提供了一種適合電子愛好者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重傳感器,借 助三個運放構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。

1 .DIY型電子秤總體設計

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)生異常時進行報 警。調(diào)試接口用于設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(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。當懸臂 結(jié)構受力時，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,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。儀表放大器的增益既 可由內(nèi)部預置,又可通過引腳連接一個內(nèi)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或多個運算放大器及一 些電阻器構成的分立式結(jié)構和單片式結(jié)構兩大類， 兩種結(jié)構各有優(yōu)缺點。通常，分立式結(jié)構儀表放大 器成本低,設計靈活,有時能提供單片式結(jié)構無法達 到的性能,例如高頻帶。單片式結(jié)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(guī)定的 技術指標，出廠前經(jīng)過微調(diào)，其DC精度高于分立式 結(jié)構。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）、用于稱重校準的砝碼等。

3.軟件設計

電子稱重儀的軟件設計流程圖如圖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)按鍵的種類分別進入 各自的按鍵服務程序。

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,將當前AD采樣 值設為重量零點值;按鍵2按下時，實現(xiàn)設置單價模 式下的當前位數(shù)值增加;按鍵3按下時,實現(xiàn)設置單 價模式下的當前位數(shù)值減少;按鍵4按下，實現(xiàn)設置 單價模式下的設置位左移1位;按鍵5按下，實現(xiàn)設 置單價模式下的設置位右移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 進入單價設置模式,短按按鍵6時存儲當前設置值, 確認設置結(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、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 置各指標均達到設計要求，是一款性價比較高的低 成本產(chǎn)品。