数字电子秤设计开题报告

1 论文题目论文题目数字电子秤设计 一 选题背景和意义一 选题背景和意义 称重技术自古以来就被人们重视 作为一种计量手段 广泛应用于工农业 科研 交通 内外贸易等各个领域 与人民的生活息息相关 随着科技 经济的 发展 电子秤在日常生活中的适用范围越来越广 成为日常生活中常用的电子衡 器 广泛应用于超市 大中型商场 物流配送中心 电子秤在结构和原理上取代 了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具 相比传统的机械式称量工具 电子 秤具有称量精度高 装机体积小 应用范围广 易于操作使用等优点 在外形布 局 工作原理 结构和材料上都是全新的计量衡器 实际上电子秤的发展过程与 其它事物一样 也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 电子化的过程 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 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 的机械秤进行了机电结合式的电子化改造 电子秤 的设计首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号 输 出电压信号通常很小 需要通过前段信号处理电路进行准确的线性放大 放大后 的模拟电压信号经 A D 转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中 再 经过单片机控制译码显示器 从而显示出被测物体的重量 本次要求设计的电子 秤有具体的称重范围 且具有自动换挡功能 精确度为 1 目前这样的电子秤 具备最简单的称重功能 操作非常简便 2 二 国内外研究现状 发展动态二 国内外研究现状 发展动态 近几年 我国的电子称重系统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 电子称重技术逐渐从静态称重向动态称重发展 从模拟测量向数字 测量发展 从单参数测量向多参数测量发展 电子称重系统制造技术及其应用得 到了新的发展 国内电子称重技术基本达到国际上 20 实际 90 年代中期的水平 少数产品的技术已处于国际领先水平 国内的电子秤市场中 100g 左右量程的电 子秤精度一般为 0 0lg 即 10mg 在国际上 一些发达国家在电子称重方面 从 技术水平 品种和规模等方面都达到了较高的水平 特别是在准确度和可靠性等 方面有了很大的提高 其中梅特勒 托利多公司生产的 BBK4 系列高精度电子秤精 度达到了 lmg 速度大约为 1 次 秒 在研究方法上 电子称重系统的工作原理一般是将作用在承载器上的质量或 力的大小 通过压力传感器转换为电信号 并通过控制电路来处理该电信号 其 中压力传感器大多数采用电阻应变片压力传感器 由于应变片的体积较小 市场 上有多种规格可供选择 而且可以针对弹性敏感元件的形式可以灵活设计来适应 各种应用场合的要求 所以应变片式压力传感器得到广泛的应用 但是电阻应变 片压力传感器的一个严重缺陷是应变灵敏度 应变片本身的电阻都随温度变化 而且灵敏度随温度变化较大 在不同的环境中 应变片的阻值发生变化 输出零 点漂移明显 并且应变片的输出信号很小 线性范围窄 而且动态响应较差 有 待进一步开发 三 研究的内容及可行性分析三 研究的内容及可行性分析 1 设计思路 应变式称重传感器是将电阻的变化转化为电压变化 但电阻因受力变化很小 使传感器输出的信号较小 需要先进行放大处理 并且输出的信号是电压量 为 模拟信号 而单片机能处理的信号是数字信号 因此需先将信号进行模数转换再 输入单片机中进行处理并控制 LCD 显示其重量 2 方案论证与比较 一 控制部分的方案论证与选择 方案一 采用 89S52 作为控制核心 51 单片机具有主频 12M 三十二个 I O 引 脚 8K flash 程序存储空间 256 byte RAM 三个定时 计数器 五个中断源 且价格低廉 C 语言程序编写容易 控制方便 方案二 采用 FPGA 现场可编程门阵列 作为系统的控制器 FPGA 可以实现 各种复杂的逻辑功能 规模大 密度高 由于其集成度高 使其成本偏高 同时 其芯片引脚较多 实物硬件电路板布线复杂 加重了电路设计和实际焊接的工作 3 方案三 采用 ARM7 芯片 LPC2148 具有 512K flash 程序存储空间 主频达 48M 三个定时器 四个外部中断 内部 RTC 采用三级流水线模式运行程序 拥 有 I2C SPI UART 等通信接口 同时其芯片引脚也较多 不便控制 且价格较贵 方案选择 本系统可以采取 89S52 FPGA ARM 三种控制器 ARM 比 89S52 单片机 具有更强大的控制功能 更快的运行速度 可更快捷地进行高精度的测量 但本 设计运行速度要求不高 89S52 就能满足所需要的功能 因此综合考虑选择 89S52 作为控制部件 二 模数转换 方案一 采用 V F 变换电路 该方案是使用压频变换器件 把电压信号转化为频率信号 单片机通过计数 获得重物的重量 此方案 可不用A D芯片 但需要比较复杂的小信号放大 调理 电路 并且V F变换外围电路较繁琐 参数配置相对严格 故未采用 方案二 选用高精度并行ADC芯片 此方案经小信号放大 调理电路 进行A D转换 经A D转换的信号直接连接 单片机 但价格高 一般适用于高速测量中 故此方案未采用 方案三 选用高精度串行 ADC 芯片 此方案经小信号放大 调理电路 进行 A D 转换 经 A D 转换的数字信号通 过串行方式送到单片机 价格低 在低速测量中广泛使用 故采用此方案 为了实现量程的自动转换功能与满足误差要求 采用 24 位串行 A D 转换器 HX711 该转换器内部带可编程增益放大电路 是数字电子秤专用芯片之一 三 数据显示模块方案选型 显示部分采用 LCD1602 液晶显示模块 液晶显示模块具有体积小 功耗低 显示内容丰富等特点 现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用 的信息显示器件 3 模块组成 按照设计功能与性能要求 系统由 5 个部分组成 控制器部分 称重传感 部分 信号放大与调理部分 AD 转换部分 电路电源部分 系统设计总体方案 框图如图 1 4 数据采集 AD 转换单片机处理LCD 显示 按键处理 信号放大 图 1 模块框图 3 1 模拟信号处理部分 3 1 1 信号采集部分 电阻应变式传感器是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上 然后以适当的方 式组成电桥的一种将力 重量 转换成电信号的传感器 电阻应变式称重传感器 包括两个主要部分 一个是弹性敏感元件 利用它将被测的重量转化为弹性体的 应变值 另一个是电阻应变计 它作为传感元件将弹性体的应变同步的转换为电 阻的变化 电阻应变片的电阻变化率大约在 10e 6 到 10e 2 数量级之间 这样小 的电阻变化用一般测量电阻的仪表很难测出 必须用一定形式的测量电路将微小 的电阻变化率转变成电压或电流的变化 才能用二次仪表显示出来 在电阻应变 式称重传感器中 通过桥式电路将电阻的变化转换为电压的变化 电阻应变式称 重传感器的原理框图如图 2 所示 载荷 P 应变 x 电阻变化 输出 敏感元件应变片测量电桥 图 2 电阻应变式称重传感器的原理框图 3 1 2 信号的放大处理 方案一 利用普通低温漂运算放大器构成前级处理电路 方案二 主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器 而构成的前级处 理电路 差动放人器具有高输入阻抗 增益高的特点 可以利用普通运放 如 OP07 做成一个差动放大器 方案三 采用专用仪表放大器或使用AD转换器内部的放大器 此类电路内部 5 采用差动输入 共模抑制比高 差模输入阻抗大 增益高 精度也非常好 且外 部接口简单 且放大器的增益是可以改变的 基于以上分析 决定采用制作方便而且精度很好的AD转换器内部的放大器 四 论文拟解决的关键问题及难点四 论文拟解决的关键问题及难点 本方案的关键问题是 1 如何将分辨率提高 2 单片机编程中的一些小问题以及 HX711 芯片的应用 3 传感器灵敏度问题 五 研究方法与技术路线五 研究方法与技术路线 本系统的设计主要从硬件电路设计 软件编程调试 实物焊接调试三部分进行详细阐述 硬 件电路主要是基于单片机 AT89S52 为核心的控制单元实现数据的处理 采用压力传感器对数 据进行采集 电子秤专用 24 位 AD 转换芯片 HX711 对传感器采集到的模拟量进行 AD 转换 转 换后的数据送到单片机进行处理显示 数据显示由 LCD 液晶屏显示 六 论文的进度安排六 论文的进度安排 1 2013 年 7 月 8 月 通过网络 图书馆 学过的课本收集材料 2 2013 年 9 月 完成开题报告 文献综述 3 2013 年 10 月 2013 年 12 月底 完成 PCB 板 原理图 完成软件的设计 并能调试正确 4 2014 年 1 月 2 月底 完成 PCB 板制作 元器件焊接 硬件调试和软件调试 5 2014 年 3 月 完成毕业设计作品及毕业设计论文 6 2014 年 3 月底 指导老师修改审批论文 7 2014 年 4 月 准备毕业答辩 6 七 参考文献七 参考文献 1 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛制作实训 北京 北京航空航天大学出版社 2007 2 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛系统设计 北京 北京航空航天大学出版社 2006 3 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛电路设计 北京 北京航空航天大学出版社 2006 4 黄智伟等 基于 multisim2001 的电子电路计算机仿真设计与分析 北京 电子工业出 版社 2004 5 黄智伟 印制电路板 P