橋壓。因?yàn)閼?yīng)變片允許通過(guò)的電流是有規(guī)定的（20～25mA）。用戶(hù)應(yīng)根據(jù)已有的測(cè)量系統(tǒng)提供的橋壓選擇合適的應(yīng)變片，以避免產(chǎn)生差錯(cuò)。 （4）復(fù)零特性、溫漂特性、時(shí)漂特性、固有頻率等。對(duì)于一些精密稱(chēng)量場(chǎng)合，在必要時(shí)用戶(hù)可對(duì)生產(chǎn)廠(chǎng)提出一些更詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)要求。 4.傳感器密封狀態(tài)的選擇 對(duì)傳感器來(lái)說(shuō)，在彈性體完成貼片組橋補(bǔ)償后，就開(kāi)始受到環(huán)境中潮氣的侵蝕。在現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)，若不加以可靠密封，就會(huì)受到工作環(huán)境中存在的潮氣、腐蝕性氣體和介質(zhì)、水、灰塵的損害，所以工程上用傳感器必須具有防護(hù)外罩，采用密封措施。 對(duì)于在室內(nèi)干凈、干燥環(huán)境下工作的傳感器，可以選擇涂膠密封的傳感器；而對(duì)于一些在潮濕環(huán)境下工作，甚至可能遭受水淹場(chǎng)合下工作的傳感器，必須選擇膜片熱套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的傳感器。 對(duì)于在嚴(yán)重腐蝕性環(huán)境下工作的傳感器，則必須選擇外表面進(jìn)行噴塑或不銹鋼外罩的傳感器。 2.2.2 稱(chēng)重傳感器的基本結(jié)構(gòu) 常規(guī)稱(chēng)重傳感器的結(jié)構(gòu)基本可劃分為下列幾種，它們各有其適應(yīng)的稱(chēng)量范圍和獨(dú)特的性能，這將為選型提供方便。 1.柱式傳感器 柱式傳感器是一種最古老的結(jié)構(gòu)形式，它的稱(chēng)量范圍比較大，一般為幾十噸到幾百?lài)崱? 2.輪輻式與橋式傳感器 輪輻式傳感器常規(guī)量程范圍在1t～5t之間，多用于電子汽車(chē)秤、電子軌道衡、電子鋼材秤、料斗秤。但在較大量程時(shí)，常因周邊固支剛度不夠而引起較大的滯后誤差，所以目前在國(guó)內(nèi)已大多被量程范圍寬、結(jié)構(gòu)更合理、加工方便的橋式傳感器所取代。在料斗秤及其它適宜采用圓柱外形的場(chǎng)合，輪輻式傳感器仍在應(yīng)用。 橋式傳感器實(shí)際上是一種雙梁式傳感器，國(guó)內(nèi)統(tǒng)稱(chēng)為橋式是由其彈性體形態(tài)似橋而得名。橋式傳感器已普遍用于無(wú)坑式汽車(chē)秤、各種平臺(tái)秤及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電子軌道衡等場(chǎng)合。 3.柱環(huán)式傳感器 對(duì)0.5t～30t量程范圍的拉式傳感器和0.5t～10t范圍的壓式傳感器，柱環(huán)式傳感器是一種很好的結(jié)構(gòu)形式。 柱環(huán)結(jié)構(gòu)本身不具備抗偏、抗彎、抗扭能力，所以國(guó)內(nèi)早期的柱環(huán)式僅用于拉式傳感器。近年來(lái)，由于雙層膜片焊接密封工藝的成熟和單層膜片熱套工藝的普及，柱環(huán)彈性體已開(kāi)始應(yīng)用于壓式傳感器。其精度等級(jí)在0.03～0.05之間，廣泛應(yīng)用于料斗秤、鋼材秤，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力、抗沖擊能力優(yōu)于雙連孔傳感器。 4.剪切梁式傳感器 剪切梁式傳感器主要有剪切懸臂梁和剪切梁式兩種。它們的工作原理相同均是利用剪切原理。以工字截面剪切梁為敏感部位的剪切式傳感器和剪切橋式傳感器是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的一種形式。該種傳感器具有很高的精度和穩(wěn)定性，有很強(qiáng)的抗側(cè)向能力，它不需要線(xiàn)性補(bǔ)償，就能達(dá)到0.02～0.05級(jí)轉(zhuǎn)換精度。其中剪切懸臂梁式傳感器國(guó)外常用的量程范圍為1t～50t，國(guó)內(nèi)大多為1t～10t。剪切橋式傳感器國(guó)內(nèi)常用量程為1t～100t。 由于兩端固支條件、腹板上應(yīng)力分布均優(yōu)于輪輻式，所以近年來(lái)已取代輪輻式傳感器，大量用于電子鋼等火器、電子汽車(chē)秤、電子鋼材秤、容器秤、吊車(chē)秤等電子衡器與各種電子測(cè)力系統(tǒng)中。 5.單S梁式傳感器 量程范圍在0.1kg～10kg的稱(chēng)重傳感器大多采用這種結(jié)構(gòu)。 利用鋁合金彈性模量小的特點(diǎn)，近年來(lái)已能把雙孔彈性體的稱(chēng)量下限延伸到2kg，所以，0.1kg～2kg量程范圍內(nèi)的稱(chēng)量與測(cè)力，就惟有選擇單S梁結(jié)構(gòu)。這種傳感器一般應(yīng)用于一些特殊場(chǎng)合，例如手提式商用秤及其它小力值測(cè)試。主要工藝上做到精細(xì)，靜態(tài)測(cè)量精度可達(dá)0.1～0.05級(jí)，它的缺點(diǎn)是自身剛度小，自振頻率低，不適用于振動(dòng)、沖擊環(huán)境。 6.S形雙連孔式傳感器 國(guó)內(nèi)外2kg～500kg量程范圍內(nèi)的稱(chēng)重傳感器，不論拉式還是壓式結(jié)構(gòu)，均采用雙連孔彈性體作為轉(zhuǎn)換元件。不加線(xiàn)性補(bǔ)償，精度可達(dá)0.02～0.05級(jí)。并且有優(yōu)越的抗偏、抗側(cè)能力，廣泛應(yīng)用于料斗秤和皮帶秤。由于可通過(guò)對(duì)四個(gè)敏感部位銼磨的方法進(jìn)行四角誤差的修正，所以市場(chǎng)上應(yīng)用的大量計(jì)價(jià)秤，幾乎無(wú)一例外地采用了這種結(jié)構(gòu)形式的彈性體。 綜合各方面性能及要求，本項(xiàng)目選用S形雙連孔式傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。 圖2.2 S形雙連孔式傳感器彈性元件 2.3 應(yīng)變式傳感器 稱(chēng)重傳感器按變換原理分類(lèi)，主要有電阻應(yīng)變式、差動(dòng)變壓器式、電容式、壓磁式、壓電式和振頻式等多種。 根據(jù)國(guó)際計(jì)量聯(lián)合會(huì)的會(huì)議記錄，應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器占總稱(chēng)重傳感器的90%以上。在自動(dòng)稱(chēng)量及電子衡器方面，國(guó)外有80%使用電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器，國(guó)內(nèi)的使用量約占90%～95%以上。原因是電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器，無(wú)論是敏感元件——電阻應(yīng)變計(jì)，還是傳感器彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、彈性體材料加工處理、線(xiàn)路補(bǔ)償以及檢測(cè)儀表等方面，技術(shù)都比較成熟，測(cè)量精度比較高，穩(wěn)定性也比較好，并且更有利于產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；a(chǎn)。中國(guó)是家用電子秤稱(chēng)重傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)中心，目前家用電子秤（人體秤、健康秤、脂肪秤、廚房秤、營(yíng)養(yǎng)秤、口袋秤和手提秤等）的稱(chēng)重傳感器主要是應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器。 電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器具有直線(xiàn)性和重復(fù)性好、滯后?。ňC合精度高）、工作可靠、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、疲勞效應(yīng)好、適于動(dòng)態(tài)測(cè)量等特點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可用作多種量程的稱(chēng)重傳感器。因此，是目前在電子稱(chēng)重裝置中應(yīng)用最廣的一種傳感器。 應(yīng)變片式傳感器的工作原理，是利用粘接劑將電阻應(yīng)變片粘貼在金屬?gòu)椥栽?，?dāng)彈性元件受力產(chǎn)生變形時(shí)，電阻應(yīng)變片將該形變轉(zhuǎn)換為阻值的變化，從而測(cè)得被測(cè)力的大小。電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器較其它型的傳感器要好，它主要有如下優(yōu)點(diǎn)： 1. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積下，可制成多種量程的稱(chēng)重傳感器； 2. 直線(xiàn)性和重復(fù)性好，滯后小，目前綜合精度可達(dá)0.05～0.015%； 3. 工作可靠，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好； 4. 可以作成拉、壓兩用，而且受拉和受壓的輸出特性對(duì)稱(chēng)性好； 5. 有互換性，使用方便，容易與電子測(cè)量?jī)x表匹配； 6. 壽命長(zhǎng)，維修使用簡(jiǎn)單； 7. 頻率響應(yīng)好，能進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。 2.3.1 彈性元件 1.彈性元件的結(jié)構(gòu)形式 電阻應(yīng)變片傳感器從工作原理來(lái)說(shuō)，凡是能夠傳遞應(yīng)變的彈性材料，都可作為傳感器的敏感元件，但考慮其工作環(huán)境、安裝部位的空間大小、受力形式、量程范圍、必要的靈敏度、精度要求、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)尺寸等因素，一般多采用環(huán)式、膜式或梁式等形式。在測(cè)量較大的力時(shí)，常用柱式結(jié)構(gòu)。在要求的特殊情況下則可以采用組合型的結(jié)構(gòu)，以提高其靈敏度、精度及使用穩(wěn)定性。 2.彈性元件材料的選擇 一個(gè)良好的傳感器彈性元件的材料應(yīng)具備以下要求： ① 應(yīng)該具有高的強(qiáng)度，以便在高載下，保證有足夠的安全性能； ② 高的彈性極限； ③ 經(jīng)過(guò)最終熱處理后，殘余應(yīng)力小，并具有均勻而穩(wěn)定的組織，而且是各向同性的； ④ 具有良好的抗疲勞性能； ⑤ 彈性滯后盡量??； ⑥ 具有較小的熱膨脹系數(shù)，小而恒定的彈性模量和溫度系數(shù)，使其溫漂最小； ⑦ 良好的機(jī)械加工及熱處理性能； ⑧ 在不采取密封保護(hù)和在腐蝕氣氛下使用時(shí)，應(yīng)具有抗腐蝕能力。 3.彈性元件尺寸的選擇 彈性元件尺寸的選擇必須符合以下三個(gè)方面的要求： ① 彈性元件在粘貼電阻應(yīng)變片的截面上其變形是單一的、均勻的、電阻應(yīng)變片反映的應(yīng)變信號(hào)與所測(cè)參數(shù)之間應(yīng)成線(xiàn)性關(guān)系。 對(duì)于懸臂梁、兩端固支梁、圓環(huán)和框形等彈性元件，為了使彈性元件在受力變形下具有均勻特性，在實(shí)際的結(jié)構(gòu)尺寸選擇中常用到L/H比值。L為懸臂梁有效長(zhǎng)度，H為截面高度。通常L≥70h。 ② 彈性元件受力變形后具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。（對(duì)于圓柱形的彈性元件，在高度L取得過(guò)大、壓縮力達(dá)到一臨界值時(shí)，加一極小的橫向載荷就可以產(chǎn)生很大的橫向撓度，從而使彈性元件失去彈性穩(wěn)定性。因此，減低高度和作成空心圓柱體是提高穩(wěn)定性的方法） ③ 彈性元件應(yīng)該具有較高抗側(cè)向力的能力。提高彈性元件抗側(cè)向力的能力可以有下面幾項(xiàng)措施： a.空心筒體形的彈性元件，不僅穩(wěn)定性好，而且提高了抗側(cè)向力的能力； b.采用附加抗側(cè)力的膜片。由于膜片軸向剛度不大，因此對(duì)傳感器的靈敏度影響甚小，而膜片的橫向剛度卻很大。 c.采用組合式彈性元件主要是提高了抗彎剛度，具有較好的抗側(cè)向力的能力。 2.3.2 應(yīng)變膠 傳感器的精度受彈性元件、應(yīng)變片、應(yīng)變膠以及與之配套的二次儀表的影響，應(yīng)變膠是制造高精度傳感器的關(guān)鍵之一。 實(shí)踐證明，粘結(jié)強(qiáng)度高的膠，并不都能應(yīng)用于應(yīng)變片的粘貼，特別是對(duì)于高精度的傳感器，對(duì)應(yīng)變膠有著更多的要求： ①有一定的粘結(jié)強(qiáng)度； ②能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變； ③蠕變要??； ④機(jī)械滯后??； ⑤耐疲勞性能好； ⑥長(zhǎng)期穩(wěn)定性好； ⑦具有足夠的電磁絕緣性； ⑧對(duì)彈性元件及應(yīng)變片不產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用； ⑨具有適當(dāng)?shù)馁A存期。 2.3.3 應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片分金屬絲式，金屬箔式和金屬薄膜式。 1. 金屬絲式應(yīng)變片 金屬絲式應(yīng)變片有回線(xiàn)式和短接式兩種?；鼐€(xiàn)式應(yīng)變片制作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，成本低，易粘貼，但因彎曲部的變形使其橫向效應(yīng)較大。 為了克服橫向效應(yīng)，采用短接式應(yīng)變片。短接式應(yīng)變片由于焊點(diǎn)多，易在焊點(diǎn)處出現(xiàn)疲勞損壞，制造工藝要求高，使用較少。 2.金屬箔式應(yīng)變片 金屬箔式應(yīng)變片是在絕緣基底上，將厚度為0.003～0.01mm電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀。 它的優(yōu)點(diǎn)是：可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵，以適應(yīng)不同的測(cè)量要求。與被測(cè)試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度。橫向效應(yīng)可以忽略。蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)。它的主要缺點(diǎn)是電阻值的分散性大，有的能相差幾十歐姆，故需要作阻值調(diào)整。 箔式電阻應(yīng)變片的工作原理基本上和電阻絲式應(yīng)變片相同。它的電阻敏感元件不是金屬絲柵，而是通過(guò)光刻技術(shù)、腐蝕等工序制成的一種很薄的金屬箔柵，故稱(chēng)為箔式電阻應(yīng)變片。金屬箔的厚度一般在0.003～0.010mm之間，它的基片和覆蓋片多為膠質(zhì)膜基片，其厚度多在0.03～0.05mm之間。 箔式應(yīng)變片和電阻絲應(yīng)變片相比較，具有如下特點(diǎn)： 1）金屬箔柵很薄。當(dāng)箔材和絲材具有同樣的截面積時(shí)，箔材與粘接層的接觸面積要比絲材大，使它能很好地和彈性體共同工作。其次，箔材的端部較寬，橫向效應(yīng)相應(yīng)地較小，因而提高了應(yīng)變測(cè)量精度。 2）箔材表面積大，散熱條件好，故允許通過(guò)較大的電流，可以輸出較強(qiáng)的電信號(hào)，從而提高測(cè)量靈敏度。 3）箔材的尺寸準(zhǔn)確、均勻且能制成任意的形狀。特別是為制造應(yīng)變花和小標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片提供了可能，從而擴(kuò)大了應(yīng)變片的使用范圍。 4） 便于成批生產(chǎn)。 箔式應(yīng)變片的缺點(diǎn)是生產(chǎn)工序比較復(fù)雜，引出線(xiàn)的焊點(diǎn)采用錫焊不適用于高溫環(huán)境下測(cè)量，另外價(jià)格較絲式為貴。 3. 金屬薄膜應(yīng)變片 金屬薄膜應(yīng)變片是薄膜技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。它是采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1μm以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，最后再加上保護(hù)層，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，可在-197～317℃溫度下工作。主要問(wèn)題是，尚難控制其電阻與溫度和時(shí)間的變化關(guān)系。 本項(xiàng)目選用金屬箔式應(yīng)變片，其粘貼位置如圖2.2所示。 本項(xiàng)目要求稱(chēng)量范圍為0～15kg，重量誤差不大于 ±0.005kg ，考慮到秤臺(tái)自重、振動(dòng)和沖擊分量，還要避免超重?fù)p壞傳感器，所以傳感器量程必須大于額定稱(chēng)重( 15kg)。在稱(chēng)量?jī)x表允許的條件下，一般傳感器選擇量程為實(shí)際最大受載的2～2.5倍，所以我們選擇的傳感器量程為30kg ，精度為 0.01%，滿(mǎn)量程時(shí)誤差 0.003kg 。可以滿(mǎn)足本系統(tǒng)的精度要求。通過(guò)綜合分析，本項(xiàng)目最終確定采用金屬箔應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器，并且其彈性元件為S形雙連孔結(jié)構(gòu)，其原理如圖2.3所示。 2.3.4 應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器的各種補(bǔ)償 電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器在將各應(yīng)變片引線(xiàn)連接成橋路之后，雖然在輸入端加上供橋電壓，輸出端就可得到反應(yīng)重量大小的輸出信號(hào)，但是由于傳感器受到種種因素的影響，而會(huì)產(chǎn)生一系列誤差。因此在實(shí)際使用之前，必須對(duì)傳感器進(jìn)行一系列補(bǔ)償和調(diào)整工作。其中包括溫度補(bǔ)償、靈敏系數(shù)調(diào)整、非線(xiàn)性誤差補(bǔ)償?shù)取＝?jīng)補(bǔ)償和調(diào)整后的傳感器性能指標(biāo)都會(huì)大大提高，并能使有關(guān)參數(shù)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)化要求，便于使用和更換。 2 .3 應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器的原理圖 1. 非線(xiàn)性補(bǔ)償 從理論計(jì)算或?qū)嶋H測(cè)定表明，傳感器的輸出電壓與所加載荷并不絕對(duì)成線(xiàn)性關(guān)系。引起傳感器非線(xiàn)性輸出的主要原因有：電橋的非線(xiàn)性誤差；彈性元件在受載后其橫截面積會(huì)有微小變化，引起應(yīng)力和應(yīng)變量的改變，造成應(yīng)變與載荷之間非線(xiàn)性；彈性元件本身的非線(xiàn)性和應(yīng)變片本身的線(xiàn)性等。但是只要設(shè)計(jì)合理，傳感器的輸出可以達(dá)到很好的線(xiàn)性關(guān)系，因此在一般情況下該項(xiàng)補(bǔ)償可不必做。 2. 溫度補(bǔ)償 為了提高電橋靈敏度或進(jìn)行溫度補(bǔ)償，往往采用四臂差動(dòng)電橋，如圖2.3所示。設(shè)初始時(shí), ,則輸出電壓為 （2-1） 又 （2-2） 式（2-2）中 ——應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)；（一般在1.7～3.6之間，本文取S=2）； ——應(yīng)變片的縱向應(yīng)變； ——應(yīng)變片的電阻（多選用120Ω）； （2-3） 式（2-3）中 ——被稱(chēng)量物品的重量；（） ——彈性體面積； ——彈性體的彈性模量； 由式（2-1）、（2-2）、（2-3）得 （2-4） （S=2） 彈性體、電源確定后，為常數(shù)，令=，則，傳感器的輸出電壓與被稱(chēng)量物品的重量成定比關(guān)系。 2.4 單片機(jī)系統(tǒng) 單片機(jī)與一般的微型機(jī)相比，具有以下特點(diǎn)： 1） 集成度高、體積小 在一塊芯片上集成了構(gòu)成一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)所需的CPU、ROM、RAM、I/O接口以及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等部件，能滿(mǎn)足很多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ布墓δ芤?，因而由單片機(jī)組成的應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積特別小。 2） 面向控制、功能強(qiáng) 單片機(jī)面向控制，它的實(shí)時(shí)控制功能特別強(qiáng)，CPU可以直接對(duì)I/O接口進(jìn)行各種操作，能針對(duì)性的完成從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各類(lèi)控制任務(wù)。 3） 抗干擾能力強(qiáng) 單片機(jī)內(nèi)CPU訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器、I/O接口的信息傳輸線(xiàn)（總線(xiàn)）大多數(shù)在芯片內(nèi)部，因而不易受外界的干擾，另外由于單片機(jī)體積小，適應(yīng)溫度范圍寬，在應(yīng)用環(huán)境比較差的情況下，容易采取對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電磁屏蔽等措施，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠地工作，所以單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性比一般的微機(jī)系統(tǒng)高得多。 4） 使用方便 由于單片機(jī)內(nèi)部功能強(qiáng)，系統(tǒng)擴(kuò)展方便，因此應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，再加上國(guó)內(nèi)外提供了多種多樣的單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具，它們具有很強(qiáng)的軟件調(diào)試功能和輔助設(shè)計(jì)的手段，這樣使單片機(jī)的應(yīng)用極為方便，大大的縮短了系統(tǒng)研制的周期，還可方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制，使整個(gè)控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。 5） 性能價(jià)格比高 由于單片機(jī)功能強(qiáng)、價(jià)格便宜，其應(yīng)用系統(tǒng)的印板小，接插件少，安裝調(diào)試簡(jiǎn)單等一系列原因，使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的性能價(jià)格比高于一般的微機(jī)系統(tǒng)。 6） 容易產(chǎn)品化 單片機(jī)上述特性，縮短了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)自樣機(jī)至正式產(chǎn)品的過(guò)渡過(guò)程，使科研成果迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。 8位單片機(jī)由于其功能強(qiáng)、品種多，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。隨著價(jià)格的不斷下降，估計(jì)今后幾年內(nèi)8位單片機(jī)仍活躍在單片機(jī)的舞臺(tái)上。 使用單片機(jī)可靠、經(jīng)濟(jì)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)各個(gè)行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品的更新?lián)Q代起到重要的推動(dòng)作用。 單片機(jī)廣泛用于各種儀器儀表，使儀器儀表智能化，提高它們的測(cè)量速度和測(cè)量精度，加強(qiáng)控制功能，簡(jiǎn)化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，便于使用、維修和改進(jìn)。用單片機(jī)改造原有的測(cè)量、控制儀表，能促進(jìn)儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、綜合化和柔性化發(fā)展，如溫度、壓力、流量、濃度顯示和控制儀表等。通過(guò)采用單片機(jī)軟件編程技術(shù)，使長(zhǎng)期以來(lái)測(cè)量?jī)x表中存在的誤差修正、線(xiàn)性化處理等難題迎刃而解。目前國(guó)內(nèi)外均把單片機(jī)在儀表中的應(yīng)用看作是儀器儀表產(chǎn)品更新?lián)Q代的標(biāo)志。單片機(jī)在儀器儀表中的應(yīng)用非常廣泛，例如，數(shù)字溫度控制儀、智能流量計(jì)、紅外線(xiàn)氣體分析儀、氧氣分析儀、激光測(cè)距儀、各種醫(yī)療器械、數(shù)字萬(wàn)能表、智能電度表、各種電子秤、皮帶秤以及轉(zhuǎn)速表等。不僅如此，在許多傳感器中，也裝有單片機(jī)，形成所謂智能傳感器，用來(lái)對(duì)各種被測(cè)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理。 MCS-51系列單片機(jī)的應(yīng)用技術(shù)比較成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也很寬。該系列中的8051在我國(guó)被當(dāng)作單片機(jī)的代表，8031是無(wú)ROM的8051，而8751則是用EPROM代替ROM的8051。 8051內(nèi)部主要包括CPU、存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和并行I/O接口、串行I/O接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制及復(fù)位等基本功能電路。 8051單片機(jī)的基本特性如下： （1） 具有8位的中央處理器（CPU）； （2） 芯片內(nèi)有時(shí)鐘發(fā)生電路； （3） 具有4K ROM； （4） 具有128字節(jié)RAM （5） 具有21個(gè)特殊功能的存儲(chǔ)器； （6） 具有4個(gè)I/O端口、32根I/O線(xiàn)； （7） 可尋址64K外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器； （8） 可尋址64K字節(jié)外部程序存儲(chǔ)器； （9） 具有兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器； （10） 可有5個(gè)中斷源，配備2個(gè)優(yōu)先級(jí)； （11） 具有一個(gè)全雙功能串行接口； （12） 具有位尋址能力，適于邏輯運(yùn)算。 8051的引腳排列如圖2.4所示。 2.5 電路設(shè)計(jì) 硬件電路是決定儀器性能的重要因素。便攜式智能儀器的硬件設(shè)計(jì)以輕巧、簡(jiǎn)單、低功耗、低成本為原則，盡量采用集成化芯片，減小電路規(guī)模。本節(jié)對(duì)便攜式電子秤的電路設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，并對(duì)幾種主要單元電路分別進(jìn)行詳細(xì)論述。 2.5.1 稱(chēng)重傳感器的供橋電源 傳感器供橋電源的供電方式一般有直流供電和交流供電兩種。對(duì)于要求反應(yīng)速度高的，如電子秤及軋制力測(cè)量?jī)x等多選用直流供橋。 采用直流供橋的特點(diǎn)是：可以獲得高穩(wěn)定度的直流電源；當(dāng)電橋的輸出信號(hào)是直流時(shí)，則可以使用通用的直流測(cè)量和記錄儀器對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行測(cè)量；對(duì)傳感器至測(cè)量?jī)x表的連接導(dǎo)線(xiàn)要求較低；電橋平衡電路比較簡(jiǎn)單等。其缺點(diǎn)是在信號(hào)的輸送過(guò)程中容易引入工頻干擾，而且所用放大器比較復(fù)雜。 直流電橋的優(yōu)點(diǎn)是高穩(wěn)定度的直流電源易于獲得，電橋調(diào)節(jié)平衡電路簡(jiǎn)單，傳感器及測(cè)量電路分布參數(shù)影響小，在測(cè)量中常用直流電橋。 傳感器的供橋電源，必須具有較高的電壓和頻率穩(wěn)定度，以及足夠大的輸出電流?？梢?jiàn)電橋的輸出電壓除和電阻變化成正比外，同樣還和供橋電壓成正比。 供橋電壓的穩(wěn)定度應(yīng)該根據(jù)傳感器的精度而定，其基本誤差的絕對(duì)值不超過(guò)傳感器基本誤差絕對(duì)值的1/5。 圖2.4 8051引腳排列 稱(chēng)重傳感器的供橋電壓值的選擇，一般是根據(jù)傳感器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中推薦的電壓值或不超過(guò)指定的某一電壓范圍作為傳感器橋路的輸入電壓。對(duì)于電子秤來(lái)說(shuō)，盡管不會(huì)因供橋電壓超過(guò)推薦電壓值而損壞傳感器，但有可能使它的輸出性能變壞。直接影響供橋電壓提高的因素有：電阻應(yīng)變片的形式、應(yīng)變片的面積、應(yīng)變片的電阻值、彈性元件材料、傳感器散熱能力以及環(huán)境溫度等。一般是把傳感器接通供橋電源之后一段時(shí)間內(nèi)（如幾分鐘），達(dá)到熱平衡這一指標(biāo)作為依據(jù)；也有規(guī)定應(yīng)變片的溫度不超過(guò)某一規(guī)定值。從應(yīng)變片的功耗和功率密度角度出發(fā)，通過(guò)計(jì)算求得的供橋電壓值為： （2-5） 式中 ——應(yīng)變片的電阻值（單位為歐姆，取R=120Ω）； ——應(yīng)變片箔柵上的功率密度（瓦/平方毫米）； ——應(yīng)變片箔柵面積（平方毫米）。 上式中、和可根據(jù)傳感器所用的應(yīng)變片形式、電子秤的精度要求、彈性元件材料和散熱條件好壞等因素在有關(guān)資料中查得。Error! No bookmark name given. 2.5.2 電子秤的調(diào)零電路 電子秤的調(diào)零電路，是指用以抵消傳感器的零點(diǎn)輸出和秤體本身的自重而引起的傳感器輸出信號(hào)的一種調(diào)節(jié)電路。它通常是由高穩(wěn)定的電阻、多圈線(xiàn)繞電位器和直流穩(wěn)壓源組成的電橋電路（如圖2.5所示），稱(chēng)之為調(diào)零電橋，將其串接在輸出和測(cè)量?jī)x表之間。通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)零電橋內(nèi)的可變電位器Rb，改變橋路不平衡輸出電壓U02，使之和傳感器空載輸出電壓U01（包括電子秤本身皮重信號(hào)電壓）大小相等、極性相反，這樣就可以使電子秤在空載時(shí)總的輸出電壓U0為零。 簡(jiǎn)單的去皮重電路，是采用并聯(lián)電阻法，即在稱(chēng)重傳感器橋路的輸入端跨接一電位器Rb，并通過(guò)其滑臂和電阻Ra與傳感器橋路輸出端的一端相連，如圖2.6所示。這相當(dāng)于在傳感器橋路的兩個(gè)相鄰橋臂上并聯(lián)兩個(gè)不同阻值的電阻，適當(dāng)調(diào)節(jié)電位器Rb滑臂位置，可使傳感器空載輸出為零。電阻Ra主要是為防止電位器Rb滑臂到兩端點(diǎn)時(shí)將傳感器橋臂的電阻應(yīng)變片短路，同時(shí)亦用于控制調(diào)節(jié)量的大小，Ra愈小，電壓調(diào)節(jié)量愈大。缺點(diǎn)是該電路接入后使電橋相鄰兩臂的等效電阻值下降，這將直接引起傳感器系數(shù)的下降。這在一臺(tái)電子秤使用多個(gè)傳感器的情況下不宜采用，尤其是當(dāng)去皮重調(diào)節(jié)量較大，稱(chēng)重精度又要求較高的場(chǎng)合用得較少。但這種調(diào)零電路的組成比較簡(jiǎn)單，不再需要獨(dú)立的調(diào)零用直流電源。 2.5.3 電子秤的數(shù)據(jù)采集、處理部分 一、 放大器 由于傳感器輸出信號(hào)微弱，需經(jīng)過(guò)放大處理，提高抗干擾能力，所以系統(tǒng)需采用放大器，本項(xiàng)目采用制作方便而且精度很好的專(zhuān)用儀表放大器INA101。 INA101是用于弱信號(hào)放大和通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高精度單片儀用放大器。該器件失調(diào)電壓低，溫度漂移小，輸入阻抗高，最大值為 Ω，具有輸入阻抗電路；非線(xiàn)性誤差最大僅為0.002%，最小可達(dá)0.001%；共模抑制比最高可達(dá)110dB（在50Hz時(shí)為106dB）；芯片設(shè)計(jì)引腳靈活?？蓮V泛用于應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器的信號(hào)放大、熱電偶溫度傳感器的信號(hào)放大、微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)放大、醫(yī)用傳感器發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)距離傳感器的信號(hào)放大等電路中。其基本接法如圖2.7所示，增益，通過(guò)改變 的大小來(lái)改變放大器的增益。由于本項(xiàng)目選用的A/D轉(zhuǎn)換芯片為ICL7135（ICL7135將在后面作介紹），它的模擬輸入電壓為0～±1.9999V，所以放大器的輸出電壓值應(yīng)在0～±1.999V 之間。 二、 A/D轉(zhuǎn)換器 由上面對(duì)傳感器量程和精度的分析可知： A/D 轉(zhuǎn)換器誤差應(yīng)在 0.03%以下 。 12 位 A/D 精度： 15Kg/4096=3.6g 14 位 A/D 精度： 15Kg/16384=0.92g 圖2.5 調(diào)零電橋及其接法 1——稱(chēng)重傳感器；2——調(diào)零電橋；3——測(cè)量?jī)x表 考慮到其他部分所帶來(lái)的干擾，12 位 A/D 無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)精度要求。 所以我們需要選擇 14位或者精度更高的A/D。 雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器精度高，但速度較慢(如：ICL7135)，具有精確的差分輸入，輸入阻抗高（大于 ），可自動(dòng)調(diào)零，超量程信號(hào)，全部輸出與TTL電平兼容。 圖2.6 并聯(lián)電阻法 圖2.7 INA101的基本接法 雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器具有很強(qiáng)的抗干擾能力。對(duì)正負(fù)對(duì)稱(chēng)的工頻干擾信號(hào)積分為零，所以對(duì)50HZ的工頻干擾抑制能力較強(qiáng)，對(duì)高于工頻干擾（例如噪聲電壓）也有良好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零，對(duì)輸出就不產(chǎn)生影響。尤其對(duì)本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號(hào)，很容易受到工頻信號(hào)的影響。故而采用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器可大大降低對(duì)濾波電路的要求。 作為電子秤，系統(tǒng)對(duì) A/D的轉(zhuǎn)換速度要求并不高，精度上14位的AD足以滿(mǎn)足要求。另外雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器較強(qiáng)的抗干擾能力，和精確的差分輸入，低廉的價(jià)格。綜合的分析其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，我們最終選擇了ICL7135。 圖2.8 ICL7135與8051單片機(jī)的接口電路 ICL7135是一種常用的4位半雙積分型單片集成ADC芯片。其分辨率相當(dāng)于14位二進(jìn)制數(shù)；轉(zhuǎn)換精度高，轉(zhuǎn)換誤差為1LSB；并且能在單極性參考電壓下，對(duì)雙極性的輸入模擬電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；模擬輸入電壓范圍為0～±1.9999V。芯片采用了自動(dòng)校零技術(shù)，可保證零點(diǎn)在常溫下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；模擬輸入可以是差動(dòng)信號(hào)，輸入阻抗極高。ICL7135轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出是動(dòng)態(tài)的，因此必須