針對電子秤懸臂梁材質(zhì)、稱重方式及功能單一的問題，提出了單片機為控制器，利用鋼質(zhì)懸臂梁上粘貼電阻 應變片作為稱重傳感器，結(jié)合矩陣鍵盤電路、LCD顯示電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及語音播報電路等實現(xiàn)鋼制懸臂梁懸掛式電子秤的設計。具備5. 00?500 g重量的測量功能，當重量小于50 g時,稱重誤差小于0. 5 g，重量在50 g以上時，稱 重誤差小于1 g;具備單價設置功能并結(jié)合重量實現(xiàn)金額的累加；具備去皮功能及語音播報功能。整個系統(tǒng)采用蓄電 池供電，增加了系統(tǒng)的便攜性和可重復利用性。實驗證明，該系統(tǒng)集測量精度高、顯示直觀及工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點，對 應用于各種場合的高精度懸臂梁式電子秤的改進有一定的指導意義。

1.引 言

傳統(tǒng)的懸臂梁式電子秤主要以托盤式為主,在懸臂梁 上粘貼電阻式應變片構(gòu)成稱重傳感器，利用傳感器的形變 將質(zhì)量轉(zhuǎn)換為可測量的電信號。其懸臂梁組成材質(zhì)主要為 鋁合金的稱重傳感器,適用于電子計價秤、平臺秤、案秤等；

以鋼為材料的懸臂梁傳感器適用于電子皮帶秤、分選 秤。而以鋼為懸臂梁材料設計的懸掛式高精度電子計 價秤則較少。本設計以單片機為控制器，以全橋為應變片 的粘貼形式，通過軟硬設計及實物調(diào)試，實現(xiàn)了鋼制懸臂梁懸掛式電子秤的設計，突破了傳統(tǒng) 電子秤的懸臂梁材質(zhì)和稱重物體的放置形式，在兼具精度 的同時拓展了更多人性化功能，有著較為廣泛的應用前景。

2.方案論證

2.1方案1

采用超低功耗MSP430系列單片機為控制器，利用儀 表放大器INA333放大信號的同時提高系統(tǒng)的共模抑制 比，利用24位高精度A/D轉(zhuǎn)換器ADS1256將電壓信號轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號經(jīng)單片機處理后顯示，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2方案2

采用國產(chǎn)STC系列單片機，結(jié)合主要用于 高精度稱重傳感器而設計的支持差分輸人的24位A/D轉(zhuǎn) 換器芯片HX711，配合其他外圍電路實現(xiàn)對被測物體重量 的顯示、價格設置及語音播報功能,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3方案對比

從單片機的處理速度分析MSP430為16位處理器其 處理數(shù)據(jù)能力優(yōu)于8位的STC單片機；從功耗的角度分 析，方案1中的處理器和主要外圍器件INA333、ADS1256 為超低功耗，優(yōu)于方案2;從采集精度的角度分析， ADS1256容易受到干擾，對濾波要求較高而HX711則相 對穩(wěn)定。由于電子秤對處理速度要求不髙，本設計選擇 性價比較髙的方案2，以STC單片機為控制器實現(xiàn)系統(tǒng)的 懸臂梁式電子秤的設計。

3.理論分析與計算

將應變片貼在被測定物上，使其隨著被測定對象的 應變一起伸縮，此時應變片內(nèi)部的金屬箔就隨著應變伸 長或縮短其電阻隨之變化。一般應變片的敏感柵使用 的是銅鉻合金，其電阻變化率為常數(shù)，與應變成正比例 關(guān)系。即：

ΔR/R = KXe (1)

式中:R為應變片的原電阻值，設計中選用的應變片為 120 Ω;ΔR為伸長或壓縮引起的電阻變化;K為應變常數(shù)； e為試件表面測點處與應變計敏感柵縱線方向平行的應 變。不同的金屬材料有不同的比例常數(shù)K。銅鉻合金的K值約為2。應變的測量就通過應變片轉(zhuǎn)換為對電阻變化的 測量。但是由于應變是相當微小的變化，所以產(chǎn)生的電阻 變化也是極其微小的。例如計算1000*1O-6的應變產(chǎn) 生的電阻的變化，應變片的電阻值為是120 Ω,即：

ΔR/120 = 2 X 1000 X 10-6

ΔR=120X2X1000X10_6= 0. 24Ω

電阻變化率為 ΔR/R = 0. 24/120 = 0. 002 對該電阻變化較為微小的測量，設計中應變片的接人 方式為全橋式，具體電路如圖3所示。

如果R1=R2 = R3 = R4 或R1 X R2 =R3 X R4則無論 輸入多大電壓,輸出電壓￡總為0,這種狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。 如果平衡被破壞，就會產(chǎn)生與電阻變化相對應的輸出電壓。 如圖3所示，當4條邊上的應變片的電阻分別引起如R1+ ΔR，R2- ΔR,R3+ΔR,R4-ΔR的變化時4枚應變片變化量絕對值相等，鄰臂上的應變相減，對臂上的應變相加。 其輸出為：

U0 = E .ΔR/R = K . e . E (2)

設計中選擇箔式金屬應變計，主要適用于0. 02級的壓 力傳感器制造工藝中，即滿量程時輸出誤差在士0. 02的范 圍內(nèi)?？赏瑫r實現(xiàn)溫度自補償和蠕變自補償。

4.軟硬件設計

4.1硬件電路設計

硬件電路主要包含晶振電路、復位電路、LCD顯示電 路、矩陣鍵盤電路及A/D轉(zhuǎn)換電路。其中晶振電路為單片 機提供穩(wěn)定的時鐘基準，是單片機系統(tǒng)正常運行的前提，設 計中晶振選擇12 MHz;復位電路是為了預防程序跑飛而 設計的，可使單片機及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并 從初態(tài)開始工作，本系統(tǒng)具備上電復位和手動復位兩個功 能，其中上電復位利用電容的沖放電實現(xiàn)，手動復位利用按 鍵觸發(fā)實現(xiàn)，其實質(zhì)為給單片機RST引腳一個高電平并維 持2個機器周期；LCD顯示電路采用圖形液晶顯示器 LCD12864,可以實時顯示重量、單價及金額的累加值，為了 節(jié)省單片機的I/O資源，設計中采用LCD的串行連接方 式;矩陣鍵盤要來實現(xiàn)對單價的設置，采用掃描法確定按鍵 是否觸發(fā)；SYN6288語音模塊用來播報重量、單價及金額 的累加值，可通過單片機串口發(fā)送待合成的文本，實現(xiàn)文本 到聲音的轉(zhuǎn)化。

HX711是一款專為高精度稱重傳感器而設計的24位 A/D轉(zhuǎn)換器芯片。該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘 振蕩器等其他同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度 高、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。降低了電子秤的整機 成本，提高了整機的性能和可靠性。該芯片與后端MCU 芯片的接口和編程較簡單,所有控制信號由管腳驅(qū)動，無需 對芯片內(nèi)部的寄存器編程。輸入選擇開關(guān)可任意選取通道 A或通道B，與其內(nèi)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±20 mV或±40 mV。通道B則為固定的32 增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測。設計中選擇通道A，具體電路如 圖4所示。

4.2主程序設計

主程序是程序的入口，主要調(diào)用顯示子程序、鍵盤子 程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序及語音播報子程序，實現(xiàn)對測量參 數(shù)的實時顯示與語音播報功能。具體流程圖如圖5所示。

5.系統(tǒng)測試

5.1電橋軟件與硬件調(diào)零

設計中采用高精度電阻式應變片很容易受到干擾，導 致無輸入時輸出不為0,所以設計初期必須調(diào)零。調(diào)零原 則包含:傳感器輸入為0時，輸出也為0;不影響傳感器的 其他性能如靈敏度、穩(wěn)定性、線性等。調(diào)零電阻的大小 與應變片的粘貼位置及懸臂梁的物理特性密切相關(guān)，具體 調(diào)零電路如圖6所示。

軟件調(diào)零實質(zhì)是記憶“零點”,然后在數(shù)據(jù)處理中消 除，但會造成系統(tǒng)實時性降低。

5.2測試結(jié)果分析

測試中使用5、50、100及200 g的砝碼，分別測試8 次，具體測量結(jié)果如表1所示。

6.系統(tǒng)調(diào)試及存在問題分析

6.1電橋結(jié)構(gòu)材料的選擇

設計中如果電橋結(jié)構(gòu)受力后產(chǎn)生塑性形變或形變恢復較慢將直接影響應變片的穩(wěn)定輸出，設計中采用韌性較 髙的40CR鋼為模型,將應變片粘貼于受力變化較為敏感 的位置,形成等臂電橋。

6.2應變片的粘貼

應變片粘貼不當直接影響其檢測，粘貼前需用砂紙打 磨掉橋臂的銹跡，并用乙醇擦拭干凈，然后用速干膠粘貼 并壓實防止粘貼處有氣泡產(chǎn)生；在應變片的輸出引線下墊 聚乙烯薄膜使應變片輸出引線與金屬橋臂絕緣。

6.3測量精度影響因素分析

設計初期為了固定應變片使用熱熔膠密封，結(jié)果由于 應變片工作后發(fā)熱，熱熔膠引起應變片變形，導致測量結(jié) 果不穩(wěn)定；由于電源電壓波動對測量系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換器

7.結(jié) 論

本文通過對設計方案的對比，以鋼制懸臂梁為模型， 經(jīng)過理論分析與計算、軟硬件設計及系統(tǒng)測試等環(huán)節(jié)，證 明了該懸掛式電子秤在兼顧精度的同時擴大了測量范圍， 擴展了單價設置、金額累加及語音播報等功能。突破了傳 統(tǒng)托盤式為主的高精度電子秤的測量范圍與精度的限制， 并對設計過程中遇到的電橋結(jié)構(gòu)材料的選擇、應變片的粘 貼及測量精度的影響等問題進行了詳細說明，對該類設計 有一定的借鑒作用。