电子秤的设计与制作开题报告

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1、CQWU/JL/JWB/ZY012-14毕业论文(设计)开题报告学院： 电子电气工程学院 年级： 2011级 专业(班）： 微电子制造工程1班 学号： 201108071033 学生姓名： 甘清华 指导教师： 谭 菊 论文题目： 电子秤的设计与制作 2014年 11月 12日重庆文理学院本科毕业论文（设计）开题报告论文题目电子秤的设计与制作系（院）专 业电子电气工程学院电子信息科学与技术（微电子制造工程）年 级2011级开题日期2014-11-23学 号201108071033姓 名甘清华指导教师谭菊1、 选题目的和意义： 1.1选题目的:生活中，称重系统无处不在，大小型超市以及各个市场都需要

2、称重。为了满足生活中，各种环境对称重的精度、量程的不同要求，方便人们的生活，研究不同精度、量程的电子秤应用于不同行业是不可或缺的。通过研究并制作称重量程为1-5kg，精度为0.003kg的电子秤满足生活使用的需求。1.2选题意义：电子秤已经广泛运用在日常生活中，是我们精确测量物体重量并显现出来的一种衡器。几乎称重时都会用到，小到超市，菜场的称重，大到工程中的称重。电子秤主要特点是体积小，电路比较简单，应用广泛，有很多量程和精度可以选择，满足很多场合的要求。电子秤的应用相比于传统的利用杠杠原理制作的称量仪器精度高得多，且用途更加广泛，不会受到太大的限制。研究和制作一定精度的电子秤对人们生活中有着

3、重要的意义。基于单片机的电子秤的研究与设计对于电子秤的应用也有着重要意义，能够延伸其应用范围和扩展单片机的理论知识。对衡器的研究也起到重要作用，可以推进衡器的改进与发展。2、国内外研究现状综述：中国是发展中国家，在国际上，电子秤行业与发达国家相比有1015年的差距。在我国，电子秤行业虽然得到了快速，稳步的发展，但与国外的差距仍然较大，主要体现在科技创新及其产业化进展缓慢；关键核心技术匮乏；产品稳定性和可靠性得不到根本性解决。但在我国，随着经济的发展，为了把称重技术引入到生产过程中去，对称重技术提出了新的要求，希望称重过程自动化，为此电子技术渗入电子秤设计、制造业中。我国的衡器在20世纪40年代

4、以前还全是机械式的很笨重，很不方便。从40年代开始发展了机电结合式的衡器。50年代开始出现了以称重传感器为核心的电子衡器。60年代初期出现了机电结合式电子衡器。80年代以来，我国通过自行研究进行技术改造和自主创新。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型发展到现在的数字电子型和数字智能型。我国电子衡器的设计、制造技术和检测技术基本达到国际90年代中期的水平。已由传统的机械式衡器步入集传感器、微电子技术、计算机技术于一体化的电子衡器的快速发展阶段。杨东海在期刊水利电力机械中写到，电子秤现在已被社会所公认，它能完成一般机械称所不能实现的计量问题，所以电子秤的研究与开发越来越得到社会

5、的重视。目前，虽然国在电子秤测量精度上与外国产品相差一个数量级，但我国在电子秤研究方面也取得了很大成就。在第九届称重技术研讨会中，张书芳提出的门座式起重机动态电子秤，主要应用与大型动态称重系统中。罗及红在计算机测量与控制一书中发表了以DSP处理器TMS320LF2407为信息处理核心的高精度电子秤的设计，电子秤的各项性能均优于国家标准非自动秤通用检定规程JJG555-1996规定的三级秤指标。另外，国际电子秤产品已网络化，我国基本上处在起步阶段，如上海三积电子有限公司的唐令第发表的网络一体化的智能电子秤一书中，说明了其设计，并申请了专利。杨柯编写的只能网络电子计价秤也获得了专利，说明我国的电子

6、秤网络化也在慢慢地发展。另外目前国内的装载机电子秤发展的一点也不逊色于国外，无论是精度还是稳定性上来说，都可以达到了国际先进水平。从以上的一些资料不难看出，我国的电子秤的发展正处于一个快速，稳定的发展阶段。而且也在朝着多方向，高精度，网络化，智能化的方向发展。在不久的将来，我国的电子称重技术不仅能够赶上国际的水平，而且有些技术也能够领先世界水平。在国外，电子秤很早就存在，而且发展速度很快。一些发达国家，如美国，德国，西欧，电子秤重已达到了很高的水平。特别是在准确度和可靠性等方面有了很大的提高。特别是近30年以来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都离不开电子衡器。这

7、是由于电子衡器不仅给出质量或重量信号，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。随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子秤的发展奠定了基础，国外如美国、西欧等一些国家在20世纪60年代就出现了0.1%称量准确度的电子秤，并在70年代中期约对75%的机械称进行了机电结合式改造。如今，外国的电子秤以发展到全电子化，智能化，网络的阶段。外国产智能化程度相当高，通过对原始信息的数字处理，更好地排除了外部干扰对信息影响，提高了产品的耐环境性和测量真实性。而且电子秤产品的网络化在国外已经进入实用阶段。如今，国外电子秤产品的品种和结构又有创新，技术功能和应用范围不断扩大。例如：美国Revere公司

8、研制出PUS型具有大气压补偿功能的拉压两用的称重装置，精度可达5000d；德国HBM公司研制出的C2A、C16A两种不能结构的1-100t,具有耐压外壳保护的防暴称重装置；美国斯凯梅公司研制出的新一代高精度不锈钢F60X系列5-50000kg称重装置，用于湿度大，腐蚀性强的环境中，防水；德国赛特内尔公司研制出以青铜为弹性体材料，快速称重用200型称重装置，其线性好，固有频率高，动态响应快，精度达4000d。3、 选题研究内容：本设计以单片机AT89S52为控制核心，实现电子秤的基本策略及价格计算功能。该系统可以分为单片机最小系统、数据采集系统、人机交互界面系统、电源系统四大系统组成。单片机最小

9、系统部分主要包括AT89S52和经典复位电路；数据采集部分由称重传感器，主要使用电阻应变式传感器，信号放大和A/D转换部分组成，信号放大和A/D转换部分主要由专用型高精度24位AD转换芯片HX711实现；人机交互界面为键盘输入和LCD液晶显示，可以方便的输入数据和直观的显示数据。整个系统的硬件由下面的系统设计框图组成。A/D转换器 单片机LCD（显示模块）超重报警压力传感器4*4矩阵键盘输入信号采集被测物体 图1系统设计框图3.1压力传感器：传感器是测量机构最重要的部件。称重传感器本身具有单调性，其主要参数指标是灵敏度、总误差和温度漂移。(1)灵敏度称重传感器的电灵敏度为满负荷输出电压与激励电

10、压的比值，典型值是2mV/V。当使用2mV/V灵敏度和5V激励电压的传感器时，其满度输出电压为10mV。通常，为了使用称重传感器线性度最好的一段称重范围，应当仅使用满度范围的三分之二。因此满度输出电压应当大约为6mV。当电子秤应用于工业环境时，在6mV满度范围内测量微小的信号变化并非易事。(2)总误差总误差是指输出误差和额定误差的比值。典型电子秤的总误差指标大约是0.02%，这一技术指标相当重要，它限制了使用理想信号调节电路所能达到的精确度，决定了ADC分辨率的选择以及放大电路和滤波器的设计。(3)漂移称重传感器也产生与时间相关的漂移。目前常用的称重传感器有电阻应变式压力传感器、电容压力传感器

11、、压电式压力传感器。选用时应按稳定行、精度登记、寿命和安装环境要求考虑，其主要特点如下：电容式压力传感器稳定性较差，精度和灵敏度较高，寿命较短，对环境要求苛刻，不易长距离传输；压电式压力传感器稳定性好，精度和灵敏度高，寿命长，但大量程的压力传感器尚待进一步研究；电阻应变式压力传感器稳定性较好，精度和灵敏度较高，寿命较长，对测量环境要求不太严格。综上所述，选用电阻应变式压力传感器作为电子秤称重传感器是最为合适的。电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片（转换元件）受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或

12、减小），从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，供后续电路测量和处理。3.2 A/D转换器：HX711采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。3.3单片机控制系统：单片机这里选用STC89C52。通过单片机编写程序，让单片机处理A/D转换后的数字信号和键盘控制电路的输入信号，实现电子秤的基本功能。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8

13、K 在系统可编程STC89C52引脚图 DIP封装Flash存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 STC89C52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，STC89

14、C52可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。所以这里选用这款单片机。3.4 人机交互系统：通过4*4的矩阵键盘实现输入单价、归零、回删等功能。矩阵式键盘的结构与工作原理：在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比直接将端口线用于键盘多

15、出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。通过LCD显示物体的重量、单价以及总金额。LCD液晶显示器是一种极低功耗显示器，从电子表到计算器，从袖珍时仪表，到便携式微型计算机以及一些文字处理机都广泛利用了液晶显示器。3.5 报警系统：一个完美的电路设计,不但只是能够保证系统能够在正常条件下稳定运行,还要能够使系统在非正常情况下向用户发出警告,以便使用户发现问题。为此，在设计系统后，又添加了报警部分电路，当传感器检测到的信号经过模数转换和单片机处理后大于系统的称重范围

16、时，发出报警信号。研究最终实现功能：通过压力传感器获取重量信息，再将采集到的信息进行放大，利用A/D转换器把输入的模拟信号转化成数字信号送入单片机进行处理；单片机通过运算和处理，进行相应的控制,在此基础上通过4*4矩阵键盘操作，实现LCD显示和超重报警；称量范围为1-5kg，测量精度要求达到0.003kg。4、本选题研究技术路线、研究方法和要解决的关键问题4.1研究技术路线：在整个设计中，人机交互系统非常重要。这里采用矩阵式键盘的按键识别方法：确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，判断键盘中有无键按下将全部行线D0-D

17、3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。判断闭合键所在的位置在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐列检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。在本系统中键盘采用矩阵式键盘并采用中断工作方式。键盘为4*4键盘，包括清零的按钮，单价按钮，删除键，一个确认按钮。采用中断工作方式提高了CPU的利用效率，没键按

18、下时没有中断请求，有键按下时，向CPU提出中断请求，CPU响应后执行中断服务程序，在中断程序中才对键盘进行扫描。4.2研究方法：(1) 调研文献，收集数据以及国内外文献资料(2) 进行总体设计方案的论证及分析确定设计方案、参数和电路结构(3) 根据设计方案进行硬件电路设计，确定电子元件型号设计电路原理图绘制PCB电路图(4) 进行软件设计并进行调试与仿真(5) 进行软硬件结合调试测试电路性能并分析结果验证系统实际效果进一步修改完善系统4.3要解决的关键问题：(1)实现精度为0.003kg，筛选使用高精度的元器件(2)矩阵键盘实现输入单价、归零、回删功能5、调研计划及主要参考文献调研计划：(一)

19、文献调研阶段： 2014年10月8日2014年11月8日 (二)确定设计方案阶段： 2014年10月8日2014年11月8日 (三)撰写开题报告阶段： 2014年10月8日2014年11月12日(四)实物制作与调试阶段： 2014年11月30日2015年4月30日(五)论文初稿写作阶段： 2015年 4月30日前 (六)论文修改阶段： 2015年3月1日2015年4月 30日(七)答辩： 2015年5月16日2015年5月17日 主要参考文献：1 程林. 超省电型电子秤的设计方案J. 福建省计量科学技术研究所.2008,(3)：492 王建华.敬大德,曹少飞.基于双悬臂梁结构的应变测量传感器研

20、究J.传感技术报.2005,18(3):5-83 陈阳海.单片机的基本结构与工作原理（一）单片机的典型结构及AT89S5x系列单片机J.电子制作.2008，1（1）：3194 杨东海.国内外电子秤的发展趋向及几点看法J.水利电力机械.2009，12（11）:23285 罗及红.高精度电子秤的设计J.计算机测量与控制.2010，18（8）：56646 AT89x5x PreliminaryJ. Atmel Crop.2008:1251397 Long Wen.Developing of High Accuracy and Low Capacity Strain Guge Based Load C

21、ELL for Electronic ScaleR.Jiansu changzhou.2009,15(3):91998 陈昌，王忠福.高精度称重变送器设计J.中国仪器仪表.2005，5：58619 于敬芬基于AT89S52和TLC0834的数据采集系统J中国水运（学术版），200610王素珍，郑淑芬，周梅称重配料系统传感器电源及放大电路J传感器技术.2001,20(2):464811 张松涛.基于应变式传感器技术的智能称重系统设计J.传感器与自动测控技术.2002，21（3）：404312 郭爱琴，郭午阳，朱利民，等.多传感器电子秤非线性补偿电路的研究J.传感器与微系统.2006，25（1）：

22、394113 赵得安.单片机原理与应用M.北京：机械工业出版社，2009 14 康华光.电子技术基础（第四版）M.北京：高等教育出版社，200815 江太辉，石秀芳.MCS-51系列单片机原理与应用M.广州：华南理工大学出版社，200216 陈杰，陈绿深.传感器与检测技术M.高等教育出版社.200217 G.Chen,Y.Wang,G.Wu.Frequencydomainidentificationofflexible structure with the resistance strain gauge sensor. Intelligent Control and Automation,2004. WCICA 2004.Fifth World CongressC,20046、指导教师意见： 指导教师（签名）：年 月 日7、本科毕业论文（设计）指导小组意见： 系（院）（盖章） 年 月 日说明：开题报告应在教师指导下由学生独立撰写。在第8学期1-2周内完成，交指导教师审阅，并接受学校和系（院）检查。