針對電子秤懸臂梁材質、稱重方式及功能單一的問題，提出了單片機為控制器，利用鋼質懸臂梁上粘貼電阻 應變片作為稱重傳感器，結合矩陣鍵盤電路、LCD顯示電路、A/D轉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成稱重傳感器，利用傳感器的形變 將質量轉換為可測量的電信號。其懸臂梁組成材質主要為 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轉換器ADS1256將電壓信號轉 換為數(shù)字信號經單片機處理后顯示，具體結構如圖1所示。

2.2方案2

采用國產STC系列單片機，結合主要用于 高精度稱重傳感器而設計的支持差分輸人的24位A/D轉 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,具體結構如圖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，所以產生的電阻 變化也是極其微小的。例如計算1000*1O-6的應變產 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。可同時實現(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 到聲音的轉化。

HX711是一款專為高精度稱重傳感器而設計的24位 A/D轉換器芯片。該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內時鐘 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動，無需 對芯片內部的寄存器編程。輸入選擇開關可任意選取通道 A或通道B，與其內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，主要調用顯示子程序、鍵盤子 程序、A/D轉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零。調零原 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，具體 調零電路如圖6所示。

軟件調零實質是記憶“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，具體測量結果如表1所示。

6.系統(tǒng)調試及存在問題分析

6.1電橋結構材料的選擇

設計中如果電橋結構受力后產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 果不穩(wěn)定；由于電源電壓波動對測量系統(tǒng)中的A/D轉換器

7.結 論

本文通過對設計方案的對比，以鋼制懸臂梁為模型， 經過理論分析與計算、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構材料的選擇、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。