本文針對戶外電子秤精度不夠高以及需外帶電源提供電力支持的問題，提出了一種高精度微型太陽能電子稱的設(shè)計，使得傳統(tǒng)意義上的電 子秤有了更大改善，便于人們生活當(dāng)中的使用。結(jié)果表明，微型太陽能電子稱可以精確的稱量物體重量，太陽能電池板充放電效率也非常好。

1.引言

1.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)今社會，無論是在企業(yè)、醫(yī)院交易市場、交易市場，還是小到每個家 庭，電子秤可以說是隨處可見。它不僅擁有很多種類，而且擁有巨大的市場 占有量。從日常生活中的簡單的測量重量到工廠里產(chǎn)品的重量的檢測，電 子秤在越來越多的方面得到應(yīng)用。隨著市場需求的不斷變化以及測重技術(shù) 的飛躍發(fā)展，電子秤的技術(shù)性能趨向于高可靠性、高效率、高精確度。總的 來說，電子秤技術(shù)正越來越模塊化、集成化以及智能化。

1.2國外研究現(xiàn)狀

國際社會上，很多西方發(fā)達(dá)國家研制出的電子秤準(zhǔn)確度高，可靠性高， 具有較高準(zhǔn)確度、防水、耐腐蝕以及在高氣壓下正常工作的電子秤。目前， 我國己經(jīng)成功研制出了省電、功耗小以及能夠利用光能的電子秤，不僅精 度高，而且節(jié)能環(huán)保。

2.總體設(shè)計

2.1工作原理闡述

根據(jù)設(shè)計要求，首先要將物體重量這個非電量轉(zhuǎn)化為電量，因此需要傳 感器模塊，傳感器輸出的的電量與物體的重量有一定的對應(yīng)關(guān)系;但是只依 靠這一關(guān)系推算出的重量不精確，而且不直觀，所以需要對傳感器輸出的數(shù) 據(jù)進(jìn)行處理;信號的處理一般選用單片機(jī)來進(jìn)行，但是單片機(jī)輸入的是數(shù)字 信號，而傳感器的輸出是模擬信號，因此在此之前還要對信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn) 換，再輸入單片機(jī)進(jìn)行處理;單片機(jī)輸出的信號可以采用數(shù)碼管顯示，或者 是LCD顯示，這樣得到的結(jié)果不僅準(zhǔn)確性得到提高，而且比較直觀，給用戶 更好的體驗(yàn)。除了以上功能模塊，本設(shè)計還加入了報警模塊。太陽能電池方 面可以為微型電子稱提供源源不斷的電源，無需備用電池及其它供電設(shè)備。

2.2傳感器的選擇

數(shù)據(jù)采集模塊電路的作用是將物體的重量這個非電量，轉(zhuǎn)換為電壓或 者電流這些電量形式，以便后續(xù)的處理、輸出，因此需要用到壓力傳感器。

方案一采用壓電式壓力傳感器晶體的正壓電效應(yīng)是壓電式壓力傳感 器的主要工作原理。正壓電效應(yīng)是指當(dāng)改變外力的大小時，晶體內(nèi)部的電 極性發(fā)生改變，所帶的電荷量也發(fā)生改變。因此，可以通過測得改變的電荷 量的大小，來得到施加的外力的大小。

市場上的壓電式傳感器種類很多，它們都有體積小，動態(tài)性好等優(yōu)點(diǎn)。 但是該傳感器的弱點(diǎn)也比較明顯：內(nèi)阻較大、功率偏小，防噪聲性能不是很 突出，輸出特性被嚴(yán)重影響，因此由它輸出的能量比較薄弱，需要設(shè)計復(fù)雜 的外接電路進(jìn)行矯正。

方案二采用電阻式壓力傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器能夠?qū)⒏鞣N力學(xué)物理量轉(zhuǎn)換為電信號，主要是利用 電阻應(yīng)變效應(yīng)制成的。電阻式壓力傳感器以電阻應(yīng)變片為主要部件，這種 電阻應(yīng)變片不僅可以單獨(dú)用來充當(dāng)傳感器，而且能作為敏感元件構(gòu)成力學(xué) 量傳感器。電阻式壓力傳感器是一款常用的傳感器，擁有很多的優(yōu)點(diǎn)。使用 比較靈敏，測量精度高，穩(wěn)定性較好，分辨力高;應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛，許多機(jī) 械量傳感器都可以使用應(yīng)變片制作而成;體積小，結(jié)構(gòu)簡單;操作簡單方 便，用戶體驗(yàn)較好，便于遠(yuǎn)距離測量和商品化發(fā)展;對環(huán)境要求不高，可以 在惡劣情況下正常工作，適應(yīng)能力出色，在頻率響應(yīng)方面性能優(yōu)越。

綜合對比分析以上三種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，再考慮到本次設(shè)計的要求為 稱重范圍0?5Kg，誤差不大于2g。因此，為了提高設(shè)計準(zhǔn)確性、精確度以及 可靠性，本次設(shè)計選用的是第三種方案，即采用電阻式壓力傳感器。

2.3放大電路的選擇與A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

方案一信號放大器采用AD620,A/D轉(zhuǎn)換器芯片采用ADC0832

信號處理的兩個部分可以分別由兩個模塊單獨(dú)來完成。

信號放大部分一般可以使用AD620。AD620是通過外接電阻來達(dá)到放 大的效果，增益范圍可調(diào)，且精度高，成本低。模/數(shù)轉(zhuǎn)換部分可采用較為常用 的ADC0832。ADC0832是一款雙通道，8位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，采用的是逐 次逼近式的轉(zhuǎn)換方法。它的兼容性高，體積小，因此經(jīng)常被大家使用。將這兩個模塊連接形成電路，可以完成設(shè)計的指標(biāo)，但是由于需要電路間的連接，所 以會產(chǎn)生一些不可避免的誤差和干擾，因此不是特別完美。而且ADC0832的 精度不算太高，對于需要高精度的電子秤來說，不是最好的選擇。

方案二采用集成的高精度A/D轉(zhuǎn)換器HX711

HX711內(nèi)部不僅集成了信號放大模塊，而且包含了一款高精度的24位 A/D轉(zhuǎn)換器。不僅如此，HX711內(nèi)部還集成了完成放大和轉(zhuǎn)換功能所需要 一些外圍電路，比如穩(wěn)壓電源，時鐘振蕩器等。它的優(yōu)點(diǎn)是精確度高，成本 低，抗干擾能力強(qiáng)卓越且響應(yīng)迅速。此外，HX711與單片機(jī)之間主要是通過 管腳來驅(qū)動的，接口電路簡單，不需要對芯片內(nèi)的寄存器進(jìn)行編程。

對比分析以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)第二種方案更有優(yōu)勢，所 以選擇使用HX711作為信號處理模塊的主要芯片。這樣不僅能夠節(jié)省成 本，而且可以大大的提高設(shè)計的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計

3.1相關(guān)計算

（1）太陽能電池板面積驗(yàn)證

太陽能電池的最大功率為Pomp =A(m2)*1000(W/m2)*Elf。式中:A為 電池面積，Elf為轉(zhuǎn)換效率。

若最大功率取0.03W，轉(zhuǎn)換效率取值10%，則最大所需面積為200cm2。 在日照充足情況下，太陽能電池系統(tǒng)的電池板面積有足夠的空間進(jìn)行設(shè)計， 滿足直接給微型太陽能電子稱供電的同時仍然能夠給蓄電池進(jìn)行充電。

（2）蓄電池容量

若采用3V蓄電池系統(tǒng)，計算電流(非工作電流)為0.03W/3=0.1A。蓄電 池容量需求= 0.1Ax 12hx 2天= 2.4AH，12h為連續(xù)工作時間，2天為最大運(yùn) 輸時間。另外為了防止蓄電池過充和過放，蓄電池一般充電到90%左右;放 電余留5%—20%左右。根據(jù)負(fù)載的不同，測出實(shí)際的損耗，實(shí)際的工作電 流受恒流源、鎮(zhèn)流器、線損等影響，預(yù)留20%-25%。因此，電池板的輸出功率 約為0.03W。

4.實(shí)驗(yàn)設(shè)計及驗(yàn)證

4.1材料清單

4.2制作注意要點(diǎn)

硬件電路部分涉及到電路設(shè)計的方方面面，不僅要考慮每個模塊內(nèi)部 的電路如何搭建，器件如何選擇，還要考慮到各模塊之間的連接關(guān)系，選擇 最優(yōu)的布線方式。只有將各個方面都考慮周全，電子秤的精度和可靠性才 能夠得到保證。

4.3實(shí)驗(yàn)測試

微型太陽能電子稱稱重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖表1

通過上述實(shí)驗(yàn)可知，該微型太陽能電子稱靈敏度較高，太陽能充放電 效率較好，適合在戶外等發(fā)雜環(huán)境適用。

5.總結(jié)

針對戶外電子秤精度不夠高以及需外帶電源提供電力支持的問題，提 出了一種高精度微型太陽能電子稱的設(shè)計。根據(jù)太陽能電池充放電原理， 為電子稱進(jìn)行給電。最后，通過對微型太陽能電子稱的稱重和太陽能電池 充放點(diǎn)的效率進(jìn)行試驗(yàn)證明了該方式的有效性。后續(xù)，將對系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行 優(yōu)化。