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-1-第一节绪论1.1电子秤的发展过程及其优点和意义50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过40多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。我国电子衡器的技术装备和检测试验手段基本达到国际水平。电子衡器制造技术及应用得到了新发展。电子称重技术从静态称重向动态称重发展：计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器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。电子秤属于电子衡器的一种，它的发展也遵循这一趋势。随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远距离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。做为重量测量仪器，智能电子秤在各行各业开始显现其测量准确，测量速度快，易于实时测量和监控的巨大优点，并开始逐-2-渐取代传统型的机械杠杆测量称，成为测量领域的主流产品。1.1.1手提电子秤在日常生活中的应用随着生活水平的提高，商品的种类和样式越来越来多，我们出门买东西无论是在超市还是在市场都经常会用到电子称，电子称在我们的日常生活中已经成为必不可少的工具，手提电子秤具有称重精确度高，简单实用，成本低，制作简单，测量准确，分辨率高，不易损坏和价格便宜等优点受到人们的喜爱，是家庭购物使用的首选。所以近年来，手提电子秤得到了快速的发展。1.2手提电子秤设计的要求和任务1.2.1手提电子秤设计的要求1）采用电阻应变式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号；2）称重范围：不超过5kg；3）测量精度：≤±0.01%；4）显示方式：LCD显示。1.2.2手提电子秤设计的任务1）合理设计数据采集和显示系统的总体方案并画出方框图；2）设计信号调理电路，合理选择元器件的型号和参数；3）正确选择A/D，使分辨率满足测量精度，正确设计单片机系统电路和显示单元；4）用protel绘制详细电路原理图，标明元器件的型号、参数和引脚功能符号，电路图应符合电气要求；5）设计并绘制软件流程图，流程图要模块化并具有可读性；-3-6）按学校《课程设计说明书撰写规范》提交一份课程设计说明书1.3手提电子秤总体方案的设计首先利用由电阻应变式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号，称重传感器输出的电量是模拟量，数值比较小达不到A/D转换接收的电压范围。所以送A/D转换之前要对其进行前端放大、整形滤波等处理。然后，再由A/D转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，传送到显示电路，最后由显示电路显示数据。其数据显示部分采用LCD显示，成本低且能很好地实现所要求的功能。总体设计的基本工作原理方框图如下：电路方框图为：电阻应变式传感器输出信号差动放大电路放大信号显示电路（LCD）A/D转换电路（双积分）-4-第二节硬件电路设计2.1传感器的选择及其组成的测量电路根据设计要求，选用电阻应变式传感器（straingaugetypetransducer），它是以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。常用的电阻应变式传感器有应变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器、应变式位移传感器等。电阻应变式传感器的优点是精度高，测量范围广，寿命长，结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可采取一定的补偿措施。因此它广泛应用于自动测试和控制技术中。2.1.1应变式电阻传感器的工作原理1）金属的电阻应变效应设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：R=ρL/S（Ω）……（2—1）-5-当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。此外，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。对式（2--1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有：ΔR=ΔρL/S+ΔLρ/S–ΔSρL/S2……（2—2）用式（2--1）去除式（2--2）得到：ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L–ΔS/S……（2—3）另外，知道导线的横截面积S=πr2，则Δs=2πr*Δr，所以ΔS/S=2Δr/r……（2—4）从力学知识知道：Δr/r=-μΔL/L……（2—5）其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。因此式（2--3）可写为：ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L+2μΔL/L=（1+2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L=kε……（2--6）其中，K=1+2μ+（Δρ/ρ）/（ΔL/L）…（2--7）需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。2)应变片的测量原理-6-用应变片测量受力应变时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转化为相应的电压或电流的变化。2.1.2电阻应变式传感器的分类和选择电阻应变式传感器分类有很多种，测量力的主要有应变式力传感器和应变式压力传感器，而应变式压力传感器主要用于液体、气体压力的测量，从设计要求上选用应变式力传感器。因为设计要求测量小的载荷，考虑经济因素，所以选用双孔悬臂梁式力传感器，型号是CHBL3，其图形如下：2.1.3传感器的转换电路的设计测量电路把电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。因为全桥差动电路灵敏度高，并且具有温度补偿作用，所以转换电路采用全桥差动电路。应变片全桥是指四个桥臂都接有应变片，它由箔式电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，测量电桥的电源由稳压电源E供给。物体的重量不同，电桥不平衡程度不同。滑动式线性可变电阻器R-7-P1组成零调整电路，当载荷为0时，调节RP1使数码显示屏显示零。如下图所示，（图一）此时相邻桥臂所接的应变片承受相反应变，相对桥臂所接的应变片承受相同应变，设计时要求：R1=R2=R3=R4=R、R5=R6、ΔR2=ΔR3=ΔR、ΔR1=ΔR4=—ΔR，传感器输出的电压为：U=1/4E(ΔR1/R1+ΔR2/ΔR2+ΔR3/R3+ΔR4/R4)=E*ΔR/R2.2信号放大电路的设计在许多需要用A/D转换和数字采集的测量系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。LM358双运算放大器内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，-8-也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合，其内部结构如下图1所示：LM358的特点:.内部频率补偿.低输入偏流.低输入失调电压和失调电流.共模输入电压范围宽，包括接地.差模输入电压范围宽，等于电源电压范围.直流电压增益高(约100dB).单位增益频带宽(约1MHz).电源电压范围宽：单电源(3—30V)；.双电源(±1.5一±15V).低功耗电流，适合于电池供电-9-参数：输入偏置电流45nA输入失调电流50nA输入失调电压2.9mV输入共模电压最大值Vcc~1.5v共模抑制比80dB电源抑制比100dB2.3A/D转换电路的设计双积分型A/D转换器精度高，但速度较慢,具有精确的差分输入，输入阻抗高，可自动调零，超量程信号，全部输出于TTL电平兼容。双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力,对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50HZ的工频干扰抑制能力较强，对高于工频干扰（例如噪声电压）已有良好的滤波作用。只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。故而采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。作为电子秤，系统对AD的转换速度要求并不高，双积综合的分析其优点和其价格低廉的因素，在加上设计要求测量精度小于等于+0.01%，选择使用双积分A/D转换器ICL7135（精度相当于14位二进制数）。ICL7135是四位半的双积分A/D转换器，采用28脚DIP封装，可直接与单片机进行连接，它带有输出译码器，可直接驱动液晶显示器。ICL7135与液晶显示器被设计成一个量程为5mV的电压表。便携式电子手提秤的量程为5kg，称重传感器在5kg时的输出约为5mV。-10-ICL7135引脚图如下：它的每一引脚功能是：{1}脚（Ｖ－）－５Ｖ电源端；{2}脚（ＶＲＥＦ）基准电压输入端；{3}脚（ＡＧＮＤ）模拟地；{4}脚（ＩＮＴ）积分器输入端；{5}脚（ＡＺ）积分器和比较器反相输入端；{6}脚（ＢＵＦ）缓冲器输出端；{7}脚（ＣＲＥＦ＋）基准电容正端；{8}脚（ＣＲＥＦ－）基准电容负端；{9}脚（ＩＮ－）被测信号负输入端；{10}脚（ＩＮ＋）被测信号正输入端；{11}脚（Ｖ＋）＋５Ｖ电源端；{12}、{17}～{20}脚（Ｄ１～Ｄ５）位扫描输出端；{13}～{16}脚（Ｂ１～Ｂ４）ＢＣＤ码输出端；{21}脚（ＢＵＳＹ）忙状态输出端；{22}脚（ＣＬＫ）时钟信号输入端；{23}脚（ＰＯＬ）负极性信号输出端；{24}脚（ＤＧＮＤ）数字地端；{25}脚（Ｒ／Ｈ）运行／读数控制端；{26}脚（ＳＴＲ）数据选通输出端；{27}脚（ＯＲ）超量程状态输出端；{28}脚（ＵＲ）欠量程状态输出端。-11-其主要性能特点：１）输入阻抗达１０９Ω以上，对被测电路几乎没有影响；２）自动校零；３）有精确的差分输入电路；４）自动判别信号极性；５）有超、欠压输出信号６）采用位扫描与ＢＣＤ码输出。2.3.1单片机的选择目前MCS-51系列单片机以其独特的优点在智能仪表，家用电器，工业控制，数据采集，网络通信等领域得到广泛的应用，已成为世界主流的单片机，AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程。其引脚图如下：-12-单片机AT89C52与A/D转换器ICL7135的连接示意图如下：2.4显示电路的设计显示部分可以将处理得出的信号在显示器上显示，让人们直观的看到被测体的质量，也可以进行报警提示。LCD液晶显示器是