新型便携式电子秤研究

1新型便携式电子称的设计摘要现代社会的发展，对称重技术提出了更高的要求。目前，台式电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍，但存在较大的局限性：体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。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，居民用户使用的是国家已经明令淘汰的杆秤。多年来，人们一直期待测量准确、携带方便、价格低廉的便携式电子秤投放市场。本文设计了一种便携式电子秤，论述了仪器的工作原理，介绍了仪器的误差来源与误差分配，给出了仪器电路设计与软件流程，探讨了仪器的工程设计技术。针对电容式称重传感器非线性影响大的问题，提出并建立了电容式称重传感器的非线性影响模型与校正模型，为便携式电子秤的低成本准确称量奠定了理论基础。便携式电子秤主要由电源、称重传感器、单片机、键盘/开关、LCD显示器等部分构成。主要技术指标为：称量范围0～10kg；分度值0.01kg；精度等级Ⅲ级；电源DC1.5V。仪器的技术指标参考了目前国内市场上使用最多、国内外产量最大的电子衡器的技术指标，其合理性无疑加大了产品投放市场后的竞争能力。仪器主要功能有自检、去皮、计价、累计、单价设定、过载报警和欠压提示等。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。新型便携式电子秤体积小、计量准确、携带方便、操作简单、称量速度快，并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，具有广阔的应用前景。关键词：便携式电子秤；电容式称重传感器；非线性校正；PIC16F877单片机；误差分配；工程设计AbstractThedevelopmentofthemodernsocietyhasputforwardhigherrequestonweighingtechnology.Thedesk-topelectronicscaleshavebeengreatapplicationincommercialtrade,buttheyhavemanyshortcomingssuchaslargevolume,highcost,ACsupplypowerandnotcoveniencetocarry,sotheyarerestrictedtouse.Theusualportablescalesareleverscaleswhicharemostlyusedbyresidents,andspringbalancewhichmeasurethroughcompressionordrawingofspring.Theyarebeingrejectedfortheirbigmeasuringerrors.Peoplehavebeenexpectingcheapportableelectronicscaleswhichcanmeasureaccuratelyandbecarriedconvenientlyformanyyears.Thisthesisdesignsnew-typeportableelectronicscales.Itdiscussestheinstrumentalworkingprinciple,andintroducesitserrorsourcesandhowtodistributetheerror.And,theinstrumentalcircuit,software-flow-chartandengineeringdesigningtechnologyarepresented.Becausecapacitanceweighingsensorisofbadnon-linearity,theauthorputforwardandsetupamathsmodeltorevisenon-linearity,whichestablishesthetheorybasisfortheinstrumenttomeasureaccuratelyandbelow-cost.Theportableelectronicscalesconsistofpower,weighingsensor,2microchip,keyboard/switch,LCDandetc.Itstechnicalindictorsinclude10kgmaximalmeasuringrange,10gdivisionvalue,Ⅲprecision,1.5Vworkvoltage.Itstechnicalindictorsrefertotheindictorsoftheelectriconicmeasuringtoolsofmostpopularityinthemarketsandoflargeoutputathomeandboard,sotheinstrumentisstrengthenedthecompetitivepowerafterputtingonmarkets.Itpossessesmanyintelligentfunctions,suchasshelling,lack-of-powerdisplay,overloadalarm,unitpriceenactement,accumulationcomputation,self-calibratingandetc.Itcan“sleep”automaticallyinfiveminutesifitisnotmeasuring.New-typeportableelectronicscalescanmeasuremassrapidlyandaccuratelyandcommunicatevalue.Furthermore,itissmall,simplystructured,easytooperateandconvenienttocarry.Theinstrumentisabletomeettheneedsofcommercialtradeandresidents,soitsapplicationhasabrightfuture.KeyWords:PortableElectronicScales;CapacitanceWeighingSensor;Non-linearityRevision;MicrocontrollerPIC16F877;Errordistribution;EngineeringDesign第1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称重技术和衡器的发展衡器是通过作用于被测量物体的重力来确定该物体质量的计量器具。在整个衡器的发展过程中，先后主要出现了六种类型的衡器：架盘天平、不等臂平台秤、吊车秤、倾斜象限杆秤、弹簧秤和自动秤。其中，不等臂平台秤（“十进秤”）是当今动态轨道衡的鼻祖，至今它仍是最通用的一种秤。第一次世界大战后，由于贸易和工业发展的需要，急需能进行快速称量的衡器。机械式衡器在此期间得到很大的发展。当时以倾斜杠杆案秤占绝大多数，读数装置除扇形度盘外，还有滚筒形度盘，从而扩大了读数范围并可附加价格标尺。以后又出现了用于工业的带双摆锤测量机构的圆形度盘指针式秤和成本低廉、带投影标尺的倾斜式杠杆秤。第二次世界大战后出现了电子衡器，它主要由称重显示控制器、称重传感器和电器控制等部分组成，其发展过程与其它事物一样，经历了由简单到复杂、由粗糙到精密、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。二十世纪50年代中期，为了把衡器引入生产工艺过程中去，使称重过程自动化，电子技术渗入了衡器制造业。60年代初期，出现了称量工作是机械式的，与称量有关的显示、记录、远传式控制等功能是电子方式的衡器，即机电结合式电子衡器。近30年以来，工艺流程中的现场称量、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出电信号的电子衡器。这是因为电子衡器不仅能给出3质量或重量值的信号，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制和检验功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。电子衡器具有反应速度快，测量范围广、应用面广、结构简单、使用操作方便、信号远传、便于计算机控制等特点，计量精度高，而且实现了多功能、多用途。电子衡器已被广泛应用于各个行业，近年来愈来愈多地参与到数据处理和过程控制之中，使现代称重技术和数据系统成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可缺少的组成部分[1]。电子衡器种类繁多，且涉及到贸易结算和广大消费者的利益，所以为世界各国政府普遍关注和重视，并被确定为我国强制管理的法制计量器具。电子衡器是自动化称重控制和贸易计量的重要手段，对加强企业管理、严格生产、贸易结算、交通运输、港口计量和科学研究都起到了重要作用。目前电子衡器主要分为非自动衡器和自动衡器。我国电子衡器经过40多年的不断改进与完善，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90年代中期的水平。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。但就总体而言，我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。电子衡器已从过去的引进技术进入了自行开发和设计的时期，尤其是用于非自动衡器方面的称重显示控制器的开发突飞猛进。而市场上普遍使用的是非自动衡器，它主要用于贸易结算方面，也是群众接触最多的电子衡器，例如其中普遍使用的电子计价秤、电子台秤和电子汽车衡；动衡器一般较常见于工矿企业的配料秤、定量包装秤等。1.2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。钢板或铝板就是秤体的台面，称重传感器既是传感元件，又是承力支点，极大地减化了秤体结构，减少了活动连接环节，但降低了成本，而且提高了稳定性和可靠性。对中等或较大容量的电子平台秤、电子地上衡，已经出现了采用方形或长方形闭合截面的薄壁型钢，并联排队列焊接成一个整体的竹排式结构的秤体，4个称重传感器分别安装在最外边两根薄壁型钢两端的切口内，安装在称重传感器承力点上的固定支承就是秤体的承力支点，既减化了承力传力机4构，又节省了秤体高度，这是一种很有发展前途的秤体结构。对于大型电子平台秤，可利用有限单元法进行等强度和刚度计算，采用抗弯刚度大的型材和轻型波纹夹心钢板等。（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