為了解決因微弱信號(hào)放大而影響電子秤精度的問(wèn)題，采用了儀表放大器作為壓力傳感 器前置放大器，解決了由放大環(huán)節(jié)帶來(lái)的失調(diào)電壓和溫漂等問(wèn)題。簡(jiǎn)要論述了電阻應(yīng)變式稱重傳感器的工作原理、設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件電路與軟件。經(jīng)測(cè)試設(shè)計(jì)的電子秤誤差小于0.3%，且具有 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確穩(wěn)定、稱量快捷等特點(diǎn)。

0.引言

電子秤是將傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī) 技術(shù)等綜合一體的現(xiàn)代新型稱重儀器。它是一種快 捷、方便的稱重工具，廣泛應(yīng)用于工廠生廠、集貿(mào)市 場(chǎng)、大型商場(chǎng)等公共場(chǎng)所的信息顯示和重量計(jì)算。 電子秤是通過(guò)以單片機(jī)來(lái)控制中心單元，由傳感器 作為進(jìn)行重量的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元,再通過(guò)單片機(jī)鍵盤 控制和顯示輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確稱重。系統(tǒng)中采用 應(yīng)變片壓力傳感器檢測(cè)到的信號(hào)弱，且含有大量的 共模干擾成份,信號(hào)的處理將直接影響到系統(tǒng)的精 度,本文采用儀表放大器作為信號(hào)處理模塊。

1.電子秤的工作原理

電子秤首先利用壓力傳感器采集因壓力變化產(chǎn) 生的電壓信號(hào),再經(jīng)過(guò)電壓放大電路放大,然后再經(jīng) 過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后把數(shù)字信號(hào)送 入單片機(jī)。單片機(jī)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理后，得出當(dāng)前所 稱物品的重量，然后再顯示出來(lái)。設(shè)計(jì)的電子秤系 統(tǒng)由五部分組成:測(cè)量部分、儀表放大部分、A/D及控制器部分、數(shù)據(jù)顯示、鍵盤部分。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方 案框圖如圖1所示。

測(cè)量部分是利用稱重傳感器檢測(cè)壓力信號(hào)，得 到微弱的電壓信號(hào),經(jīng)儀表放大器放大后，再經(jīng)A/ D轉(zhuǎn)換送至單片機(jī),將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為物體的實(shí)際 重量信號(hào),并將其送到顯示單元中。

2.硬件電路設(shè)計(jì)

2.1測(cè)量電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中，傳感器是一個(gè)十分重要的元件，因此 對(duì)傳感器的選擇也顯得特別的重要，不僅要注意其 量程和參數(shù),還有考慮到與其相配置的各種電路的 設(shè)計(jì)的難以程度和設(shè)計(jì)性價(jià)比等。電阻應(yīng)變式壓力傳感器是一種將力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的轉(zhuǎn)換元件，其主 要由兩部分構(gòu)成:彈性敏感元件；電阻應(yīng)變片。彈性 體在外力作用下產(chǎn)生彈性變形,使粘貼在他表面的 電阻應(yīng)變片也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它 的阻值將發(fā)生變化，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電 阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成了將 外力變換為電信號(hào)的過(guò)程。圖2所示為平行梁微型 秤稱重傳感器。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求傳感器參數(shù)選擇如表1所示。懸 臂梁安裝方式：帶線端固定，另一端的懸空，其上面 放稱量重物。

系統(tǒng)采用SP20C -G501電阻應(yīng)變式傳感器，其 最大量程為1kg。稱重傳感器由組合式S型梁結(jié)構(gòu) 及金屬箔式應(yīng)變計(jì)構(gòu)成，具有過(guò)載保護(hù)裝置。由于 惠斯登電橋具備諸如抑制溫度變化的影響，抑制干 擾,補(bǔ)償方便等優(yōu)點(diǎn)，所以該傳感器具有測(cè)量精度 高、溫度特性好、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于各種 結(jié)構(gòu)的動(dòng)、靜態(tài)測(cè)量及各種電子軒的一次儀表。

測(cè)量電路采用最常見(jiàn)的橋式測(cè)量電路，用到的 是電阻應(yīng)變傳感器半橋式測(cè)量電路。它的兩只應(yīng)變 片和兩只電阻貼在彈性梁上，測(cè)量電阻隨重力變化 導(dǎo)致彈性梁應(yīng)變而產(chǎn)生變化。工作原理如圖3所 示，當(dāng)彈性體受力變形時(shí),應(yīng)變片的敏感柵也隨同變 形,其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化,通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電 壓或電流的變化。圖3中當(dāng)每個(gè)橋臂電阻變化值 ΔR <<Ri、初始值R1 = R = R3 = R,且電橋輸出電 阻無(wú)窮大時(shí)，電橋輸出電壓U0為：

式（1)說(shuō)明電橋的輸出電壓Uo和四個(gè)橋臂的應(yīng)變 片感受的應(yīng)變量的代數(shù)和成正比。

2. 2信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

儀表放大器是精密差動(dòng)電壓放大器，其源于運(yùn) 算放大器,但優(yōu)于運(yùn)算放大器，具有高輸入阻抗、低 噪聲、高共模抑制比、低失調(diào)漂移增益、低線性誤差、 設(shè)置靈活和使用方便等特點(diǎn),使其在傳感器信號(hào)放 大、數(shù)據(jù)采集、精密電子儀器設(shè)備、醫(yī)療儀器等方面 廣泛被采用。本系統(tǒng)采用儀表放大器作為信號(hào) 放大電路。

①電路結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的電子秤儀表放大器結(jié)構(gòu)如圖4所示，電 路有兩級(jí),第一級(jí)由小組成,均采用高阻抗同相 輸入形式且結(jié)構(gòu)對(duì)稱,使得電路的漂移和失調(diào)都有 互相抵消的作用；第二級(jí)由皂組成差動(dòng)放大電路, 也具有很高的極高的輸入阻抗、共模抑制比,與前級(jí) 匹配。電阻R1 = R2、R3 = R4、R5 = R6,調(diào)節(jié)Rp的電 阻值,即可調(diào)節(jié)放大倍數(shù),在火和毛可增設(shè)調(diào)零電 位器VR和VR,,電路差模電壓增益為：Au = R5/R3 (1 +2R!/RP)上式儀表放大器的增益即可由電阻 Ri、R3、R5預(yù)置,也可根據(jù)需要調(diào)節(jié)RP設(shè)置儀表放 大器的增益。

②元件參數(shù)設(shè)計(jì)

集成運(yùn)放應(yīng)選用低噪聲、共模抑制比高、輸入失 調(diào)電流小的運(yùn)放，圖4中小運(yùn)放的特性需一致， 電路采用了 OP-07。電阻、電容的確定，在低噪聲電路中，電阻選用低溫度系數(shù)的電阻精密金屬膜電 阻,以獲得盡可能低的漂移其噪聲指數(shù)可達(dá)到 0. 2^V~1^V。放大器的放大倍數(shù)Au設(shè)定為30 ~ 200 可調(diào)，根據(jù) Au = R5 /R3 (1 +2R1 /辦），選取 R = R2 = 10kH，R3 = R4 = 2kH，R5 = R6 = 20kH，Rp = 10kH 足以滿足Au。

2. 3控制電路及顯示電路

控制器MCU部分采用單片機(jī)AT89S52作為系 統(tǒng)的主控制器，因其外圍電路簡(jiǎn)單,只需要加上晶振 電路和電源就可以工作。AT89S52單片機(jī)的最小系 統(tǒng)由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、外加電源及單片機(jī)構(gòu)成， 其硬件電路如圖5所示。單片機(jī)接口電路A/D轉(zhuǎn) 換器采用AD574, AD574輸入信號(hào)取0V ~5V;數(shù)據(jù) 輸出12位；電源電壓5V。

LCD1602液晶模塊的引腳連線如圖6所示。其 中第1、腳為液晶的驅(qū)動(dòng)電源;第三腳R為液晶的 對(duì)比度調(diào)節(jié),通過(guò)在和GND之間接一個(gè)10K多 圈可調(diào)電阻，中間抽頭接R，可實(shí)現(xiàn)液晶對(duì)比度的 調(diào)節(jié);液晶的控制線RS、R/W、E分別接單片機(jī)的 P0.5、P0. 6、P0. 7;數(shù)據(jù)口接在單片機(jī)的P2 口； BL +、BL -為液晶背光電源。

3.軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編程，編譯環(huán)境為keilUV3。 軟件設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面：一是初始化系統(tǒng);二是按鍵檢測(cè)；三是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理并進(jìn)行顯示。程 序采用模塊化的結(jié)構(gòu)，這樣程序結(jié)構(gòu)清楚，易編程和 易讀性好,也便于調(diào)試和修改。程序結(jié)構(gòu)如圖7所 示，系統(tǒng)程序分為主程序和若干子程序，主程序的功 能是系統(tǒng)初始化，管理和調(diào)用各個(gè)子程序.

4.系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

設(shè)計(jì)的電子稱系統(tǒng)的量程是2kg,測(cè)試的數(shù)據(jù) 如表2所示，由測(cè)量數(shù)據(jù)知系統(tǒng)誤差小于0. 3%,誤 差的來(lái)源有傳感器本身的非線性誤差，稱重傳感器 供電電壓的穩(wěn)定性,A/D轉(zhuǎn)換芯片的精度,溫度漂 移等因素.

5.結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)電子稱重系統(tǒng)具有計(jì)量準(zhǔn)確、體積小、重量 輕、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)。充分利用了 AT89C52單片 機(jī)對(duì)信息的控制能力和計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，采 用的儀表放大器使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和硬件電路更加合 理,而且解決了由放大環(huán)節(jié)帶來(lái)的失調(diào)電壓和溫漂 等問(wèn)題8。經(jīng)過(guò)測(cè)試可知該系統(tǒng)運(yùn)行良好,性能穩(wěn) 定,有一定的實(shí)用價(jià)值.