对一款新型高精度电子计重仪的研究

陈德谦，王志坤

(德州学院，山东 德州 253023)

电子秤是日常生活中常用的电子衡器，广泛应用于超市、大中型商场、物流配送中心。电子秤相比传统的机械式称量工具，电子秤具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点，在外形布局、工作原理、结构和材料上都是全新的计量衡器。

1 系统方案

1.1 制作前景

目前市场上使用的称量工具，存在结构复杂，或者运行不可靠、且成本高、精度稳定性不好、调整时间长、易损坏、维修困难、装机容量大、能源消耗大、生产成本高等缺点。而且目前市场上电子秤 产品的整体水平不高，部分小型企业产品质量差且技术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，我们有针对性地开发出一套有实用价值的电子秤系统。从技术上克服上述诸多缺点，改善电子秤系统在应用中的不足之处，具有现实意义。

1.2 作品组成及功能

简单地说，系统由数据采集模块、最小系统模块、按键控制模块和显示模块组成。数据采集模块包括称重传感器和采集数据的以AD0832 为中心的A/D 转换电路，最小系统模块由89C51 单片机及其外围电路组成，按键由复位按键，和清零按键来重置测量时的值，显示部分采用数码管显示当前物品的重量信息。

1.2.1 称重传感器

称重传感器的含义是:一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。在测量过程中，把重物放在称重传感器上，其表面弹性体会发生塑性变形。安装在弹性体上的金属电阻应变片将应变转换为电子信号。利用金属电阻应变片受应变而变化的效应［2］。

金属电阻可阻碍电流流动，其阻值根据金属的种类而变化。一般情况下，同一种金属丝，越是细长，其电阻值就越大。当金属电阻丝受到外力作用而形变时，其电阻值就会在某一范围内增减。因此，将很细或很薄的金属丝完善的紧贴在被测物体上，那么，当被测物体受外力作用而伸缩时，金属电阻丝也会按一定比例伸缩，其阻值也会相应变化［2］。称重传感器就是利用了此原理。电路图如图1 所示。

图1 称重传感器

1.2.2 单片机控制模块

单片机控制模块具有体积小、功耗低、控制功能强、适应环境能力强和使用方便等优点，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统［1］。系统结构十分简单，使用方便，可以实现模块化。

我们所选的单片机控制模块具有可靠性高，可工作到上百万小时无故障;低电压，低功耗，控制和处理功能强，速度快，适应环境能力强等特点。通过编写不同的程序，实现单片机控制模块对整个作品功能实现的控制。

1.2.3 AD 转换模块

A/D 转换器是模拟系统和数字系统之间的接口电路，在进行转换期间，转换器中输入的模拟信号在时间上是连续的，而输出的数字信号是离散的［4］。所以进行转换时，在一系列选定的瞬间，对其输入的模拟信号进行采样，然后再把这些样值转化为数字量输出。

一般来说，转换过程包括取样、保持、量化和编码四个阶段。

1)取样是将时间上连续变化的模拟信号转换为幅度上等于采样时间内模拟信号大小，时间上离散的数字信号。

2)AD 把采样信号转换成数字信号需要一定的时间，所以在每次采样结束后，为方便进行转换需要将这个断续的脉冲信号保持一段时间。

3)输入的模拟信号经采样，得到的是连续的阶梯型模拟信号，仍不是数字信号。必须进一步将阶梯型模拟信号的幅度等分成每级都规定基准电平值的N 个级，阶梯电平可归并到最邻近的基准电平上。

4)用二进制法来表示各个量化电平，脉冲样值此时都已转换成与其幅度成正比的数字量，最终完成了模拟量到数字值的转换。

1.2.4 数码管显示模块

数码显示模块是一个占用IO 资源多、程序设计复杂的模块。我们的作品采用8 位数码管动态显示，精度更加准确。显示测量物品的实时质量。

数码管显示器的8 个笔划段a-hp 同名端连在一起，而每一位数码管显示器的公共端各自独立地受三极管控制。CPU 向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，数码管的公共端决定哪个显示器亮。由74LS164 控制，只要控制164 的输出数据就可以决定何时显示哪一位了［3］。我们采用分时的方法，轮流控制各个显示器的公共端，使各个显示器轮流点亮。这就是动态扫描。

虽然轮流点亮扫描每位显示器的点亮时间是极为短暂的，但扫描的速度非常快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。电阻阻值越小，发光二极管越亮［3］。该电子秤其称重范围为0～5 000 g，最小量程是0.1 g。电路图如图2 所示。

图2 数码管显示模块电路图

1.2.5 交流稳压电源

交流稳压器能为负载提供稳定交流电源。当计算机技术应用到各个领域后，许多电子设备都需要有比较稳定的交流电源供电。我们的作品采用铁磁谐振式交流稳压器:利用饱和扼流圈与相应的电容器组合，具有恒压伏安特性而制成的交流稳压装置。近年发展起来的稳压变压器，也是借助电磁元件的非线性实现稳压功能的电源装置。最终保持整个系统工作在稳定的状态。铁磁谐振式交流稳压器具有结构简单，制造方便，工作可靠，输入电压允许变化范围宽，过载能力较强等优点［2，3］。

2 功能介绍

当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器。传感器随之产生力—电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成正比关系)的电信号(电压或电流等)。

通常此电压信号很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经过滤波电路和A/D 转换电路转换成数字信号被送入到主控电路的单片机中。单片机不断扫描键盘和各种功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。运算结果送到内存储器，需要显示时，单片机发出指令，从内存储器中读出送到显示器显示。

图3 实物图片

3 应用前景

由于本作品制作简单，体积小，重量轻，使用方法简单，读数准确智能，人机交互性强，非常适合简单实用。

该作品设计为小量程0～5 000 g，最小量程是0.1 g，称量器件可以广泛应用于要求精密的场合，像实验室计量固定质量的材料或试剂等，完全可以满足一般实验室和研究所的测量要求。

［1］马忠梅.单片机的C 语言应用程序［M］.北京：北京航空航天出版社，2005.

［2］童诗白，华成英.模拟电子技术基础［M］.第4 版.北京：高等教育出版社，2007.

［3］吴麟.自动控制原理［M］.北京：清华大学出版社，2003.

［4］赵家贵.电子电路设计［M］.北京：中国计量出版社，2009.