提供了一種適合電子愛(ài)好者DIY的低成本電子秤的設計方案。此電子秤采用電阻應變片自制稱(chēng)重傳感器,借 助三個(gè)運放構成的儀表放大器將微小的稱(chēng)重傳感器信號放大至單片機AD采樣的電壓，實(shí)現了物體重量的可靠測 量,具有精度高、成本低、便攜方便的特點(diǎn)。

引言

作為物品交易市場(chǎng)上的計量器具，秤的種類(lèi)主 要有天平、杠桿秤、彈簧秤和電子秤等。天平適用于 實(shí)驗室貴重物品的精確測量,使用前需調節平衡旋 鈕,輕拿輕放物品和砝碼,對稱(chēng)重環(huán)境要求較高。杠 桿秤是利用杠桿原理來(lái)稱(chēng)重的簡(jiǎn)易衡器，由木制的 帶有秤星的秤桿、金屬秤錘、提紐等組成。經(jīng)校準的 杠桿秤具有精度穩定、操作方便的特點(diǎn)。電子秤的 出現突破了傳統杠桿秤只能單一稱(chēng)重，無(wú)法自動(dòng)去 皮、計算等不足，目前在市場(chǎng)上占據了絕大部分 份額。

電子秤的稱(chēng)重結果顯示直觀(guān)，也存在被內部程 序二次修改而無(wú)法察覺(jué)的缺點(diǎn)。電子愛(ài)好者可以自 制一臺簡(jiǎn)易的電子秤,用于物品稱(chēng)重的校準。

1 .DIY型電子秤總體設計

電子秤的系統框圖如圖1所示。稱(chēng)重傳感器將 被測物體在壓力激勵下產(chǎn)生的微小電壓信號送至信 號調理模塊0 ,信號調理電路將把小電壓體現的微 弱壓力信號轉變成適合MCU單元讀取的直流電壓 信號。AD采樣模塊采用片外專(zhuān)用AD芯片 AD7991,可實(shí)現高精度采樣。MCU單元接收鍵盤(pán)信 號,確定相應的測量模塊,將計算出的重量通過(guò)LCD 屏幕顯示出來(lái)。蜂鳴器在稱(chēng)重發(fā)生異常時(shí)進(jìn)行報 警。調試接口用于設備使用過(guò)程中的參數矯正和向 上位機提供檢測數據的功能。

2.系統硬件設計

硬件電路包括電源模塊、稱(chēng)重傳感器模塊H、信 號放大模塊、電壓檢測模塊、人機接口模塊和報警模 塊。

系統電源模塊如圖2所示，選用線(xiàn)性電源芯片 LM78系列和LM79系列，產(chǎn)生±5V電源。

稱(chēng)重傳感器模塊如圖3所示，具有一

定彈性的 鋁板以懸臂梁方式安裝固定在鋼板支架上，在鋁板懸臂端上下對稱(chēng)的位置布置兩片電阻應變片，構成 惠斯通電橋。等效電路&]如圖4所示。

+ EXC和-EXC為激勵信號輸入端，加載穩定 的輸入電壓；+SIG和-SIG為信號輸出端。理論 上,處于平衡狀態(tài)的電橋兩輸出端等電位。當懸臂 結構受力時(shí)，電阻應變片發(fā)生形變，阻值發(fā)生改 變B]。電橋的輸出信號如公式（1)所示：

從表1中看出，當被測物體在500g以下時(shí),壓 力傳感器的輸出信號小于3.5mV。圖5表明，稱(chēng)重 傳感器具有很好的線(xiàn)性度。

信號調理電路的作用是將傳感器的微弱電壓信 號通過(guò)具有高增益、低噪聲干擾的儀表放大器轉變成線(xiàn)性度較好的AD采樣信號。儀表放大器是一種 具有差分輸入和相對參考端單端輸出的閉環(huán)增益單 元?。其兩個(gè)輸入端具有較高的輸入阻抗，且阻抗 平衡,具有較低的輸入偏置電流,具有極低的輸出阻 抗,在低頻段通常僅有幾毫歐（mH)。運算放大器 的閉環(huán)增益是由其反向輸入端和輸出端之間連接的 外部電阻決定的,儀表放大器使用一個(gè)與信號輸入 端隔離的內部反饋電阻網(wǎng)絡(luò )。儀表放大器的增益既 可由內部預置,又可通過(guò)引腳連接一個(gè)內部或者外 部增益電阻器設置，該增益電阻器也與信號輸入端 隔離。

儀表放大器主要有一個(gè)或多個(gè)運算放大器及一 些電阻器構成的分立式結構和單片式結構兩大類(lèi)， 兩種結構各有優(yōu)缺點(diǎn)。通常，分立式結構儀表放大 器成本低,設計靈活,有時(shí)能提供單片式結構無(wú)法達 到的性能,例如高頻帶。單片式結構儀表放大器提 供了完整的儀表放大器功能，可以完全達到規定的 技術(shù)指標，出廠(chǎng)前經(jīng)過(guò)微調，其DC精度高于分立式 結構。單片式儀表放大器還具有尺寸非常小、簡(jiǎn)單 易用的優(yōu)勢。本設計采用價(jià)格低廉的普通運算放大 器搭建一個(gè)儀表放大器，如圖6所示。與運算放大 器電路相同,儀表放大器的輸入緩沖放大器以單位 增益通過(guò)共模信號放大信號電壓。來(lái)自?xún)蓚€(gè)緩沖器 的輸出信號連接到儀表放大器的減法器單元，以低 增益或單位增益放大差分信號，從而抑制了共模 電壓。

在圖6中，R1=R5,R3=R6, R4 = R7。第一級放 大倍數為1 +2R1/R2,第二級放大倍數為R4/R3?？?/span> 增益為：

圖7所示的AD7991是一種具有12位精度的片 外串行AD芯片,工作電壓為3.3V。根據表1測得 的數據,500g砝碼在稱(chēng)重傳感器上產(chǎn)生的輸出信號 為直流3. 3mV。從而本系統的稱(chēng)重精度為：

在公式(3 )中，Va為系統的電源電壓，mMM為 稱(chēng)重的上限值，Vsensor為稱(chēng)重傳感器的信號輸出值, Av為儀表放大電路的總增益,n為AD采樣的位數。 實(shí)際稱(chēng)重值見(jiàn)公式(4)：

系統組裝結構如圖8所示,整機包括底座、稱(chēng)重 傳感器、托盤(pán)、信號處理板、主控板（包括MCU、按鍵 組件、顯示屏等）、用于稱(chēng)重校準的砝碼等。

3.軟件設計

電子稱(chēng)重儀的軟件設計流程圖如圖9所示。系統開(kāi)機自檢后完成基本初始化操作，無(wú)按鍵按下時(shí), 實(shí)時(shí)檢測與待測物體重量成線(xiàn)性比例的AD采樣 值,檢測到有按鍵按下時(shí),根據按鍵的種類(lèi)分別進(jìn)入 各自的按鍵服務(wù)程序。

本系統采用定時(shí)查詢(xún)的方式獲取按鍵按下的信 息。按鍵1按下時(shí),實(shí)現去皮功能,將當前AD采樣 值設為重量零點(diǎn)值;按鍵2按下時(shí)，實(shí)現設置單價(jià)模 式下的當前位數值增加;按鍵3按下時(shí),實(shí)現設置單 價(jià)模式下的當前位數值減少;按鍵4按下，實(shí)現設置 單價(jià)模式下的設置位左移1位;按鍵5按下，實(shí)現設 置單價(jià)模式下的設置位右移1位;按鍵6按下時(shí),根 據按鍵的連續按下時(shí)間判別按鍵性質(zhì)，長(cháng)按按鍵6 進(jìn)入單價(jià)設置模式,短按按鍵6時(shí)存儲當前設置值, 確認設置結果。

電子稱(chēng)重儀系統能實(shí)現檢測方式的手動(dòng)與自 動(dòng)切換、開(kāi)機自檢、測試校準、接入故障診斷、超限 報警等功能，且能實(shí)現LCD顯示屏上的實(shí)時(shí)狀態(tài) 更新。

4.測試結果與性能分析

本設計的電子稱(chēng)重儀測量范圍在0 ~500g,根據 公式(3)可知,精確度為0.122毫克。表2給出了稱(chēng) 重儀測量的一批重量值,根據數據比較,得出電子稱(chēng) 重儀的誤差在0. 8%以?xún)?，性能良好?/span>

5.結論

本文設計的電子稱(chēng)重儀具有自動(dòng)量程轉換功 能,具有測量精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)測試，該裝 置各指標均達到設計要求，是一款性?xún)r(jià)比較高的低 成本產(chǎn)品。