電子秤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、電子秤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)劉紅張東亮周方楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程分院摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的電子秤存在測(cè)量精度不高、水平低等問(wèn)題，文章結(jié)合單片機(jī)及傳感器 技術(shù)，以鋁型材構(gòu)建框架，通過(guò)電路設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)，制作了一種具有清零、單 價(jià)設(shè)置、超重報(bào)警等功能的智能電子秤，并且進(jìn)行了樣機(jī)裝配和測(cè)試;測(cè)試結(jié)果 表明，該電子秤操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、測(cè)量課差小，精度可以達(dá)到0. 5%,實(shí) 現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);電子秤;傳感器;應(yīng)變片;作者簡(jiǎn)介：劉紅（1970-）,女，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：電氣自動(dòng)化技術(shù)。收稿日期:2017-05-08design and implementa/tion ofelectr

2、onic-scaleliu hong zhang dongliang zhou fangdepartment of electromechanical, yanglingvocational and technical college;abstract：there are some problems in traditiorml electronic scale, such as the measurement accuracy is not hight and lower level, so a kind of intelligent electronic-scale is designed

3、, it uses single-chip microcomputer and sensor technology, building frame based on aluminium materials, it has some functions by circuit design and software design, for example, zero clearing, unit price set, overload alarm and so on. the prototype are assembled and tested. the result show that the

4、electronic scale operation is simple, measuring amount of accuracy is high, measuring error is small, the precision can achieve 0. 5%. the electronic seale achieves the design goals and has some application value.keyword：singlechip; electronic scale; sensor; strain gauge;received： 2017-05-081引言電子稱重技

5、術(shù)是從50年代中期發(fā)展起來(lái)，從60年代初至今，迅速發(fā)展成為一門 新興技術(shù)，其集傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)為一體的綜 合技術(shù)，是現(xiàn)代稱重計(jì)量和控制系統(tǒng)工程的重要技術(shù)基礎(chǔ)也。電子秤和比傳 統(tǒng)的機(jī)械式稱重工具，具有稱量精度高、裝機(jī)體積小、應(yīng)用范圍廣、易于操作使 用等優(yōu)點(diǎn)。目前市場(chǎng)上電子秤產(chǎn)品的整體水平不高，部分產(chǎn)品質(zhì)量差、水平低、 精度不高，不能滿足使用要求。因此針對(duì)傳統(tǒng)的稱重系統(tǒng)存在的問(wèn)題，研究設(shè)計(jì) 一套有實(shí)用價(jià)值的電子秤稱重系統(tǒng)，非常具有現(xiàn)實(shí)意義。2系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)電子秤是利用物體的重力作用來(lái)確定物體質(zhì)量（重量的測(cè)量?jī)x器，由非電量 （質(zhì)量或重量）轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它是把拉壓力

6、變換成電壓的變化或其它 形式的適合于計(jì)量求值信號(hào)的裝置。當(dāng)被稱物體放置在秤體的秤臺(tái)上時(shí)，其重量 便通過(guò)秤體傳遞到稱重傳感器，傳感器隨之壓力變化轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，使物體 的重量轉(zhuǎn)換成與被稱物體重量成一定函數(shù)關(guān)系（一般成正比關(guān)系）的電信號(hào) （電壓或電流等）。此信號(hào)由放大電路進(jìn)行放大、經(jīng)濾波后再由模/數(shù)（a/d）器 進(jìn)行轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號(hào)再送到微處器的cpu處理，cpu不斷掃描鍵盤和輸出開(kāi)關(guān)， 根據(jù)鍵盤輸入內(nèi)容和齊種功能開(kāi)關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行必要的判斷、分析、由儀表的軟件 來(lái)控制各種運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果送到lcd顯示器顯示。一般地信號(hào)的放大、濾波、a/d 轉(zhuǎn)換以及信號(hào)各種運(yùn)算處理都在信號(hào)釆集電路中完成。通常包括承重系統(tǒng)

7、、測(cè)量 顯示裝置等，結(jié)果示意圖如圖1所示。（1）承重系統(tǒng)承重系統(tǒng)是被稱物體與轉(zhuǎn)換原件之間的機(jī)械傳力復(fù)位系統(tǒng)，主要包括物體載荷 的承載器、彈性梁、固定支架等。（2）測(cè)量顯示裝置 測(cè)量裝置包括稱重傳感器、信號(hào)放大電路、ad轉(zhuǎn)換電路、處理器、數(shù)據(jù)顯示電 路、超限報(bào)警電路等。圖1整體結(jié)構(gòu)示意圖下載原圖3系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)3.1稱重裝置設(shè)計(jì)稱重傳感器貼在專門設(shè)計(jì)的彈性元件上，在重量的作用下彈性元件發(fā)生變形， 傳感器隨z變形，這樣就把重量的變化轉(zhuǎn)換為應(yīng)變量的變化。根據(jù)彈性元件結(jié)構(gòu) 形式（柱形、筒形、環(huán)形、梁式、輪輻式）和受載性質(zhì)（拉、壓、彎曲、剪切等） 的不同，它們可分為許多種類。常用的彈性元件為雙孔平行梁結(jié)構(gòu)

8、，可簡(jiǎn)化為平 行四邊形剛架形式3,如圖2所示。圖2稱重裝置下載原圖 4個(gè)傳感器分別粘貼在圖1的圓孔壁最薄處，然后運(yùn)用力法和正則方程求解，最 后電橋輸出總應(yīng)變：式中，e為材料彈性模量，b為彈性梁寬度，h為水平梁寬度，p為重力，a為兩 圓孔中心距。3. 2電路設(shè)計(jì) （1）稱重傳感器稱重傳感器是電子秤設(shè)計(jì)屮一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，包括電容式、壓電式、電阻式 等。其中電阻應(yīng)變式傳感器具有穩(wěn)定性好、精度和靈敏度較高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等 特點(diǎn)，在稱重測(cè)量中使用較為廣泛，本設(shè)計(jì)中采用bf1k-3aa型電阻式應(yīng)變片作 為稱重傳感器，其電阻值（r）為1002±0. 1,靈敏系數(shù)為2.0±1%,基底尺

9、寸 為7. 3m. 1mm,絲柵尺寸為3*3. 1mm,室溫應(yīng)變極限為20000um/m,室溫絕緣電 阻為 10000 mq。電阻式應(yīng)變片在受力過(guò)程中，電阻的變化很小，不利于直接觀察和測(cè)量，實(shí)際 應(yīng)用中通常采用惠斯通電橋?qū)?yīng)變片微小的電阻變化轉(zhuǎn)化為容易測(cè)量的電壓變 化4-9,電路如圖3所示。圖3電橋電路下載原圖橋式電路接入四個(gè)應(yīng)變片電阻rl、r2、r3、r4,從為激勵(lì)電壓，u。為輸岀電壓。 在電阻沒(méi)有發(fā)生形變時(shí)，電橋的輸出電壓為：由于橋臂的起始電阻全等，即r1二r2二r3二r4二r,所以v=0。當(dāng)應(yīng)變片的電阻r1、r2、r3、r4變成r+ark r+ar2. r+ar3. r+ar4時(shí)，電橋的

10、輸出電壓變?yōu)?如果四個(gè)橋臂應(yīng)變片的靈皺系數(shù)相同，并且4個(gè)應(yīng)變片都是測(cè)量片，rl、r3與 r2、r4 應(yīng)變相反，則 rl、r2、r3、r4 變成 r+ark r-ar2 r+ar3. r-ar4,可 以化簡(jiǎn)為：(2) 信號(hào)放大電路橋式電路輸出信號(hào)非常微弱，實(shí)際測(cè)量中電源電壓5v時(shí)，lg的壓力輸岀的電壓 不超過(guò)0.05nw,本設(shè)計(jì)采用1na128及op07組成二級(jí)信號(hào)放大電路，電路如圖4 所示。一級(jí)放大電路中tna128芯片是低功耗高精度的通用儀表放大器，單個(gè)外部電阻 可實(shí)現(xiàn)從1至10000的任一增益。本設(shè)計(jì)中引腳1、8間的為阻值可調(diào)的電阻 其放大倍數(shù)為：圖4信號(hào)放大電路下載原圖二級(jí)放大電路中0p

11、07芯片是一種低噪聲、雙極性的運(yùn)算放大器集成電路，其外 加簡(jiǎn)單電路即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大，放大倍數(shù)為：(3) 測(cè)量及顯示電路測(cè)量及顯示電路以單片機(jī)為核心，接收信號(hào)放大電路輸出信號(hào)，進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換 后，進(jìn)行處理和顯示，包括ad轉(zhuǎn)換模塊pcf8591.參數(shù)設(shè)置模塊矩陣鍵盤、顯 示模塊12864液晶、超重報(bào)警模塊等，電路框圖如圖5所示。圖5測(cè)量及顯示電路框圖下載原圖3. 3軟件設(shè)計(jì)圖6系統(tǒng)主程序流程圖 下載原圖軟件主要包括系統(tǒng)初始化、二是按鍵檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及顯示等幾個(gè)部 分。這兒個(gè)部分采用模塊化設(shè)計(jì)，在主程序中調(diào)用。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始 化操作，包括lcd初始化、單片機(jī)初始化、ad模塊的初始

12、化等，然后通過(guò)傳感 器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，單片機(jī)經(jīng)過(guò)處理后顯示在液晶模塊上，若有檢測(cè)到按鍵信號(hào)， 則進(jìn)行調(diào)用相應(yīng)的清零、去皮、超重設(shè)置等子程序。主程序流程圖如圖6所示。4測(cè)試與分析稱重裝置骨架采用工業(yè)鋁合金型材參數(shù)2020,鐵質(zhì)承重梁經(jīng)過(guò)機(jī)加工后作為彈 性梁;在電路設(shè)計(jì)制作完畢后，開(kāi)始電路板的裝配，遵循先小后大、先低后高的 原則進(jìn)行焊接和裝配，單片機(jī)采用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式，晶振對(duì)電容有一定干擾, 裝調(diào)時(shí)應(yīng)與電容相隔一段距離。最后將電路板裝配到稱重裝置上，樣機(jī)如圖7 所示。圖7智能電子秤樣機(jī)下載原圖 準(zhǔn)備10個(gè)20g祛碼，測(cè)試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如表1所示。 對(duì)表格數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在0-200g測(cè)量范圍內(nèi)，最大絕對(duì)

13、誤差為lg,最小絕對(duì)誤 差為tg,精度可以達(dá)到0. 5%,達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。5結(jié)束語(yǔ)本文介紹了一種基于單片機(jī)的智能電子秤，通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì), 制作并且裝配了樣機(jī)具有數(shù)據(jù)顯示、清零、去皮、超重報(bào)警、單價(jià)設(shè)置、總價(jià)計(jì) 算等功能。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，該電子秤性能良好、穩(wěn)定性高、測(cè)量誤差小，完全達(dá) 到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)1 楊成慧，王書志，楊偉新一種數(shù)字式電子秤的研究與設(shè)計(jì)j西北民族大 學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012, 33 (3) : 22-27.2 郭志勇基于ads1100的高精度電子秤設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)j安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010, 27 (4) : 385-3923 查明華，陳曉勤，張如一電子秤中平行梁彈性元件的性能分析j力學(xué)與 實(shí)踐，1997, 19 (3) : 27-30.4 張文莉，吳欽木.基于stm32的無(wú)線多秤盤高精度電子秤j機(jī)械與電子， 2016, 34 (7) : 50-52.5 姬忠勇基于單片機(jī)的電子秤的方案設(shè)計(jì)j科技信