基于单片机的语音播报电子秤设计

本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 42 页1 引言在生活中我们经常需要用秤来测量物体的重量，由于秤在我们日常生活中的应用十分广泛，我们对其的设计要求就需要操作方便、易于识别。随着计量技术和电子技术的发展，传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。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。1.1 称重技术的发展与成果电子称的发展过程经历了由简单到复杂、又粗糙到精密、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 1。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，都离不开能输出信号的电子衡器。近年来电子称已愈来愈多地参与到数据的处理和控制过程中。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或缺的组成部分。随着称重传感器各项性能的不断突破 2，为电子称的发展奠定了基础，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%称量准确度的电子称，并在 70 年代中期约对 75%的机械称进行了机电结合式改造。我国的衡器在 20 世纪 40 年代以前还全是机械式的，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主的电子衡器，80 年代以来，我国通过自行研究引进消化吸收和技术改造，已由传统的机械式衡器步入集传感器、微电子技术、计算机技术与一体化的电子衡器发展阶段 3。随着称重传感器技术以及超大规模集成电路和微处理器的进一步发展，电子称重技术及其应用范围将更进一步的发展，并被人们越来越重视。根据近些年来电子称重技术和电子衡器的发展情况及电子衡器市场的需求，电子称的发展动向为：小型化、模块化、智能化、集成化；其技术性能趋向于速率高、准确度高、可靠性高；其应用性趋向综合性、组合性 4。1.2 电子秤的组成1.2.1 电子秤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，也可用来本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 42 页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了秤均由以下三部分组成 5：a)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。b) 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 6。c) 测量显示和数据输出的载荷测量装置 7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 8。1.2.2 电子秤的工作原理 9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 A/D 器进行转换 10，数字信号再送到微处器的 CPU 处理，CPU 不断扫描键盘和各种功能开关，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 11。1.2.3 电子秤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、准确度等本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 42 页级等。a）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。b）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。c）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。d）准确度等级 12国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成、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，如下表 1.1 所示：表 1.1 电子秤等级分类标志及等级 电子秤种类 分度数范围（n）特种准确度（级） 基准衡器 n 100 000级高准确度（级） 精密衡器 10 000 n 100 000中准确度（级） 商业衡器 1 000 n 10 000普通准确度（级） 粗衡器 100 n 1 0001.3 课题设计思路本课题要求利用单片机实现一种简便易实现的电子秤，具体模块包括称重传感器 13、放大器、转换器、单片机、显示器等几部分。具体设计指标为：能测量体重且误差不大于 50 克、语音播报测量结果、低电压报警、低功耗设计 14。由于体重的称量范围比较大，在做实物时对所需的传感器和电子秤支架要求比较高，考虑到学校实验室现有条件以及成本等因素，经指导老师同意，本次设计的电子秤量程改为 03kg。本课题的主要设计思路是：利用压力传感器采集因压力变化产生的电压信号，经过电压放大电路放大，然后再经过模数转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机。单片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的重量，并通过数码管显示显示数值以及扬声器进行语音播报。其主要技术指标为：称量范围 03kg；分度值 0.001kg；精度等级中准确度（级） ；电源分为给系统供电的 5V 以及给语音播报模块的 3V 两部分。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 42 页2 系统方案论证与选型按照本设计功能的要求，系统主要由控制器部分、测量部分、数据显示部分和语音播报部分这四个部分组成，系统设计总体方案框图如图 2.1 所示。图 2.1 系统设计总体方案测量部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设计为电压信号） ，而后经放大电路处理后，送 A/D 转换器，将模拟量转化为数字量输出。控制器部分接受来自 A/D 转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号，并通过控制器实现数据的显示以及语音播报的功能。2.1 控制器部分本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器,而且以单片机为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统” 。这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。本设计对于系统并没有其他高标准的要求，结合 A/D 采集模块、数据显示模块和语音报数模块对单片机端口的要求，可以采用 AT89C51 单片机或者 AT89SXX 系列单片机 15。2.2 数据采集部分2.2.1 传感器的选择压力传感器 信号放大 A/D 转换单片机数码管显示 语音播报低电量告警本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 42 页在本设计中，传感器是一个十分重要的元件，传感器的精度决定电子秤的测量精度，因此对传感器的选择显得特别重要。在选择传感器时不仅要注意其量程和参数，还要充分考虑与其相配置的各种电路的设计难易程度和设计性价比等。传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。一般来说，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。方案一 压电传感器压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力或压力的测量。压电器件的弱点：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。方案二 电容式传感器电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它有结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容传感器可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。电容传感器的基本工作原理可用最普通的平行极板电容器来说明。两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，其电容量为：(2.1)dACr0式（2.1）中两极板间的距离d两平行极板相互覆盖的有效面积A介质的相对介电常数r真空中介电常数0本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 42 页若被测量的变化式中， 、 、 三个参量中任一个发生变化，都会引起电容dAr量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素：a）小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法至几十皮法。因 C 太小，故容抗 很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因CXc1其视在功率 ，C 很小，则 P 也很小，故易受外界干扰，信号需经放大，并uP20采取抗干扰措施。b）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。方案三 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。电阻应变片式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，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换为R/R 后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的R/R 变化转换成电压或电流变化，其转换电路常用测量电桥。直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。应变片式传感器有如下特点：a）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。b）分辨力和灵敏度高，精度较高。c）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。通过以上对压力传感器的分析与比较，综合考虑本次设计的技术指标，选择方案三。在实际工作中为确保传感器线性好、精度高，要求称重传感器的有效量程在20%80%之间，因此购买了最大量程为 10 千克的电阻应变式传感器，其主要技术指标如表 2.1 所示。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 42 页表 2.1 压力传感器主要技术指标精度等级 (%R.0.) 0.02 输入电阻 () 4105输出灵敏度 (mV/V) 2.00.2 输出电阻 () 3503零点输出 (%R.0.) 2 绝缘电阻 (M) 5000非线性 (%R.0.) 0.02 推荐激励电压 (V) 512重复性 (%R.0.) 0.01 允许使用温度范围 () -20+60滞后 (%R.0.) 0.02 过载能力 (%R.C) 150蠕变 (%R.0./30min) 0.02 电缆线长度 (m) 四芯4mm0.45零点温度漂移 (%R.0./10) 0.02 推荐秤盘尺寸 (mm) 250250额定输出温度漂移 (%R.0./10) 0.02 防护等级 IP652.2.2 放大电路的设计 16经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低，经由电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行信号转换。为此，测量电路中常设有模拟放大环节。这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。放大器的输入信号一般是由传感器输出的。传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。因此，一般对放大器有如下一些要求：a)输入阻抗应远大于信号源内阻。否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。b）抗共模电压干扰能力强。c）在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。从而保证放大器输出性能稳定。d）能附加一些适应特定要求的电路。如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。由于专用仪表放大器芯片内部采用差动输入，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。结合学校实验室的情况，本设计采用OP07 芯片来设计放大电路。采用 OP07 设计的基本放大电路如图 2.2 所示，由模电和电路知识可算出 OP07输出端的电压 ，计算过程为：3U本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 42 页（2.2）cVRU21（2.3）c32（2.4）)(12453UR由（2.2）和（2.3）代入（2.4）得（2.5）cVU45213)(图 2.2 采用 OP07 设计的基本放大电路为满足实际情况下所需的放大倍数需要，由（2.5）可知，可以增大 的值，45R同时也可以在 OP07 之后继续级联 OP07 进行对电压的放大。2.2.3 A/D 转换器的选择A/D 转换部分是整个设计的关键，这一部分处理不好，会使得整个设计毫无意义。目前，世界上有多种类型的 ADC，有传统的并行、逐次逼近型、积分型 ADC，也有近年来新发展起来的- 型和流水线型 ADC，多种类型的 ADC 各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求。目前， ADC 集成电路主要有以下几种类型：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 42 页a）并行比较 A/D 转换器：如 ADC0808、 ADC0809 等 。并行比较 ADC 是现今速度最快的模/数转换器，采样速率在 1GSPS 以上，通常称为“闪烁式”ADC。它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分组成。这种结构的 ADC 所有位的转换同时完成，其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。缺点是：并行比较式 A/D 转换的抗干扰能力差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于 8 位。b）逐次逼近型 A/D 转换器：如：ADS7805、ADS7804 等。逐次逼近型 ADC 是应用非常广泛的模/数转换方法，这一类型 ADC 的优点：高速，采样速率可达 1MSPS；与其它ADC 相比，功耗相当低；在分辨率低于 12 位时，价格较低。缺点：在高于 14 位分辨率情况下，价格较高；传感器产生的信号在进行模/数转换之前需要进行调理，包括增益级和滤波，这样会明显增加成本。c）积分型 A/D 转换器：如：ICL7135、ICL7109、ICL1549、MC14433 等。积分型 ADC又称为双斜率或多斜率 ADC，是应用比较广泛的一类转换器。它的基本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。与此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现 A/D 转换。积分型 ADC 两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定，因此所得到的表达式与时钟频率无关，其转换精度只取决于参考电压 VR。此外，由于输入端采用了积分器，所以对交流噪声的干扰有很强的抑制能力。若把积分器定时积分的时间取为工频信号的整数倍，可把由工频噪声引起的误差减小到最小，从而有效地抑制电网的工频干扰。这类 ADC 主要应用于低速、精密测量等领域，如数字电压表。其优点是：分辨率高，可达 22 位；功耗低、成本低。缺点是：转换速率低，转换速率在 1