本科毕业设计（论文）开题报告

基于单片机的电子秤设计
一. 国内外研究现状及课题意义
　　　1.1 研究现状
　　　20世纪前期，我国的衡器制造业主要以杠杆原理的机械式为主，20世纪后期，我国的衡器不断的发展，由过去的全机械式进入机电结合式，在几十年的发展和完善中，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；测量特点已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。
　　　众所周知，传统的量具是杆秤或盘秤，20世纪70年代开始出现了电子称。早期的电子秤多通过模拟电路实现，随着电子技术的不断发展．数字芯片的价格逐渐下降，模拟控制已逐步被数字控制所替代，电子秤的设计模式也大都以微处理器为核心，使精度和可靠性都有了明显提高。因为小型商用电子秤运算不太复杂，所以用8位微处理器足可满足要求。
　　　电子称重系统必须将多只传感器的输出进行和算，才能得到完整准确的称重结果。从20世纪70年代的模拟串联和算到80年代的模拟并联和算，和算技术的发展大幅度降低了电子秤的成本，提高了可靠性和稳定性。但是，模拟并联和算也存在不足：如对传感器的一致性要求较高、无法对单个传感器进行检测、电子秤四角偏差调试复杂等。目前，解决上述问题的最好方法是采用数字和算或数模混合和算。由于信号放大器成本的不断下降以及A/D转换器性能的大幅度提高，数字和算无论在技术上还是在经济上都进入了实用阶段。
　　　电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。目前大多数电子秤是以1:3,000或1:10,000的分辨率输出最终的称重值的，这样的系统一般使用12 bit至14 bit的模数转换器就很容易满足要求。然而，高精密检测的电子秤如果要达到这种分辨率，那么ADC的精度需要接近于20 bit。
　　　1.2课题意义
　　电子秤是科学研究、工业生产和人民生活必需的计量器具，设计智能化、高精度的电子秤具有较高的现实意义。
　　　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。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。
　　　电子秤是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。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，需要通过前端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。 
　　　目前市场上使用的称量工具，或者是结构复杂，或者运行不可靠，且成本高，精度稳定性不好，调正时间长，易损件多，维修困难，装机容量大，能源消耗大，生产成本高。而且目前市场上电子秤产品的整体水平不高，部分小型企业产品质量差且技术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，有针对性地开发出一套有实用价值的电子秤系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善电子秤系统在应用中的不足之处，具有现实意义。
　　　1.3发展状况
　　　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。
　　　小型化：新研制的电子秤充分体现了体积小、高度低、重量轻，即小薄轻的发展方向。为使电子衡器的承载器达到小、薄、轻，开始采用重量轻且刚度大的空心波纹铜板和方形闭合截面的薄壁型材。
　　　模块化：对于大型的承载结构，电子衡器的承载器采用模块式一体组合或分体组合，而产生新的品种和规格。这种模块化组合不但提高了产品的通用性、互换性和可靠性，而且也大大提高了生产效率，降低了成本。
　　　智能化：与电子计算机组合或开发称重用计算机，利用计算机的智能来增加称重显示控制的功能，使其在原有功能的基础上增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织等功能。这就是当今市场上采用微机化称重显示控制器的电子秤与采用智能化称重显示控制器的电子秤的根本区别。
　　　集成化：对于某些品种和结构的电子衡器，可以实现承载器与称重传感器一体化或承载器、称重传感器与称重显示控制器一体化。
　　　综合性：电子称重技术和电子衡器产品的应用范围不断扩大，它已渗透到一些学科和工业自动控制领域。对某些商用电子计价秤而言，只具备称重、计价、显示、打印功能还远远不够，现代商业系统还要求它能提供各种销售信息，把称重与管理自动化紧密结合，使称重、计价、进库、销售管理一体化，实现管理自动化。这就要求电子计价秤能与电子 计算机联网，把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统。
　　　组合性：在工业生产过程或工艺流程中，不少称重系统还应具有可组合性，即：测量范围可以任意设定；硬件能够依据不定的程序进行修改和扩展；输入输出数据与指令可使用不同的语言，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。
　　　在称重传感器方面,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,成果举例如下:美国Revere公司研制出PUS型具有大气压力补偿功能的拉压两用的称重传感器,用于高准确度检验平台,称重平台,准确度可达5000d；德国HBM公司研制成功C2A、 C16A两种不同结构的1-100t具有耐压外壳保护的防爆称重传感器,其防爆性能符合欧洲EN50014和EN50018d级标准；美国斯凯梅公司研制出新一代高准确度不锈钢F6Ox系列5-5000kg称重传感器,准确度6000d。用于湿度大,腐蚀性强的环境中,而且防水。
二.主要研究内容
　　　多功能电子计价秤设计的主要工作内容包括：熟悉单片机及接口的设计方法；了解称重传感器的原理及应用并选型；设计称重传感器输入电路；设计显示、键盘、打印、通讯电路；设计程序流程；编写C语言程序；软件调试、仿真以及写出毕业设计说明书。
　　　本设计系统以单片机为核心设计电子秤，要求能够用键盘设计单价，称重后能同时显示重量、单价和总额，具有去皮功能和总额累加功能，可以预存多种商品单价并随意调出使用，以及测量并显示温度的功能。
　　　根据设计内容的要求，本设计采用51单片机为控制核心，实现电子秤的基本控制功能。其他的传感器和A/D转换器件、键盘输入及显示部件没有严格的限制，使设计性达到高价比是目的之一，因此就缩小了选材选型的范围。最终使设计符合精度高、体积小、便于计价等特点。
　　　设计大体分为三个部分，第一，如何正确的选择硬件，这是设计的主体；第二，正确的设计C程序，把所需的控制功能通过单片机的运行而表示出来，这是设计的核心；最后，正确的连接线路，才能实现单片机的有效的运行，保证系统的正确性，是设计的交通枢纽。
三.研究方案及预期达到的目标
　　　本次设计是基于单片机的电子秤设计，可大致分为：数据采集部分、信号放大部分、模数转换部分、单片机控制部分、人机接口部分。
　　　信号采集：利用称重传感器获取重量信息；信号放大：将采集到的信息进行放大；模数转换：利用A/D转换器把输入的模拟信号转换成数字信号送入单片机进行处理；单片机控制：中央控制部分，接受外部送入的信息，通过运算和处理，进行相应的控制；人机接口：人机联系部分有键盘、显示器等。
　　　
　　　
　　　
　　　关于称重传感器，选用电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片是电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应。由于电阻应变式传感器应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器，而且分辨力和灵敏度高，精度较高，结构轻小，对试件影响小，对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。因此选用电阻应变式传感器。其测重范围和精度完全可以符合要求。
　　　针对显示部分，有以下两种参考方案：其一是数码管显示，其二是LCD显示。由于液晶显示器的主要材料是液态晶体。它在特定的温度范围内，既具有液体的流动性，又具有晶体的某些光学特性，其透明度和颜色随电场、磁场、光照度等外界条件变化而变化。因此，用液晶做成显示器件，就可以把上诉外界条件的变化反映出来从而形成现实的效果。对于数码管显示，此种方案显示直观，编程简单，但由于设计需要同时显示单价、重量、金额等诸多信息，这就需要大量的数码管。由此增加了电路的复杂程度，也增加了成本，故拟放弃此方案。
　　　键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。操作者通过键盘向系统发送各种指令或置入必要的数据信息。因此键盘模块设计的好坏，直接关系到系统的可靠性和稳定性。键盘是由若干个按键开关组成，键的多少根据单片机应用系统的用途而定。键盘由许多键组成，每一个键相当于一个机械开关触点，当按下键时，触点闭合，当松开时，触点断开。单片机接收到按键的触点信号后作相应的功能处理。因此，相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号。键盘设计方有两种选择：矩阵式键盘；专用芯片式键盘。在输入模块中，只有硬件是远远不够的，还缺少一个系统的‘大脑’，将外界接受的信息进行统一处理，这就需要软件的配合，即程序。通过程序将输入的信息处理转化为系统需要的信息，如：根据手动输入的单价算出总价格。
　　　模数转换模块，把传感器所测的模拟信号转化为数字信号，从而使单片机对数字信号的进行有效处理。用到的器件就是A/D转换器，然而在转换之前，还需对微弱的电信号进行放大、滤波等，故需选择仪表放大器。在A/D转换中，考虑到转换速率、抗干扰等方面，拟采用高精度高增益24位A/D芯片HX711，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。降低了电子秤的整体成本，提高了整体性能和可靠性。
　　　另外，关于扩展模块（温度模块）的设计有以下思路：采用DS18B20温度传感器。 DS18B20测温范围是-55℃—125℃，固有测温分辨率为0.5℃，满足设计要求。
完成课题已具备和所需的条件
     整个理论已经有了思路，所需实物相关器材和相关编程软件。
    

预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决措施
     再设计过程中可能计算机技术和测量控制技术不容易结合在一起，我们使用单片机作为系统的主控制器，根据总体方案设计的分析，设计这样一个简单的的系统，可以选用带A/D转换器的单片机，由于应用程序不大，应用程序直接存储存片内，不用在外部扩展存储器，这样电路也可简化。
六.设计工作安排及进度
      毕业设计计划整体设计时间为十五周，时间分配如下：
   
周次 目标任务
第一周 进行单片机与C语言的复习与回顾
第二周 在图书馆或上网查找有关设计的相关资料，筛选有关信息
第三周 开始设计开题报告，进行设计的整体规划
第四周 进行原件选型，设计原理草图
第五周 开始以单片机为核心的主机电路的设计
第六周 有关LCD显示器、温度传感器、通讯电路的设计
第七周 开始进行信号采集部分以及键盘模块、打印电路的设计
第八、九周 进行专业实习
第十周 编写C语言程序
第十一周 对设计系统进行调试、仿真
第十二~十三周 编写毕业设计说明书
第十四周 修改毕业设计
第十五周~ 进行答辩前的准备

七.参考文献
[1]   徐科军 传感器与检测技术    北京：电子工业出版社，2008.2
[2]   周杏鹏 传感器与检测技术    北京：清华大学出版社，2010.9
[3]   牛昱光 单片机原理与接口技术  北京：电子工业出版社，2008.2
[4]   李晓林 单片机原理与接口技术  北京：电子工业出版社，2010.1
[5]   马春燕 微机原理及接口技术    北京：电子工业出版社，2007.1
[6]   潘新民，王燕芳  微型计算机控制技术   北京：高等教育出版社，2001.7
[7]   赵茂泰  智能仪器原理及应用   北京：电子工业出版社，2009.3
[8]   谭浩强  C程序设计      北京：清华大学出版社，2005.7
[9]   阎石  数字电子技术基础  北京：高等教育出版社，1997.12
[10]  CSDN.NET     http://www.csdn.net/
[11]  华成英，童诗白  模拟电子技术基础  北京：高等教育出版社 ，2006.5
[12]  中国工控网    http://www.chinakong.com/
[13]  称重传感器选型手册   
http://wenku.baidu.com/view/11631cf9aef8941ea76e0563.html
[14]  DS18B20      http://baike.baidu.com/view/1341776.htm
[15 ] 自动化网      http://www.zidonghua.com.cn/