新型便携式电子秤研究hcjr

Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.新型便携携式电子子称的设设计摘要现代社会会的发展展，对称称重技术术提出了了更高的的要求。目目前，台台式电子子秤在商商业贸易易中的使使用已相相当普遍遍，但存存在较大大的局限限性：体体积大、成成本高、需需要工频频交流电电源供应应、携带带不便、应应用场所所受到制制约。现现有的便便携秤为为杆秤或或以弹簧簧压缩、拉拉伸变形形来实现现计量的的弹簧秤秤，居民民用户使使用的是是国家已已经明令令淘汰的的杆秤。多多年来，人人们一直直期待测测量准确确、携带带方便、价价格低廉廉的便携携式电子子秤投放放市场。本文设计计了一种种便携式式电子秤秤，论述述了仪器器的工作作原理，介介绍了仪仪器的误误差来源源与误差差分配，给给出了仪仪器电路路设计与与软件流流程，探探讨了仪仪器的工工程设计计技术。针针对电容容式称重重传感器器非线性性影响大大的问题题，提出出并建立立了电容容式称重重传感器器的非线线性影响响模型与与校正模模型，为为便携式式电子秤秤的低成成本准确确称量奠奠定了理理论基础础。便携式电电子秤主主要由电电源、称称重传感感器、单单片机、键键盘/开关、LLCD显显示器等等部分构构成。主主要技术术指标为为：称量量范围0010kkg；分分度值00.011kg；精度等等级级；电电源DCC 1.5V。仪仪器的技技术指标标参考了了目前国国内市场场上使用用最多、国国内外产产量最大大的电子子衡器的的技术指指标，其其合理性性无疑加加大了产产品投放放市场后后的竞争争能力。仪仪器主要要功能有有自检、去去皮、计计价、累累计、单单价设定定、过载载报警和和欠压提提示等。仪仪器若不不进行称称量操作作，5 分钟后后自动进进入休眠眠模式，降降低电源源消耗。新型便携携式电子子秤体积积小、计计量准确确、携带带方便、操操作简单单、称量量速度快快，并集集质量称称量功能能与价格格计算功功能于一一体，能能够满足足商业贸贸易和居居民家庭庭的使用用需求，具具有广阔阔的应用用前景。关键词：便携式式电子秤秤；电容容式称重重传感器器；非线线性校正正；PIIC166F8777单片片机；误误差分配配；工程程设计AbsttracctThe devveloopmeent of thee mooderrn ssociietyy haas pput forrwarrd hhighher reqquesst oon wweigghinngteechnnoloogy. Thhe ddeskk-toop eelecctroonicc sccalees hhavee beeen greeat apppliccatiion in commmerrciaaltrradee, bbut theey hhavee maany shoortccomiingss suuch as larrge vollumee, hhighh coost, ACC suuppllypoowerr annd nnot covveniiencce tto ccarrry, so theey aare resstriicteed tto uuse. Thhe uusuaal pporttablle sscallesaare levver scaaless whhichh arre mmosttly useed bby rresiidennts, annd sspriing ballancce wwhicch mmeassureethrrouggh ccomppresssioon oor ddrawwingg off spprinng. Theey aare beiing rejjectted forr thheirr biig mmeassuriingeerroors. Peeoplle hhavee beeen exppecttingg chheapp poortaablee ellecttronnic scaaless whhichh caan mmeassureeacccuraatelly aand be carrrieed cconvveniienttly forr maany yeaars.Thiss thhesiis ddesiignss neew-ttypee poortaablee ellecttronnic scaaless. IIt ddisccussses theeinsstruumenntall woorkiing priinciiplee, aand inttrodducees iits errror souurcees aand howw too diistrribuute theeerrror. Annd, thee innstrrumeentaal ccirccuitt, ssofttwarre-ffloww-chhartt annd eengiineeerinng ddesiigniingttechhnollogyy arre ppressentted. Beecauuse cappaciitannce weiighiing sennsorr iss off baad nnon-linnearrityy,thhe aauthhor putt foorwaard andd seet uup aa maathss moodell too reevisse nnon-linnearrityy, wwhicch eestaabliisheesthhe ttheoory bassis forr thhe iinsttrummentt too meeasuure acccuraatelly aand be loww-coost.The porrtabble eleectrroniic sscalles connsisst oof ppoweer, weiighiing sennsorr, mmicrrochhip,keyyboaard/swiitchh, LLCD andd ettc. Itss teechnnicaal iindiictoors inccludde 110kgg maaximmal meaasurringgrannge, 100g ddiviisioon vvaluue, preecissionn, 11.5VV woork volltagge. Itss teechnnicaal iindiictoors reffer totthe inddicttorss off thhe eelecctriiconnic meaasurringg tooolss off moost poppulaaritty iin tthe marrketts aand ofllargge ooutpput at homme aand boaard, soo thhe iinsttrummentt iss sttrenngthheneed tthe commpettitiive powweraafteer pputttingg onn maarkeets. Itt poosseessees mmanyy inntellliggentt fuuncttionns, succh aas sshelllinng,llackk-off-poowerr diispllay, ovverlloadd allarmm, uunitt prricee ennacttemeent, acccummulaatioon ccompputaatioon,sselff-caalibbrattingg annd eetc. Itt caan “ssleeep” auttomaaticcallly iin ffivee miinuttes if it is nott meeasuurinng.New-typpe pporttablle eelecctroonicc sccalees ccan meaasurre mmasss raapiddly andd acccurrateely anddcommmunnicaate vallue. Fuurthhermmoree, iit iis ssmalll, simmplyy sttruccturred, eaasy to opeeratte aandcconvveniientt too caarryy. TThe insstruumennt iis aablee too meeet thee neeedss off coommeerciial traade anddressideentss, sso iits apppliccatiion hass a briightt fuuturre.Key Worrds: Poortaablee Ellecttronnic Scaaless; CCapaacittancce WWeigghinng SSenssor;Nonn-liineaarittyReevissionn; MMicrrocoontrrolller PICC16FF8777; EErroor ddisttribbutiion; EnnginneerringgDessignn第1 章章绪论质量是测测量领域域中的一一个重要要参数，称称重技术术自古以以来就被被人们所所重视 1 。公公元前，人人们为了了对货物物交换量量进行估估计，起起初采用用木材或或陶土制制作的容容器对交交换货物物进行计计量。以以后，又又采用简简单的秤秤来测定定质量。据据考证，世世界上最最古老的的计量器器具出土土于中东东和埃及及，最古古老的衡衡器和砝砝码出自自于埃及及。秤是是最普遍遍、最普普及的计计量设备备，电子子秤取代代机械秤秤是科学学技术发发展的必必然规律律。低成成本、高高智能化化的电子子秤无疑疑具有极极其广阔阔的市场场前景。本章简述述称重技技术和衡衡器的发发展过程程，论述述提出新新型便携携式电子子秤的意意义，介介绍项目目研究背背景、关关键技术术、工作作重点及及本文的的创新之之处。1.1 称重技技术和衡衡器的发发展衡器是通通过作用用于被测测量物体体的重力力来确定定该物体体质量的的计量器器具。在在整个衡衡器的发发展过程程中，先先后主要要出现了了六种类类型的衡衡器：架架盘天平平、不等等臂平台台秤、吊吊车秤、倾倾斜象限限杆秤、弹弹簧秤和和自动秤秤。其中中，不等等臂平台台秤（“十进秤秤”）是当今今动态轨轨道衡的的鼻祖，至至今它仍仍是最通通用的一一种秤。第一次世世界大战战后，由由于贸易易和工业业发展的的需要，急急需能进进行快速速称量的的衡器。机机械式衡衡器在此此期间得得到很大大的发展展。当时时以倾斜斜杠杆案案秤占绝绝大多数数，读数数装置除除扇形度度盘外，还还有滚筒筒形度盘盘，从而而扩大了了读数范范围并可可附加价价格标尺尺。以后后又出现现了用于于工业的的带双摆摆锤测量量机构的的圆形度度盘指针针式秤和和成本低低廉、带带投影标标尺的倾倾斜式杠杠杆秤。第二次世世界大战战后出现现了电子子衡器，它它主要由由称重显显示控制制器、称称重传感感器和电电器控制制等部分分组成，其其发展过过程与其其它事物物一样，经经历了由由简单到到复杂、由由粗糙到到精密、由由机械到到机电结结合再到到全电子子化、由由单一功功能到多多功能的的过程。二二十世纪纪50 年代中中期，为为了把衡衡器引入入生产工工艺过程程中去，使称重过程自动化，电子技术渗入了衡器制造业。60 年代初期，出现了称量工作是机械式的，与称量有关的显示、记录、远传式控制等功能是电子方式的衡器，即机电结合式电子衡器。近30 年以来，工艺流程中的现场称量、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。这是因为电子衡器不仅能给出质量或重量值的信号，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。电子衡器具有反应速度快，测量范围广、应用面广、结构简单、使用操作方便、信号远传、便于计算机控制等特点，计量精度高，而且实现了多功能、多用途。电子衡器已被广泛应用于各个行业，近年来愈来愈多地参与到数据处理和过程控制之中，使现代称重技术和数据系统成为工艺技术、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 1 。电子衡器器种类繁繁多，且且涉及到到贸易结结算和广广大消费费者的利利益，所所以为世世界各国国政府普普遍关注注和重视视，并被被确定为为我国强强制管理理的法制制计量器器具。电电子衡器器是自动动化称重重控制和和贸易计计量的重重要手段段，对加加强企业业管理、严严格生产产、贸易易结算、交交通运输输、港口口计量和和科学研研究都起起到了重重要作用用。目前前电子衡衡器主要要分为非非自动衡衡器和自自动衡器器。我国电子子衡器经经过400多年的的不断改改进与完完善，最最初的机机电结合合型发展展到现在在的全电电子型和和数字智智能型。我我国电子子衡器的的技术装装备和检检测试验验手段基基本达到到国际990 年年代中期期的水平平。电子子衡器制制造技术术及应用用得到了了新发展展。电子子称重技技术从静静态称重重向动态态称重发发展；计计量方法法从模拟拟测量向向数字测测量发展展；测量量特点从从单参数数测量向向多参数数测量发发展，特特别是对对快速称称重和动动态称重重的研究究与应用用。但就就总体而而言，我我国电子子衡器产产品的数数量和质质量与工工业发达达国家相相比还有有较大差差距，其其主要差差距是技技术与工工艺不够够先进、工工艺装备备与测试试仪表老老化、开开发能力力不足、产产品的品品种规格格较少、功功能不全全、稳定定性和可可靠性较较差等。电电子衡器器已从过过去的引引进技术术进入了了自行开开发和设设计的时时期，尤尤其是用用于非自自动衡器器方面的的称重显显示控制制器的开开发突飞飞猛进。而而市场上上普遍使使用的是是非自动动衡器，它它主要用用于贸易易结算方方面，也也是群众众接触最最多的电电子衡器器，例如如其中普普遍使用用的电子子计价秤秤、电子子台秤和和电子汽汽车衡；动衡器器一般较较常见于于工矿企企业的配配料秤、定定量包装装秤等。1.2 电子秤秤的发展展现状电子秤是是载于秤秤的台座座、盘、钩钩上的物物品的重重量由传传感器蠕蠕变反应应平衡，而而由仪器器数字显显示的电电子衡器器。电子子秤集机机、电、仪仪于一体体，具有有多功能能、高精精度、快快速和动动态计量量、稳定定可靠等等特征，代代表了衡衡器产品品发展的的方向。电电子秤属属于日用用衡器，为为劳动密密集型产产品。电子秤产产品总的的发展趋趋势是小小型化、模模块化、集集成化、智智能化；其技术术性能趋趋向是速速率高、准准确度高高、稳定定性高、可可靠性高高；其功功能趋向向是称重重计量的的控制信信息和非非控制信信息并重重的“智能化化”功能；其应用用性能趋趋向于综综合性和和组合性性 22 。（1）小小型化近几年新新研制的的电子平平台秤结结构充分分体现了了体积小小、高度度低、重重量轻（即即小、薄薄、轻）的的发展方方向。对对于低容容量的电电子平台台秤和电电子轮轴轴秤，可可采用将将薄型或或超薄型型的圆形形称重传传感器，直直接嵌入入钢板或或铝板底底面与称称重传感感器外径径相同的的盲孔内内，形成成低外形形的秤体体结构，称称重传感感器的数数量和位位置由秤秤的额定定载荷和和力学要要求计算算决定。钢钢板或铝铝板就是是秤体的的台面，称称重传感感器既是是传感元元件，又又是承力力支点，极极大地减减化了秤秤体结构构，减少少了活动动连接环环节，但但降低了了成本，而而且提高高了稳定定性和可可靠性。对对中等或或较大容容量的电电子平台台秤、电电子地上上衡，已已经出现现了采用用方形或或长方形形闭合截截面的薄薄壁型钢钢，并联联排队列列焊接成成一个整整体的竹竹排式结结构的秤秤体，44 个称称重传感感器分别别安装在在最外边边两根薄薄壁型钢钢两端的的切口内内，安装装在称重重传感器器承力点点上的固固定支承承就是秤秤体的承承力支点点，既减减化了承承力传力力机构，又又节省了了秤体高高度，这这是一种种很有发发展前途途的秤体体结构。对对于大型型电子平平台秤，可可利用有有限单元元法进行行等强度度和刚度度计算，采采用抗弯弯刚度大大的型材材和轻型型波纹夹夹心钢板板等。（2）模模块化对于大型型或超大大型的承承载器结结构，如如大型静静动态电电子汽车车衡等，已已开始采采用几种种长度的的标准结结构的模模块，经经过分体体组合，而而产生新新的品种种和规格格。以55、6、7m 长的同同宽度33 种标标准模块块为例，由由单块、二二块、三三块到四四块分体体组合，可可以组合合成长度度为528mm的22 种规格格的分体体式秤体体结构。当当然在实实际应用用中，根根据各行行业用户户的需要要，选择择其中110 余余种常用用的标准准规格即即可。这这种模块块化的分分体式秤秤体结构构，不仅仅提高了了产品的的通用性性、互换换性和可可靠性，而而且也大大大地提提高了生生产效率率和产品品质量。同同时还降降低了成成本，增增强了企企业的市市场竞争争能力。（3）集集成化某些品种种和结构构的例如如小型电电子平台台秤、专专用秤、便便携式静静动态电电子轮轴轴秤、静静动态电电子轨道道衡等，都都可以实实现秤体体与称重重传感器器，钢轨轨与称重重传感器器，轨道道衡秤体体与铁路路线路一一体化。如秤体与与称重传传感器一一体化的的便携式式静动态态电子轮轮轴秤，多多用硬铝铝合金厚厚板制成成。其结结构原理理是经过过固溶热热处理强强化的铝铝合金板板，或通通过在44 个角角上钻孔孔和铣槽槽分别形形成4 个悬臂臂梁型称称重传感感器；或或在铝合合金板的的底面铣铣出多个个对称的的盲孔和和盲槽形形成整体体剪切梁梁型称重重传感器器。就使使得秤体体与称重重传感器器合二为为一，即即铝合金金板既是是秤体台台面又是是一个大大板式称称重传感感器。以以后者结结构的110t 便携式式动态电电子轮轴轴秤为例例，其尺尺寸为7720mmm5500mm32mmm，重重量约为为23kkg。（4）智智能化电子秤的的称重显显示控制制器与电电子计算算机组合合，利用用电子计计算机的的智能来来增加称称重显示示控制器器的功能能。使电电子秤在在原有功功能的基基础上，增增加推理理、判断断、自诊诊断、自自适应、自自组织等等功能，这这就是当当今市场场上采用用微机化化称重显显示控制制器的电电子秤与与采用智智能化称称重显示示控制器器的电子子秤的根根本区别别。（5）综综合性电子称重重技术的的发展规规律就是是不断的的加强基基础研究究并扩大大应用，扩扩展新技技术领域域，向相相邻学科科和行业业渗透，综综合各种种技术去去解决称称重计量量、自动动控制、信信息处理理等问题题。例如如在流量量计量专专业，如如果按照照传统的的理论和和方法建建造一套套标准大大流量测测量系统统，价格格相当昂昂贵。如如果采用用称重法法即质量量流量法法，只要要将重量量和时间间测量准准确，大大流量的的测量问问题就迎迎刃而解解了。对对某些商商用电子子计价秤秤而言，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。（6）组组合性在工业称称重计量量过程或或工艺流流程中，不不少称重重计量系系统还要要求具有有可组合合性，即即测量范范围等可可以任意意设定；硬件能能够依据据一定的的工作条条件和环环境作某某些调整整，硬件件功能向向软件方方向发展展；软件件能按一一定的程程序进行行修改和和扩展；输入输输出数据据与指令令可以使使用不同同的语言言和条形形码，并并能与外外部的控控制和数数据处理理设备进进行通信信。我国衡器器行业使使用面最最广、产产销量最最大的计计量产品品是非自自动衡器器。国际际法制计计量组织织76 号国际际建议OOIMLL R776-非非自动衡衡器 4 00 , 4 11 （它它是目前前国际上上唯一的的非自动动衡器通通用国际际标准）中中，明确确规定非非自动衡衡器按大大类分为为非自动动天平与与非自动动秤；按按能否直直接读出出称量结结果划分分，可分分为有分分度衡器器与无分分度衡器器，目前前我国在在用的绝绝大多数数机械、电电子衡器器均属于于能直接接读出称称量结果果，故称称为有分分度衡器器；如按按指示方方式划分分，可分分为自行行指示衡衡器、半半自行指指示衡与与非自行行指示衡衡器三种种形式。其其中非自自行指示示衡器主主要指目目前我国国在用的的固定式式杠杆秤秤（如固固定式杠杠杆地上上衡）、移移动式杠杠杆秤（如移动式杠杆案秤、台秤）、机械杠杆式吊秤与静态机械轨道衡等。半自行指示衡器主要指靠铊调整秤量的度盘秤（如邮包度盘秤）等。自行指示衡器在我国又可分为模拟指示秤、数字指示秤。模拟指示秤主要指弹簧度盘秤、度盘秤和人体秤等。数字指示秤主要指电子案秤（如电子计价秤、电子计重秤、计数秤、条码打印计价秤、电子婴儿秤、电子厨房秤和电子邮政秤等）、电子台秤、固定式电子秤（如电子地上衡、电子汽车衡、电子行李秤与电子料斗秤等）、电子吊秤、机电秤、光栅秤、光栅数显静态轨道衡与静态电子轨道衡等。OIMLR76 中对于有分度衡器又分为单分度值秤与多分度值秤；按秤量分为单称量范围秤与多称量范围秤 4 。目前我国国产品标标准中列列入的十十大类衡衡器（案案秤、台台秤、地地上衡、地地中衡、吊吊秤、皮皮带秤、料料斗秤、检检验秤、轨轨道衡和和特种秤秤）均已已实现了了电子化化 55 。据据近期统统计，工工业用衡衡器（按按销售量量统计）中的电子产品已占三分之二左右，技术水平比较成熟的静态衡器的计量范围可以从1g到800t，部分非自动衡器（如电子计价秤、电子台秤、电子地上衡、电子皮带秤、电子吊秤和电子轨道衡等）已达到国际九十年代初期水平，有的产品达到了九十年代中期水平；由于近十年来电子技术的迅速发展，商用衡器的加工能力迅速增长，产品成本大幅度降低，市场稳步发展。现在，电子计量称重技术已越来越多地应用于工业生产过程控制中，电子衡器的功能及应用拓展到更广泛领域。随着我国加入WTO 组织，经济市场的开放度加大，一批具有国际先进水平的衡器产品和技术（如定量包装秤、自动重量检验秤、标签计价秤、电脑组合秤、耐压式计量给煤机等，以及应变计、称重传感器、称重显示器生产技术）进入我国，这对电子秤的进一步普及和提高必将产生积极的、巨大的影响。1.3 现有便便携秤和和电子秤秤的不足足现有的便便携秤为为杆秤或或以弹簧簧压缩、拉拉伸变形形来实现现计量的的弹簧秤秤，居民民用户使使用的基基本是杆杆秤。这这种在我我国沿袭袭了两千千多年的的木杆秤秤，国家家工商局局与国家家技术监监督局早早在19995年年1月1日就已经经颁布了了禁止在在全国城城乡农贸贸市场、固固定摊点点使用杆杆秤的规规定。各各省市、自自治区根根据各地地的经济济发展情情况，规规定了各各地区取取缔杆秤秤的最后后期限 9 。弹弹簧秤制制造工艺艺要求较较高，弹弹簧的疲疲劳问题题无法彻彻底解决决，一旦旦超过弹弹簧弹性性限度，弹弹簧秤就就会产生生很大误误差，以以至损坏坏，影响响到称重重的准确确性和可可靠性，只只是一种种暂时的的代用品品，也被被列入逐逐渐取消消的行列列。近年来，农农贸市场场及其它它商贸活活动中被被广泛使使用的是是弹簧度度盘秤和和台式电电子计价价秤。弹弹簧度盘盘秤允许许使用于于80 年代末末，具有有构造简简单、体体积小巧巧和价格格便宜等等优点。作作为4 级秤，弹弹簧度盘盘秤在准准确度、耐耐用性和和防欺骗骗性等方方面都优优于杆秤秤，因而而被广泛泛的应用用于农贸贸市场。近近年来，弹弹簧度盘盘秤的质质量问题题比较突突出，几几次监督督抽查，产产品的抽抽样合格格率均在在40%60%之间。弹弹簧度盘盘秤产品品的问题题主要是是计量精精度严重重超差，双双面示值值不同步步，产品品强度低低，寿命命短 3 。与弹簧度度盘秤相相比，台台式电子子计价秤秤具有反反应灵敏敏、准确确度高、功功能齐全全、显示示直观、使使用方便便等特点点，在商商业贸易易中的使使用已相相当普遍遍，但又又存在较较大的局局限性：体积大大、成本本高、需需要工频频交流电电源供应应、携带带不便、应应用场所所受到制制约。而而且，目目前台式式电子秤秤行业混混乱、无无序的状状况也引引起了国国家有关关部门的的高度重重视。台台式电子子秤产品品质量一一直上不不去，近近年来抽抽样合格格率一直直徘徊在在40%65%，20003 年年抽样合合格率仅仅51.1%。台台式电子子秤产品品质量国国家监督督抽查结结果表明明，我国国台式电电子秤产产品质量量合格厂厂家的技技术水平平已达到到国际先先进水平平，通过过JJGG5555-966非自自动秤通通用检定定规程（JJG555-96非自动秤通用检定规程被国内衡器行业喻之为“衡器圣经”，在技术内容上等效采用了OIML R76 国际规程。JJG555-96 经过全国范围的宣传，已普遍被国内同行所接受，为我国非自动衡器的标准、规程与OIML 的接轨奠定了基础，是目前我国非自动秤的唯一通用计量检定规程 1 6 。）检测的产品在技术指标和计量性能上，均已达到了国际标准。但质量差的产品到了不能用于贸易结算的地步，差距太大。这说明我国的台式电子秤产品质量良莠不齐，其中抗电磁场辐射性能差，温度对空载示值的影响及温度试验项目也存在问题等。可见，我我国在电电子秤运运用方面面，还处处于非常常落后的的状况。19994 年年，美国国电子秤秤的普及及率是990%，日日本是665%，而而我国仅仅为3.6%。1.4 项目研研究背景景现代社会会的发展展，对称称重技术术提出了了更高的的要求，尤尤其是微微处理技技术和传传感技术术的巨大大进步，大大大加速速了这个个进程。基基于当前前电子秤秤和便携携秤的现现状和不不足，人人们高度度重视发发展小型型化的普普及型的的便携式式电子秤秤，设计计一种重重量轻、携携带方便便、计量量准确、读读数直观观、价格格低廉的的便携式式电子秤秤（袖珍珍电子秤秤）已迫迫在眉睫睫。本项目研研究一种种用单片片机控制制的高精精度智能能电子秤秤设计方方案。这这种高精精度智能能电子秤秤体积小小、计量量准确、携携带方便便，集质质量称量量功能与与价格计计算功能能于一体体，能够够满足商商业贸易易和居民民家庭的的使用需需求。项项目的标标准要求求与OIIML R766 国际际建议基基本吻合合，与国国际水平平接轨。本本项目研研究的便便携式电电子秤的的主要技技术指标标为：（1）量量程： 010kkg（2）分分度值：0.001kgg（3）误误差：0.002kgg（4）精精度：OOIMLL 级 44 （5）电电源：DDC 11.5VV，AA 电池1 节（6）体体积：约约1300800200mm（7）工工作环境境：温度度040，湿度20095RH；（8）功功能：开开机自检检、去皮皮、计价价、清除除、累计计、自动动休眠、中中文液晶显示示、过载载报警、欠欠压提示示等；仪仪器若不不进行称称量操作作，5 分钟后后自动进入休休眠模式式，降低低电源消消耗。1.5 本文的的主要工工作与创创新新型便携携式电子子秤具有有开机自自检、质质量称量量、计价价等功能能，解决决了电子子秤测量量不准确确、不能能计价等等问题，具具有非常常广阔的的应用前前景。文文中设计计了一种种新型电电容式称称重传感感器，对对它的材材料、工工艺、尺尺寸作出出了合理理设计，探探讨了非非线性影影响、温温度影响响、误差差来源等等几个关关键问题题，提出出了利用用参考电电容测量量补偿、非非线性补补偿、温温度补偿偿等方法法，介绍绍了误差差分配。为为实现仪仪器功能能，合理理的按键键设计和和功能模模块设计计也至关关重要。1.5.1本文文的主要要工作全文分为为6部分：第一章阐阐述电子子秤的发发展现状状，介绍绍本文研研究背景景，指出出研究新新型便携携式电子子秤的意意义，介介绍本文文的组成成。第二章介介绍传统统应变式式称重传传感器存存在的不不足，设设计了一一种电容容式称重重传感器器，介绍绍了它的的测量原原理、结结构设计计、尺寸寸设计和和工艺设设计，并并且采用用多项式式回归模模型进行行非线性性补偿。第三章介介绍以单单片机PPIC116F8877 为信息息处理核核心的便便携式电电子秤的的硬件设设计方案案，详细细分析各各单元的的硬件电电路，并并给出相相关电路路原理图图。第四章根根据仪器器的硬件件构成和和功能要要求，对对系统软软件进行行模块化化设计，给出出主要程程序流程程图。第五章分分析仪器器误差来来源，介介绍误差差分配和和误差的的计算方方法。第六章对对仪器的的工程设设计作出出详细论论述，包包括低功功耗设计计、抗干干扰设计计和可靠靠性设计计。1.5.2本文文的创新新本文的创创新在于于：（1）系系统地研研究了电电子秤技技术，设设计了一一种采用用全电子子原理、结结构简单单、功能能齐全、耗耗电少、价价格低的的便携式式电子秤秤。这种种小巧轻轻便、智智能功能能强、具具有广阔阔的市场场应用前前景的袖袖珍电子子秤，国国内外未未见成熟熟、实用用产品。（2）深深入研究究了电容容式称重重传感器器的工作作机理，建建立了电电容式传传感器自自校正数数学模型型，为便便携式电电子秤的的低成本本准确称称量奠定定了理论论基础。（3）完完成了便便携式电电子秤的的电路设设计、智智能功能能设计和和工程设设计，望望在短期期内形成成便携式式电子秤秤产品。第2 章章便携式式电子秤秤的测量量原理在电子秤秤中，传传感器是是最关键键的部件件，也是是设计中中最难处处理的环环节，其其性能的的好坏直直接决定定了电子子秤的性性能。生生产三级级便携式式电子秤秤主要难难点就是是传感器器。设计称重重传感器器的指导导思想是是：追求求良好的的自然线线性，尽尽量有较较高的输输出灵敏敏度，抗抗侧向能能力强，结结构简单单，易于于加工和和密封，长长期稳定定性要好好。2.1 称重传传感器现代科学学技术的的发展，特特别是微微型计算算机技术术的普及及，及国国民经济济的发展展使各工工业领域域普遍要要求用电电子衡器器来检测测重量信信息；电电子称重重技术由由单一的的称量用用途，延延伸到生生产过程程和工艺艺流程等等过程控控制领域域，特别别是物流流中各环环节的自自动检测测和监控控。电子子衡器用用于电子子称重，是是国家重重点管理理的6 种计量量器具之之一。称称重传感感器是电电子衡器器产品和和电子称称重系统统的核心心部件，其其特性直直接影响响电子衡衡器整机机的性能能。因此此，其性性能的优优劣或质质量的高高低，对对整个称称重控制制系统起起到至关关重要的的作用。准准确度、稳稳定性和和可靠性性是称重重传感器器的重要要的质量量指标，同同时也是是用户最最关心的的问题。工业与商商业用电电子秤的的称重传传感器技技术与制制造工艺艺，美、德德等工业业发达国国家的著著名制造造公司处处于国际际市场引引导者的的领先地地位。我我国称重重传感器器的研制制与生产产起步较较晚，具具有一定定规模的的称重传传感器制制造公司司处于市市场挑战战者或市市场追随随者地位位 11 0 。根据国际际计量联联合会的的会议录录，应变变式称重重传感器器占总称称重传感感器的990%以以上。在在自动称称量及电电子衡器器方面，国国外有880%使使用电阻阻应变式式称重传传感器，国国内的使使用量约约占900%95%以上。原原因是电电阻应变变式称重重传感器器无论是是敏感元元件电阻应应变计，还还是传感感器弹性性体结构构设计、弹弹性体材材料加工工处理、线线路补偿偿以及检检测仪表表等方面面，技术术都比较较成熟，测测量精度度比较高高，稳定定性也比比较好，并并且更有有利于产产业化和和规模化化生产。中中国是家家用电子子秤称重重传感器器的研发发和生产产中心，目目前家用用电子秤秤（人体体秤、健健康秤、脂脂肪秤、厨厨房秤、营营养秤、珍珍宝秤、口口袋秤和和手提秤秤等）称称重传感感器主要要是应变变式称重重传感器器。2.1.1应变变式称重重传感器器及其不不足20022 年全全国衡器器工业展展览会，展展现了我我国衡器器工业发发展的最最新阶段段。在自自动称量量和电子子衡器技技术中，电电阻应变变式称重重传感器器用于静静态、动动态条件件下测力力或称重重，目前前市场上上使用的的称重传传感器大大都采用用应变式式称重传传感器 1 0 。应变式称称重传感感器主要要由弹性性体、电电阻应变变计、检检测电路路三部分分组成。弹弹性体是是一个有有特殊形形状的结结构件，主主要作用用是将力力转换为为形变。应应变计是是将变形形转变成成电阻变变化的传传感元件件。应变变计通常常有金属属箔式应应变计、半半导体应应变计（包包括薄膜膜式半导导体应变变计）、金金属薄膜膜应变计计及厚膜膜应变计计等，但但目前，应应用最广广的仍是是由金属属合金箔箔制成的的各种箔箔式应变变计。检检测电路路的主要要部件是是惠斯登登电桥，它可以比较方便地解决称重传感器的补偿问题，其功能是把电阻应变片的电阻变化转变为相应的电信号输出。物料重量通过电子秤的秤体或料斗作用于应变式称重传感器，传感器的弹性体在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小）。再经相应的检测电路，把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流）输出，从而完成将外力变换为电信号的过程。应变式称称重传感感器，已已经有几几十年的的历史，在在原理、材材料、电电子测量量技术等等方面已已趋向成成熟，并并走上了了产业化化生产的的道路。它它的短期期特性虽虽然可以以达到较较高水平平，综合合误差甚甚至可小小于额定定载荷的的10- 410- 6，但但此类传传感器在在使用过过程中却却不能长长期保持持其原有有特性，实实际使用用中，由由于受到到原材料料及制造造工艺、安安装方法法、使用用条件及及外部环环境的影影响，应应变式称称重传感感器很容容易发生生故障，影影响电子子秤计量量数据的的准确及及稳定的的运行。称称重传感感器虽然然具有四四角误差差小、精精度较高高、应用用技术比比较成熟熟等优点点外，但但是在制制造工艺艺和实际际使用中中，却存存在许多多突出的的缺点：补偿工工艺复杂杂，输出出信号小小且为模模拟信号号，需经经放大电电路和AA/D转转换电路路后引入入微机，易易受电磁磁干扰，不不宜远距距离传输输，工作作温度低低（一般般为040），而且且制造成成本高，稳稳定性能能差等，所所以，应应变式称称重传感感器技术术含量高高，价格格昂贵，决决定了电电子秤的的价格也也较高。市市场调研研也证明明，应变变式称重重传感器器的材料料成本、金金属加工工费及人人工成本本实际是是很低的的，不过过十几元元，但传传感器的的市场价价格却是是成本价价的56 倍，价价格昂贵贵。2.1.2电容容式称重重传感器器电容式传传感器灵灵敏度高高，动态态特性好好，结构构简单，分分辨力强强，温度度漂移小小，能在在恶劣环环境下工工作，适适应性好好，抗干干扰力强强，近年年来获得得了越来来越多的的研究，可望逐步替代应变式称重传感器 7 。但电容式传感器存在非线性误差、寄生效应等特定问题，更主要的缺点是电容量一般很小，仅几十几百pF，甚至只有几个pF，环境变化会影响电容量的变化。例如，在温度影响下，电容泄漏电导、极板的尺寸、间隙的大小、介质的介电常数都会发生变化 1 8 。因此，电容式传感器的应用也受到一定程度的限制。本文设计计一种变变极距电电容式称称重传感感器，其其灵敏度度高，结结构简单单，测量量电路简简单，体体积小，质质量轻，且且为数字字信号输输出，可可直接与与微机相相连，其其成本远远低于应应变式称称重传感感器。2.2 电容式式称重传传感器设设计电容式传传感器受受几何尺尺寸的限限制，其其容量CC 都很很小，容容抗X C CC = 1/很大，为为高阻抗抗元件。C 小，需要作用的能量也小，可动的质量也小，而它的固有频率很高，可以保证有良好的动态特性。传感器的视在功率P U 2C0 = 很小，这使传感器易受到外界的干扰，所以信号的提取比较困难。同时，于C 小，分布电容和寄生电容对灵敏度和测量精度都会产生影响 1 5 。因此，电容式称重传感器在设计应用时，要充分考虑抗干扰设计。2.2.1传感感器弹性性体弹性体是是称重传传感器的的基础，其其结构形形式参照照了电阻阻应变式式称重传传感器的的双孔平平行梁式式结构 9 。电电容式传传感器采采用差动动电容，由由两个定定极板和和一个动动极板组组成，这这两个变变极距型型电容器器的初始始电容值值相同。电电容式称称重传感感器结构构如图22-1 所示。图2-11 中，左左侧立柱柱A 用螺螺丝固定定，在上上面安装装两块定定极板SS1、S3。右侧侧立柱BB 上安安装一块块动极板板S2。S1 与S2 构成成电容CC1，S2 与S3 构成成电容CC2，二者者组成差差动电容容C。差动动式电容容传感器器比单极极式灵敏敏度提高高一倍，非非线性误误差减小小。由于于结构上上的对称称性，它它还能有有效的补补偿温度度变化所所造成的的误差 6 。弹性体结结构中，a1、a2、a3、a4 是弹性变形点，是为了增加传感器的灵敏度而加工的半圆弧形，相当于平行四边形的4 个铰链。物体称量时，重力使矩形变形为平行四边形，即矩形的A 端保持不动，B 端下降。由于两个侧壁A、B 都是由很宽的刚性材料制成，在矩形变为平行四边形的过程中，B 端只有上下位移，左右位移不会发生扭动；S2 也只发生上下位移和左右位移，但S2 的左右位移幅度非常小，且三个极板的面积相对于极距很大，故左右位移对电容器的容量影响很小可以忽略，因此认为动极板S2 只作相对平行的上下移动。图 2-1 平平行板电电容器称称重传感感器结构构极距变化化不仅与与所加重重物大小小有关，还还与圆弧弧a1、a2、a3、a4 的加加工深度度有关，h 越小，重物的作用下动极板S2 向下位移就越大，它直接影响到传感器的灵敏度及重物与位移之间的线性关系，必须适当选取 9 。后面将介绍如何选取h。2.2.2传感感器工作作原理与与分析质量称量量时，被被测试样样的重力力F使A 端保保持不动动，B 端下降降，S2 下移移，极距距变化量量d与试样样质量mm产生的的重力成成正比，即即d = ammg （2-11）式中，aa 为质质量与位位移之间间的转换换系数；g 为重重力加速速度。由由于矩形形极板SS1、S2、S3 的长长、宽尺尺寸远大大于它们们之间的的极距，又又因为材材料上的的设计，可可以忽略略极板的的边缘效效应。初初始电容容均为C1=CC2=C0=S/dd (2-2)式中，SS 为两两平行极极板相互互覆盖的的有效面面积；为极板板间介质质的介电电常数；d 为初初始极距距。质量量称量时时，S2 向下下移动d，而S1、S3 不动动，差动动电容CC 的上上下两极极距发生生相反变变化，即即极距一一增一减减，使得得C1 减小小C1，C2 增加加C2，从而而将被测测荷重转转换成电电容量的的变化C。由于于C1=C0（d/dd）/（11-d/dd）C2=C0（d/dd）/（11+d/dd） （22-3）因此C=C1+C2=C0（2d/dd）/【1-（d/dd）2】（2-4）由式（22-1）、（2-4）有m=式中，kk 为由由极板初初始间距距d、传感感器质量量与位移移之间的的转换系系数a、重力力加速度度g 及介介电常数数 决定定的常数数。式（2-5）表明：（1）被测测试样的的质量与与电容的的变化量量C 有关关，只要要测量传传感器电电容的变变化量，就就可以计计算测到到被测质质量 3 55 ；（2）被测质质量与电电容变化化量为非非线性关关系。2.2.3材料料设计（1）选选用具有有低温度度系数、热热膨胀系系数小、几几何尺寸寸长期稳稳定、高高绝缘电电阻、低低吸潮性性和高表表面电阻阻等优点点的玻璃璃作为绝绝缘材料料。电容式传传感器是是高阻抗抗器件，其其绝缘性性能、机机械结构构的稳定定性等，直直接影响响工作特特性的稳稳定。因因此，电电容传感感器的绝绝缘材料料必须有有很高的的绝缘性性能、足足够的机机械强度度、高形形状稳定定性及良良好的抗抗湿性能能。设计计时，还还应考虑虑电容式式传感器器材料的的膨胀系系数与金金属部件件的膨胀胀系数相相匹配，以以获得高高的环境境稳定性性 88 。（2）差差动电容容器的定定极板采采用金属属极板，动动极板由由在玻璃璃表面上上直接蒸蒸镀一层层铜膜片片代替。在保证极极板连续续，在全全部（介介质边缘缘除外）有效介质中形成电场的前提下，从减少传感器的比率体积和重量、节约金属、降低成本等方面考虑，应选用最薄的极板，此外，为改善自愈特性以提高可靠性，也需要较薄的金属极板 1 4 。因此，该设计不仅能消除极板随温度变化而引起的尺寸变化的影响，同时也减少了电容的边缘效应。（3）绝绝缘介质质可选用用聚四氟氟乙烯等等绝缘强强度大、稳稳定性好好、温度度影响小小的材料料。定极板与与动极板板之间需需选用低低膨胀系系数、稳稳定性好好、绝缘缘电阻高高的绝缘缘材料。绝绝缘电阻阻被认为为是电容容式传感感器的一一个旁路路，当绝绝缘介质质性能不不好时，绝绝缘电阻阻会随着着环境温温度和湿湿度而变变化，致致使电容容式传感感器的输输出产生生缓慢的的零漂，因因此绝缘缘介质要要选用具具有低膨膨胀系数数、高尺尺寸稳定定性和高高绝缘电电阻的材材料。此此外，在在固定极极板时，还还需要采采取措施施，使表表面绝缘缘电阻对对全部漏漏电阻的的影响最最小；极极距很小小也需要要加入绝绝缘介质质防止击击穿极板板。（4）双双孔平行行梁式弹弹性体选选用国产产硬铝合合金LYY12 作为材材料。弹性体结结构和材材料是称称重传感感器达到到技术性性能指标标、质量量符合国国家标准准的基础础和关键键。LYY12 材料具具有较高高的比强强度，因因此弹性性滞后及及蠕变也也比较小小。对小小量程称称重传感感器来说说，这种种材料的的储能比比大，弹弹性模量量小（约约为钢的的1/33），制制造小量量程称重重和测力力传感器器较理想想 111 。2.2.4工艺艺设计称重传感感器的性性能和质质量随着着工艺、设设计、检检定三个个关键因因素而变变化。精精密而科科学的制制造工艺艺，且工工艺的可可重复性性非常好好，是称称重传感感器均一一性好、质质量始终终满足要要求的核核心。在在传感器器的工艺艺设计过过程中，需需要注意意以下几几点：（1）结结构与工工艺保障障。电容容式称重重传感器器在设计计时应充充分考虑虑减小电电极间距距、增大大极板的的相对面面积，达达到降低低输出阻阻抗以减减轻对测测量电路路及传感感器绝缘缘性的要要求、增增大传感感器电容容量、提提高灵敏敏度的目目的。极极板应有有良好的的固定和和绝缘。电电极在完完成机械械加工后后应进行行老化和和退磁处处理，消消除内应应力与剩剩余磁场场。双孔孔平行梁梁式弹性性体结构构需要通通过锉磨磨进行角角差修正正。（2）减减少寄生生电容影影响。将将信号发发生器、调调理电路路紧靠传传感器安安装，尽尽量缩短短传感器器电极的的引线长长度，减减少寄生生电容 9 。引引线采用用屏蔽线线，屏蔽蔽网接地地。若将将传感器器部分实实施金属属罩屏蔽蔽，屏蔽蔽罩接地地，则效效果更佳佳。（3）减减小边缘缘效应。双双孔平行行梁式结结构，通通过注塑塑成型工工艺将极极板与弹弹性体一一次制成成，再用用金属蒸蒸镀的方方法在动动极板上上镀一层层铜膜片片 11 2 ，该该工艺简简便、效效率高。（4）安安装保障障。设计计传感器器时不要要采用应应力集中中的结构构，不要要将行程程设计得得过大，使使弹性体体的工作作范围远远离变形形区；并并在活动动部件的的两端加加上限位位，采取取防撞限限位措施施。确保保秤体能能自由下下垂，拎拎环应与与秤钩在在同一垂垂线上。（5）装装配紧固固问题。一一般的紧紧固以牢牢固为准准，而传传感器紧紧固只要要有一点点觉察不不到的松松动，都都会给称称量造成成误差。因因此，传传感器部部分的紧紧固件要要特别加加料 5 00 。2.2.5尺寸寸设计电容式称称重传感感器的尺尺寸设计计主要包包括以下下几个方方面：（1）确确定双孔孔平行梁梁式弹性性体的尺尺寸；（2）确确定电容容式传感感器的几几何尺寸寸。2.2.5.11 弹性性体尺寸寸设计双孔平行行梁式弹弹性体正正面图如如图2-2所示。传传感器弹弹性元件件的尺寸寸根据最最大量程程而定，主主要是确确定检测测点截面面厚度hh，从而而确定开开孔形式式和尺寸寸。检测点应应变值 为 11 3 =Mpp /E W1 （2-66）式中，MMp 为检检测点弯弯距；EE 为材材料弹性性模数；W1 为检检测点抗抗弯模数数。检测点抗抗弯模数数W1 为W1=(l/6) bh2 （2-77）图2-22双孔平平行梁式式弹性体体正面图图又根据相相似三角角形有Mp :Mmaax =(l/2):(L/2) （2-8） 所以Mp=(1/LL)*(Fmaxx*L/4)-Fmmax*l/4 （2-9） 式中，bb 为弹弹性元件件宽度；h 为检检测点截截面厚度度；Mmaxx=Fmaxx L/4 为弹性性元件两两端最大大弯矩；Fmaxx 为最最大称重重；l 为双连连孔的中中心距；L 为弹弹性体长长度。可推得检检测点截截面厚度度h 为开圆孔直直径 为 =a-2h（22-111）P=(LL-1-)/2 (2-12)则刚度比比 K 为 K=(pp/h)3*(LL/a)（2-13） K 值可可作为校校验值，估估计弹性性体刚度度是否足足够。弹弹性体的的尺寸按按上述原原则确定定 113 ，其加加工按常常规工艺艺规范，经经热处理理、线切切割开孔孔、磨削削等过程程。2.2.5.22 电容容式传感感器的几几何尺寸寸设计电容式传传感器的的极距是是由工作作电场强强度来决决定的，即即Dd=VVw/Ew （22-144） 式中，ddd 为极极板间距距；Ew 为工工作电场场强度；Vw 为工工作电压压。对直流电电容式传传感器，应应该首先先根据介介质的瞬瞬时耐压压强度EEb，确定定工作电场场强度EEw。这时时先确定定电容的的测试电电场强度度EtEt=EEbcpp/ k1（2-115）式中，EEbcpp 为介介质的平平均瞬时时耐压强强度；kk1 为测测试电场场强度时时的耐压压安全系数。一一般，kk1 22。再确确定EwwEw=EE1/k2（2-116）式中，kk2 为工工作场强强对测试试场强的的安全系系数，一一般选用用k2