基于電阻應變片式傳感器的電子地磅設計與實現(xiàn)

電子地磅系統(tǒng)設計主要包括硬件電路設計，軟件編程調試，實物稱重三部分。硬件電路部分是以單片機 STC89C52ＲC 為核心控制單元，實現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的處理。數(shù)據(jù)采集部分選用壓力傳感器，采用 24 位 AD 轉換芯片 HX711 對傳感器采集到的模擬量進行 AD 轉換。轉換后的數(shù)據(jù)經過放大后送到單片機進行處理，由 LCD12864 液晶顯示數(shù)據(jù)，軟件部分采用 keil 編程實現(xiàn)。稱重測量結果顯示: 稱重范圍 5．00 ～ 500 g，重量小于 50 g 時，稱重誤差小于 0．5 g; 重量在 50 g 及以上，稱重誤差不大于 1 g。此電子地磅具有快速方便、數(shù)字顯示、自動計價去皮，金額自動累加等優(yōu)點。

0引言

電子地磅是通過將被測物體作用其上來確定該物體質重的計量器具。在衡器的發(fā)展演變過程中,曾經先后出現(xiàn)了6種類型的衡器設計,分別是:架盤天平、不等臂平臺秤、吊車秤、傾斜象限桿秤、彈簧秤和自動秤。時下,隨著現(xiàn)代科技的重要飛躍與高速進步,衡器也開始轉入了便利化、數(shù)字化、智能化的發(fā)展方向。

基于此,本次研究即采用了電阻式應變片傳感器作為信號采集單元、STC89C52RC單片機為控制核心,設計實現(xiàn)一款重量輕、計量準確、讀數(shù)直觀、價格低廉的便攜式智能電子秤系統(tǒng),適于樣品稱重、廚房配料,中藥藥鋪稱重等多種場合。

1研究設計方案

1.1設計目標

設計并制作一個成本較低,以電阻應變片為稱重傳感器的簡易電子地磅。

1)電子地磅可以數(shù)字顯示被稱物體的重量,單位克(g);2)電子地磅稱重范圍5.00~500 g;重量小于50 g,稱重誤差小于0.5 g;重量在50 g及以上,稱重誤差小于1 g;3)電子地磅可以設置單價(元/克),可計算物品金額并實現(xiàn)金額累加;4)電子地磅具有去皮功能,去皮范圍不超過100 g。

1.2系統(tǒng)總體設計

本次研發(fā)系統(tǒng)主要由控制、測量、放大轉換、數(shù)據(jù)顯示、鍵盤和電源等部分集結構成。在此，給出研究設計的整體架構如圖1所示。

1．3 電子地磅的工作設計原理

當被測物體放置到稱重平臺上時，電阻應變片傳感器將隨稱重懸臂一起發(fā)生形變，傳感器的力效應則轉化成電效應，也就是物體的重量將轉換為與被測物體重量成一定線性函數(shù)關系的模擬電信號，只是這個時候該信號還屬微弱級別，因而需將其進行放大、濾波后，再經由 A / D 轉換電路，轉換為數(shù)字信號，最后送入 CPU 將實現(xiàn)定制處理。具體地，CPU 將對鍵盤和各種功能開關提供實時掃描，并根據(jù)鍵盤輸入內容和各種功能開關的狀態(tài)做出判斷、分析，同時由軟件程序來控制各種運算，最后將運算結果顯示在液晶屏上。

2.硬件設計

硬件設計是電子地磅的重點與關鍵。研究得到的功能原理設計則如圖 2 所示。下面，將針對此次研發(fā)中的具體應用實現(xiàn)給出如下闡釋與論述。

2．1 電阻應變片傳感器

電阻應變片式傳感器的基本構成通常可分為 2 部分: 彈性敏感元件和應變計。彈性敏感元件在被測物理量的作用下，將產生一個與其成正比的應變，然后用應變計作為轉換元件將應變轉換為電阻變化。該傳感器的工作原理可如圖3 所示。

用應變片測量時，將其粘貼在彈性體上。當彈性體受力變形時，應變片的敏感柵也隨之變形，其阻值發(fā)生相應的變化 再通過一定電路轉換為電壓或電流的變化 。由圖 3 可知，本次研究采用了惠更斯電橋，當彈性體承受載荷產生變形時，輸出信號電壓即可由式( 1) 運算得到:

本次研究得到的電阻應變片式傳感器具有如下強大優(yōu)勢特點: 使用方便，應用和測量范圍廣，精度較高，結構小巧，頻率響應好，對試件影響輕微，對復雜環(huán)境適應性強，可在高溫、高壓、強磁場等特殊環(huán)境中使用，因而利于實現(xiàn)遠距離、自動化測量。

2．2 A / D 轉換器

研究可知，A / D 轉換部分對系統(tǒng)整體設計的成功運作具有重要意義。HX711 芯片即是一種專為高精度電子秤而設計發(fā)布的 24 位 A / D 轉換器芯片 ，與同類型其它芯片相比，該芯片的選用不僅降低了電子秤的整體成本，更重要的則是提高了整機的性能和可靠性。該芯片與后端 MCU 芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號均由管腳驅動，無需對芯片內部的寄存器來拓展配置編程 。輸入選擇開關可任意選取通道 A 或通道 B，與其內部的低噪聲可編程放大器相連。通道 A 的可編程增益為 128 或 64，對應的滿額度差分輸入信號幅值分別為 ± 20mV 或 ± 40mV。通道 B 則為固定的 32 增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測。芯片內提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內的 A / D 轉換器提供電源，系統(tǒng)板上無需添加另外的模擬電源。芯片內的時鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動復位功能簡化了開機的初始化過程 。

考慮到本系統(tǒng)中對物體重量的測量和場合使用的精度要求，以及對轉換速率也呈現(xiàn)出明確快捷要求，本次設計采用了 24位的 A / D 轉換器 HX7411。A / D 轉換電路圖如圖 4所示。

2．3 鍵盤處理電路

由于此時，輸出信號電壓即可由式( 1) ［7］運算得到:需要設置單價 ( 10 個數(shù)字鍵) ，還具有確認、刪除、去皮、計價等功能，總共需設置 17 個鍵( 包括一個復位鍵) 。鍵盤的擴展方案采用了矩陣式鍵盤。矩陣式鍵盤的特點是把檢測線分成 2 組，一組行線，一組列線，按鍵將部署在行線和列線的交叉點上。當鍵盤的數(shù)量大于 8 時，一般都采用矩陣式鍵盤。結合本設計的實際要求，16 個按鍵使用 4×4 矩陣式鍵盤，另外一個復位鍵將使用獨立式按鍵設計實現(xiàn)。

2．4 報警電路

當被測物體重量超過系統(tǒng)設計所允許的限值時，研究中利用控制程序使單片機的 I / O 口轉為高電平，此時三級管導通，蜂鳴器即會發(fā)出警報聲，同時報警燈閃爍。

綜上可得，本次研發(fā)中設計構建的系統(tǒng)實物呈現(xiàn)如圖 5所示。

3.程序設計

系統(tǒng)研究中，軟件部分依據(jù)功能應用可劃定為 6 個模塊，分別是主程序模塊、A / D 轉換模塊、數(shù)制轉換模塊、鍵盤掃描控制模塊、顯示模塊和報警模塊 。主程序流程圖給出了系統(tǒng)工作的基本過程，描述了信號的基本流向，從而可全面發(fā)揮控制導引作用。主程序流程如圖 6 所示。

4.實驗測試

4．1 測量調試

研究得到通，蜂鳴器即會發(fā)出警報聲，同時報警燈閃爍的稱重精度主要由傳感器決定，而不同的傳感器所配設的精度特性曲線也各不一樣，因此，每一個傳感器的參數(shù)在程序中均需要進行適當校正。當發(fā)現(xiàn)測試出來的重量偏大時，增加該數(shù)值; 如果測試出來的重量偏小時，減小該數(shù)值; 此數(shù)值一般在 2．15 附近之間調整?？偟貋碚f，該參數(shù)因傳感器不同而有針對性地生成調整限定。電子地磅的精度調節(jié)需要用砝碼展開反復的統(tǒng)計測量。在測量調試過程中，研究采用分段的方法，即將量程區(qū)間分為 3段，分別為: 5．00 ～ 50．00 g，50．00 ～ 200．00 g，200．00 ～ 500．00 g。

再根據(jù)各個階段的誤差值在程序中進行相應參數(shù)的調試校準修正。

修正測量結果如圖 7 所示，插入圖為砝碼值較小時的放大圖。從測試修正四曲線可以看出，經過多次測量校正后的曲線滿足線性且接近真實值，說明系統(tǒng)最優(yōu)，達到測試要求。

4．2 測試結果與誤差分析

4．2．1 測試結果( 數(shù)據(jù))

取 3 次測量結果平均值作為經過精度校準后的測試數(shù)據(jù)，具體如表 1 所示。

由表 1 數(shù)據(jù)可以看出，重量小于 50 g 時，稱重誤差小于0．5 g; 重量在 50 g 及以上，稱重誤差小于 1 g，且可設置電子秤每 0．5 s 自動稱重，累積 3 次取平均值刷新顯示，這樣測量誤差可控制在表 1 所列范圍，稱重速度較快，而且精度較高。

4．2．2 誤差分析及改進

懸臂的材質，貼電阻感應片處的厚度，感應片的質量及粘貼時對氣泡的處理，稱重溫度等都會對測量結果產生一定的作用和影響。為此，可設計提出如下改良方案:

1) 考慮電子電路的設計中對各種影響因素的處理，比如對電壓過大情況采取有效防范措施;

2) 粘貼電阻應變片時，要按規(guī)范步驟有序設置操作，防止其與懸臂貼合時沾染灰塵產生氣泡;

3) 系統(tǒng)程序設計盡量優(yōu)化。通過程序的算法及參數(shù)的選取來改善系統(tǒng)硬件部分對電子秤精度的影響;

4) 了解各種實用芯片性能和價格，選用質量優(yōu)等的電子元器件，尤其是要高度重視電阻應變片的款型選擇

5.結束語

通過對稱重傳感器信號處理電路的分析和實測，可以總結出，此電子秤的精度調節(jié)需要用砝碼展開反復的統(tǒng)計測量。在整體上具備了線路完善、轉換精度高、調試步驟簡單、而且功耗低、以及無溫漂等眾多特點，滿足設計要求。

另外，隨著對生活質量的高優(yōu)追求，電子秤的精度調節(jié)需要用砝碼展開反復的統(tǒng)計測量。在還可以擴展外延更多電路，如日歷時鐘電路、通訊接口電路等。日歷時鐘電路則可顯示購貨日期，通訊接口電路則可與上位機( PC 機) 進行通訊，從而將大量的商品數(shù)據(jù)存于上位機，然后通過串口或并口通訊與電子稱相連，達到遠距離操控的滿意效果目的。