提供了一種適合電子愛好者DIY的低成本電子秤的設(shè)計方案。此電子秤采用電阻應(yīng)變片自制稱重傳感器,借 助三個運放構(gòu)成的儀表放大器將微小的稱重傳感器信號放大至單片機AD采樣的電壓，實現(xiàn)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。

引言

作為物品交易市場上的計量器具，秤的種類主 要有天平、杠桿秤、彈簧秤和電子秤等。天平適用于 實驗室貴重物品的精確測量,使用前需調(diào)節(jié)平衡旋 鈕,輕拿輕放物品和砝碼,對稱重環(huán)境要求較高。杠 桿秤是利用杠桿原理來稱重的簡易衡器，由木制的 帶有秤星的秤桿、金屬秤錘、提紐等組成。經(jīng)校準(zhǔn)的 杠桿秤具有精度穩(wěn)定、操作方便的特點。電子秤的 出現(xiàn)突破了傳統(tǒng)杠桿秤只能單一稱重，無法自動去 皮、計算等不足，目前在市場上占據(jù)了絕大部分 份額。

電子秤的稱重結(jié)果顯示直觀，也存在被內(nèi)部程 序二次修改而無法察覺的缺點。電子愛好者可以自 制一臺簡易的電子秤,用于物品稱重的校準(zhǔn)。

1 .DIY型電子秤總體設(shè)計

電子秤的系統(tǒng)框圖如圖1所示。稱重傳感器將 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(diào)理模塊0 ,信號調(diào)理電路將把小電壓體現(xiàn)的微 弱壓力信號轉(zhuǎn)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用AD芯片 AD7991,可實現(xiàn)高精度采樣。MCU單元接收鍵盤信 號,確定相應(yīng)的測量模塊,將計算出的重量通過LCD 屏幕顯示出來。蜂鳴器在稱重發(fā)生異常時進(jìn)行報 警。調(diào)試接口用于設(shè)備使用過程中的參數(shù)矯正和向 上位機提供檢測數(shù)據(jù)的功能。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件電路包括電源模塊、稱重傳感器模塊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(tǒng)電源模塊如圖2所示，選用線性電源芯片 LM78系列和LM79系列，產(chǎn)生±5V電源。

稱重傳感器模塊如圖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的位置布置兩片電阻應(yīng)變片，構(gòu)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(wěn)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(dāng)懸臂 結(jié)構(gòu)受力時，電阻應(yīng)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(dāng)被測物體在500g以下時,壓 力傳感器的輸出信號小于3.5mV。圖5表明，稱重 傳感器具有很好的線性度。

信號調(diào)理電路的作用是將傳感器的微弱電壓信 號通過具有高增益、低噪聲干擾的儀表放大器轉(zhuǎn)變成線性度較好的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與信號輸入 端隔離的內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)絡(luò)。儀表放大器的增益既 可由內(nèi)部預(yù)置,又可通過引腳連接一個內(nèi)部或者外 部增益電阻器設(shè)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或多個運算放大器及一 些電阻器構(gòu)成的分立式結(jié)構(gòu)和單片式結(jié)構(gòu)兩大類， 兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點。通常，分立式結(jié)構(gòu)儀表放大 器成本低,設(shè)計靈活,有時能提供單片式結(jié)構(gòu)無法達(dá) 到的性能,例如高頻帶。單片式結(jié)構(gòu)儀表放大器提 供了完整的儀表放大器功能，可以完全達(dá)到規(guī)定的 技術(shù)指標(biāo)，出廠前經(jīng)過微調(diào)，其DC精度高于分立式 結(jié)構(gòu)。單片式儀表放大器還具有尺寸非常小、簡單 易用的優(yōu)勢。本設(shè)計采用價格低廉的普通運算放大 器搭建一個儀表放大器，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 增益通過共模信號放大信號電壓。來自兩個緩沖器 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(shù)為1 +2R1/R2,第二級放大倍數(shù)為R4/R3。總 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(jù)表1測得 的數(shù)據(jù),500g砝碼在稱重傳感器上產(chǎn)生的輸出信號 為直流3. 3mV。從而本系統(tǒng)的稱重精度為：

在公式(3 )中，Va為系統(tǒng)的電源電壓，mMM為 稱重的上限值，Vsensor為稱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(shù)。 實際稱重值見公式(4)：

系統(tǒng)組裝結(jié)構(gòu)如圖8所示,整機包括底座、稱重 傳感器、托盤、信號處理板、主控板（包括MCU、按鍵 組件、顯示屏等）、用于稱重校準(zhǔn)的砝碼等。

3.軟件設(shè)計

電子稱重儀的軟件設(shè)計流程圖如圖9所示。系統(tǒng)開機自檢后完成基本初始化操作，無按鍵按下時, 實時檢測與待測物體重量成線性比例的AD采樣 值,檢測到有按鍵按下時,根據(jù)按鍵的種類分別進(jìn)入 各自的按鍵服務(wù)程序。

本系統(tǒng)采用定時查詢的方式獲取按鍵按下的信 息。按鍵1按下時,實現(xiàn)去皮功能,將當(dāng)前AD采樣 值設(shè)為重量零點值;按鍵2按下時，實現(xiàn)設(shè)置單價模 式下的當(dāng)前位數(shù)值增加;按鍵3按下時,實現(xiàn)設(shè)置單 價模式下的當(dāng)前位數(shù)值減少;按鍵4按下，實現(xiàn)設(shè)置 單價模式下的設(shè)置位左移1位;按鍵5按下，實現(xiàn)設(shè) 置單價模式下的設(shè)置位右移1位;按鍵6按下時,根 據(jù)按鍵的連續(xù)按下時間判別按鍵性質(zhì)，長按按鍵6 進(jìn)入單價設(shè)置模式,短按按鍵6時存儲當(dāng)前設(shè)置值, 確認(rèn)設(shè)置結(jié)果。

電子稱重儀系統(tǒng)能實現(xiàn)檢測方式的手動與自 動切換、開機自檢、測試校準(zhǔn)、接入故障診斷、超限 報警等功能，且能實現(xiàn)LCD顯示屏上的實時狀態(tài) 更新。

4.測試結(jié)果與性能分析

本設(shè)計的電子稱重儀測量范圍在0 ~500g,根據(jù) 公式(3)可知,精確度為0.122毫克。表2給出了稱 重儀測量的一批重量值,根據(jù)數(shù)據(jù)比較,得出電子稱 重儀的誤差在0. 8%以內(nèi)，性能良好。

5.結(jié)論

本文設(shè)計的電子稱重儀具有自動量程轉(zhuǎn)換功 能,具有測量精度高、成本低等優(yōu)點。經(jīng)測試，該裝 置各指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，是一款性價比較高的低 成本產(chǎn)品。