智能称重系统设计

-智能称重系统设计摘要电子称是将检测与转换技术、计算机技术、信息处理、数字技术等技术综合一体的现代新型称重仪器。它与我们日常生活紧密结合息息相关。电子称主要以单片机作为中心控制单元，通过称重传感器进行模数转换单元，在配以显示电路及强大软件来组成。电子称不但计量准确、快速方便，更重要的自动称重、数字显示，对人们生活的影响越来越大，广受欢迎。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STC89C51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，电子称专用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，数据显示由数码管实现，数码管显示效果稳定无闪烁。关键词：电子称；压力传感器；STC89C51单片机;-i-AbstractIntelligentelectronicscaleisthedetectionandconversiontechnology,computertechnology,informationprocessing,digitaltechnology,anintegratedmoderntechnologyofnewweighingequipment.ElectronicscaletakesSCMasitscentralcontrollingunit,andachievesADtransformthroughweightingtransducer,thenaddsdisplaycircuitandpowerfulsofterwear.Itisnotonlyaccurate,swiftandconvenient,butalsomakesanimportanteffecttopeopleslifebyitsautomaticweightmentanddigitaldisplay,soitbecomesmoreandmorepopular.Thedesignofthissystemgivesitselaborationfrom3parts:Hardwearcircuitdesign,softwearprogrammedebuggingandentitywelddebugging.HardwearcircuitreachesdataprocessingbythecontrollingunitwhichbasedonSTC89C51,andgathersdatabyweightingtransducer,thenmakesADtransformbyHX711tothedatagathered,andtransformeddatathentransferredtoSTCfordisplayprocessing,atlastdigitronwouldshowitoutsteadilywithouttwinkling.Keywords:electronicscale;loadsensor;STC89C51;-ii-目录摘要.1Abstract.2前言.3第1章绪论.4第1.1节称重技术和衡器的发展.4第1.2节电子称的组成.5第1.3节国内外发展现状和发展趋势.6第1.4节课题研究的内容.8第2章系统方案设计.10第2.1节系统方案比较与论证.10第2.2节系统的结构.11第3章硬件设计.12第3.1节数据采集模块.12第3.2节STC89C51RC单片机模块.15第3.3节数码管显示模块.16第3.4节系统整电路图.19第4章软件设计.20第4.1节系统应用程序组成.20第4.2节主程序设计.21第5章测试结果与数据分析.25第5.1节软硬件调试.25第5.2节测量数据.25第5.3节误差分析.26结论.27参考文献.28致谢.29附录.30附录1：HX711AD电路图.30系统整体电路图.31附录2：部分源程序.31第0页前言在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是出现了秤。随着社会科技发展，传统的纯机械结构（如杆秤、磅秤等）秤量装置逐步被淘汰，而电子秤以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点深受人们青睐。电子秤精度高并降低成本，其发展趋势是小型化、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。电子秤的称重功能是基于微电脑控制芯片处理器这一核心技术来实现的。由于目前在设计电子秤系统时大量地采用集成芯片，因此电子秤系统已经摆脱了以往的电子模式，正趋向智能化多元化方向发展。在此基础上可以实现系统功能的扩展，比如与上位机的通讯，在上位机上利用图形化界面的操作软件实现数据库管理等。电子秤由于自身的精度高、功能强和使用方便，实际使用的电子秤有较高的性价比，在很多领域完全可以取代那些机械式的称重工具。在具体开发电子秤的系统时应该根据用户的客观需要，再结合系统硬件和软件，从而可以开发出一套实际使用价值极大的电子秤系统。目前，随着电子技术的飞速发展，微处理器应用技术的日趋成熟，必将推进基于微处理器为核心的电子秤系统功能的日趋完善，因此多元化智能电子秤具有广泛的应用前景和开发价值！第1页第1章绪论第1.1节称重技术和衡器的发展称重技术自古以来就被人们所重视，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，与人民的生活紧密相连。电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。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全电子化、由单一功能到多功能的过程。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，都离不开能输出电信号的电子衡器。这是由于电子衡器不仅能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，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。近年来，电子秤已愈来愈多地参与到数据处理和过程控制中。现代称重技术和数据系统已经成为工艺技术、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。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其础，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%的机械秤进行了机电结合式的电子化改造。称重装置不仪是提供重量数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，推进了工业生产的自动化和管理的现代化，它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。称重装置的应用已遍及到围民经济各领域，取得了显著的经济效益。因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。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。现今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。电第2页子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是围计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。第1.2节电子称的组成1.2.1.电子称的基本结构电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。不管根据什么原理制成的电子秤均由以下三部分组成：(1)承重、传力复位系统它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。(2)称重传感器即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、卢表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。(3)测量显示和数据输出的载荷测量装置即处理称重传感器信号的电子线路（包括放人器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补尝元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮器件等）。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。1.2.2.电子称的工作原理当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力一电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系（一般成正比关系）的电信号（电压或电流等）。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模数(A/D)器进行转换，数字信号再送到微处器的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器中读出送到第3页显示器显示，或送打印机打印。一般地信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。1.2.3.电子称的计量性能电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有：量程、分度值、分度数、准确度等级等。(1)量程：电子衡器的最大称量Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大值。(2)分度值：电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值。用e或d来表示。(3)分度数：衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用n表示。电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积来表示，即Max=nd。(4)准确度等级国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成T、II、III、四类等级，分别对应不同准确度的电子秤和分度数n的范围，如表1所示：标志及等级电子称分类分度数范围特种准确度基准衡器n100000高准确度精密衡器100000x8000)weight=0;weight=10000*weight/FullScale;weight=weight*RATIO;if(Dec_pi=1)dec_weight=weight;Dec_pi=0;weight=weight-dec_weight;/如果超量程，则报警if(weight=10000)beep=0;alert=0;第21页Lcd_Pos(1,4);Lcd_Wdat(-);Lcd_Wdat(-);Lcd_Wdat(-);Lcd_Wdat(-);Lcd_Wdat(-);Lcd_Wdat(-);Lcd_Pos(3,3);Lcd_Wdat(-);Lcd_Wdat(-);Lcd_Wdat(-);Lcd_Wdat(-);Lcd_Wdat(-);Lcd_Wdat(-);Lcd_Wdat(-);/如果不超量程elsebeep=1;alert=1;/显示重量值Display_Weight();第22页第5章测试结果与数据分析第5.1节软硬件调试对系统进行测试，在该系统接通电源后调节传感器的位置，使传感器的数据的读取发生变化，在数码管上能看出数据的变化，通过精准的数字称重计的测量结果与该系统的测量的结果做比较，测量出测量值计算出测量误差，并对误差进行分析。第5.2节测量数据实物调节好之后用硬币与砝码来进行测量，已知一枚硬币的重量为6g，砝码为100g。测量图如图5.1一枚硬币测量图，图5.2100克砝码测量图，图5.3十枚硬币测量图所示。图5.1一枚硬币测量图图5.2100克砝码测量图第23页图5.3十枚硬币测量图表5.1数据处理实际数值（g）61218304260100测试数值（g）61118304160101误差00.08000.0200.01第5.3节误差分析称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器应该先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用称重传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。传感器产生误差的原因一般有下面几种。1、特性误差。是由设备本身引起的，包括DC漂移值、斜面的不正确或斜面的非线形。毕竟设备理想的转移功能特性和真实特性之间会存在差距。2、称重传感器应用误差。也就是由操作而产生的误差，包括探针放置错误、探针与测量地点之间不正确的绝缘、空气或其他气体的净化过程中的错误、变送器的错误放置等多种操作错误引发的误差。3、动态误差。适用于静态条件的传感器会具有较强的阻尼，因此对输入参数的改变响应较慢，甚至要数秒才能响应温度的阶跃改变。一些具有延迟特性的称重传感器会在对快速改变响应时产生动态误差。响应时间、振幅失真和相位失真都会导致动态误差。4、插入误差。是由于系统中插入一个传感器时，改变了测量参数而产生的误差。使用了一个对系统过于大的变送器、系统的动态特性过于迟缓、系统中自加热加载了过多的热能等，都会导致插入误差。5、环境误差。称重传感器使用也会受温度、摆动、震动、海拔、化学物质挥发等环境影响，这些因素都极易引发环境误差。第24页结论本次毕业设计介绍了一种基于51单片机的电子称方向的应用，采用电阻应变式传感器采集压力、数码管显示所测量的物体的重量，HX711A/D芯片完成了转换电路，从而完成了电子称的设计要求。该设计采用了INTEL公司的MCS-51系列的单片机芯片，具有功耗低、处理能力强、片上外围模块丰富等特点。经过反复试验、测试，总结出整个系统具有硬件电路简单、精度高、可靠性好、抗干扰能力强、功耗低等特点。实现了温度对电机的控制。该设计应用前景非常广，现在广泛应用于工业控制领域，如在各类民用控制、在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业等行业都有所体现。整个设计是对自己大学四年所学知识的总结和应用。从不熟悉一些软件的使用到可以自己独立设计一个小程序；从不了解STC89S51的原理，到熟记它的工作过程；从不善于使用流程图工具，到熟练掌握VISIO画图软件等等。这一切的一切都归功于这次的毕业设计。它让我把理论知识用到实践之中去，让理论和实践相结合；它让我明白，“世上无难事，只怕有心人”的意义，它也让我感受到老师和同学们的真情友谊。这次毕业设计让我收获很多，我会带着这些教诲与感恩融入到我的生活和工作中去！第25页参考文献1.王云章编著.电阻应变式传感器应用技术M.北京：中国计量出版社，1990.2.沈观林，马良程编.电阻应变计及其应用M.北京：清华大学出版社，1983.3.黄贤武，郑筱霞.传感器原理与应用M.高等教育出版社，20044.康华光.电子技术基础M.高等教育出版社,2006.5.陈蕾.单片机原理与接口技术M.机械工业出版社.,20126.吕建平，梅军进.电子线路CADM.北京大学出版社，2006.7.刘同法.单片机C语言编程基础与实践M.北京航空航天大学出版社，20098.D.Tulone,S.Madden.Anenergy-efficientqueryingframeworkinsensornetworksfordetectingnodesimilaritiesJ.2006,19(3)：32-37.9.张天凡.完全手册51单片机C语言开发详解M.北京:电子工业出版社,2008.10.V.Yu.Teplov,A.V.Anisimov.ThermostattingSystemUsingaSingle-ChipMicrocomputerandThermoelectricModulesBasedonthePeltierEffectJ,2002.第26页致谢经过几个月的材料准备、开题、论文写作及修改，我的毕业论文终于定稿了。从论文选题、资料的收集到论文的撰写完稿整个过程中，我得到了来自各方面的鼓励与帮助。所以我要先在这里对帮助过我的所有人说一声“谢谢”！首先，我要感谢我的指导老师吴老师。在选题、任务书撰写、以及论文设计的研究过程中，吴老师给了我莫大的指导。对论文中出现的许多问题吴老师能够及时当面沟通，悉心地指导我如何更好的完成论文设计方案。经过反复修改，论文终于得以定稿。四年的大学时光，我所收获的不仅仅是知识的积累，更重要的是我的人格修养和处事能力。我很庆幸在苏大应用的这4年的时光里结识了许多恩师益友，是他们在我最困难和最无助的时候，向我伸出了温暖的双手。无论在学习上、生活上他们都给予了我无私的帮助和热心的照顾。在此，我要衷心的感谢他们。我还要感谢我的父母，是他们给了我学习的机会，感谢他们对我始终如一的信任、关心、支持和帮助，我会不辜负他们的期望，一如既往的努力，用我的实际行动来感恩他们。在论文的撰写和资料搜集期间，前人的资料也给我提供了莫大的帮助，这里我要感谢在毕业设计中被我引用或参考的论著的作者。感谢对我论文进行评审的各位老师，谢谢您对我的论文的指导和提出的宝贵意见。最后，再次感谢所有关心我、帮助过我的老师、同学、朋友和亲人。是他们无微不至的关怀才让我快速成长！第27页附录：中英文文献翻译名称数字式智能称重传感器的发展与应用第28页附录1：1、HX711AD电路图图1HX711AD电路图2、系统整体电路图第29页图2系统整体电路图附录2：源程序#includereg2.h#includeHX711.hunsignedlongHX711_Buffer=0;longWeight_Maopi=0,Weight_Shiwu=0;unsignedintTemp_Buffer=0;unsignedcharCOM1_DATA=0,COM2_DATA=0,COM3_DATA=0,COM4_DATA=0,COM5_DATA=0,COM6_DATA=0;unsignedcharflag=0;第30页bitFlag_ERROR=0;unsignedchartable=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0X00,0XFF,0x6f,0x79,0x77,0x3f,0x76,0x38;/*/主函数/*voidmain()Init_Timer0();COM1_DATA=16;/HCOM2_DATA=13;/ECOM3_DATA=17;/LCOM4_DATA=17;/LCOM5_DATA=15;/0COM6_DATA=10;/空Delay_ms(3000);/延时,等待传感器稳定Get_Maopi();/称毛皮重量while(1)EA=0;Get_Weight();/称重EA=1;第31页Scan_Key();/显示当前重量if(Weight_Shiwu3000|Flag_ERROR=1)COM1_DATA=13;/ECOM2_DATA=14;/RCOM3_DATA=14;/RCOM4_DATA=15;/OCOM5_DATA=14;/RCOM6_DATA