基于電阻應(yīng)變片式傳感器的電子地磅設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電子地磅系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括硬件電路設(shè)計(jì)，軟件編程調(diào)試，實(shí)物稱(chēng)重三部分。硬件電路部分是以單片機(jī) STC89C52ＲC 為核心控制單元，實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的處理。數(shù)據(jù)采集部分選用壓力傳感器，采用 24 位 AD 轉(zhuǎn)換芯片 HX711 對(duì)傳感器采集到的模擬量進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)放大后送到單片機(jī)進(jìn)行處理，由 LCD12864 液晶顯示數(shù)據(jù)，軟件部分采用 keil 編程實(shí)現(xiàn)。稱(chēng)重測(cè)量結(jié)果顯示: 稱(chēng)重范圍 5．00 ～ 500 g，重量小于 50 g 時(shí)，稱(chēng)重誤差小于 0．5 g; 重量在 50 g 及以上，稱(chēng)重誤差不大于 1 g。此電子地磅具有快速方便、數(shù)字顯示、自動(dòng)計(jì)價(jià)去皮，金額自動(dòng)累加等優(yōu)點(diǎn)。

0引言

電子地磅是通過(guò)將被測(cè)物體作用其上來(lái)確定該物體質(zhì)重的計(jì)量器具。在衡器的發(fā)展演變過(guò)程中,曾經(jīng)先后出現(xiàn)了6種類(lèi)型的衡器設(shè)計(jì),分別是:架盤(pán)天平、不等臂平臺(tái)秤、吊車(chē)秤、傾斜象限桿秤、彈簧秤和自動(dòng)秤。時(shí)下,隨著現(xiàn)代科技的重要飛躍與高速進(jìn)步,衡器也開(kāi)始轉(zhuǎn)入了便利化、數(shù)字化、智能化的發(fā)展方向。

基于此,本次研究即采用了電阻式應(yīng)變片傳感器作為信號(hào)采集單元、STC89C52RC單片機(jī)為控制核心,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一款重量輕、計(jì)量準(zhǔn)確、讀數(shù)直觀、價(jià)格低廉的便攜式智能電子秤系統(tǒng),適于樣品稱(chēng)重、廚房配料,中藥藥鋪稱(chēng)重等多種場(chǎng)合。

1研究設(shè)計(jì)方案

1.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)成本較低,以電阻應(yīng)變片為稱(chēng)重傳感器的簡(jiǎn)易電子地磅。

1)電子地磅可以數(shù)字顯示被稱(chēng)物體的重量,單位克(g);2)電子地磅稱(chēng)重范圍5.00~500 g;重量小于50 g,稱(chēng)重誤差小于0.5 g;重量在50 g及以上,稱(chēng)重誤差小于1 g;3)電子地磅可以設(shè)置單價(jià)(元/克),可計(jì)算物品金額并實(shí)現(xiàn)金額累加;4)電子地磅具有去皮功能,去皮范圍不超過(guò)100 g。

1.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本次研發(fā)系統(tǒng)主要由控制、測(cè)量、放大轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示、鍵盤(pán)和電源等部分集結(jié)構(gòu)成。在此，給出研究設(shè)計(jì)的整體架構(gòu)如圖1所示。

1．3 電子地磅的工作設(shè)計(jì)原理

當(dāng)被測(cè)物體放置到稱(chēng)重平臺(tái)上時(shí)，電阻應(yīng)變片傳感器將隨稱(chēng)重懸臂一起發(fā)生形變，傳感器的力效應(yīng)則轉(zhuǎn)化成電效應(yīng)，也就是物體的重量將轉(zhuǎn)換為與被測(cè)物體重量成一定線性函數(shù)關(guān)系的模擬電信號(hào)，只是這個(gè)時(shí)候該信號(hào)還屬微弱級(jí)別，因而需將其進(jìn)行放大、濾波后，再經(jīng)由 A / D 轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后送入 CPU 將實(shí)現(xiàn)定制處理。具體地，CPU 將對(duì)鍵盤(pán)和各種功能開(kāi)關(guān)提供實(shí)時(shí)掃描，并根據(jù)鍵盤(pán)輸入內(nèi)容和各種功能開(kāi)關(guān)的狀態(tài)做出判斷、分析，同時(shí)由軟件程序來(lái)控制各種運(yùn)算，最后將運(yùn)算結(jié)果顯示在液晶屏上。

2.硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)是電子地磅的重點(diǎn)與關(guān)鍵。研究得到的功能原理設(shè)計(jì)則如圖 2 所示。下面，將針對(duì)此次研發(fā)中的具體應(yīng)用實(shí)現(xiàn)給出如下闡釋與論述。

2．1 電阻應(yīng)變片傳感器

電阻應(yīng)變片式傳感器的基本構(gòu)成通?？煞譃?/span> 2 部分: 彈性敏感元件和應(yīng)變計(jì)。彈性敏感元件在被測(cè)物理量的作用下，將產(chǎn)生一個(gè)與其成正比的應(yīng)變，然后用應(yīng)變計(jì)作為轉(zhuǎn)換元件將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化。該傳感器的工作原理可如圖3 所示。

用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，將其粘貼在彈性體上。當(dāng)彈性體受力變形時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵也隨之變形，其阻值發(fā)生相應(yīng)的變化 再通過(guò)一定電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化 。由圖 3 可知，本次研究采用了惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，輸出信號(hào)電壓即可由式( 1) 運(yùn)算得到:

本次研究得到的電阻應(yīng)變片式傳感器具有如下強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)特點(diǎn): 使用方便，應(yīng)用和測(cè)量范圍廣，精度較高，結(jié)構(gòu)小巧，頻率響應(yīng)好，對(duì)試件影響輕微，對(duì)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在高溫、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)等特殊環(huán)境中使用，因而利于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動(dòng)化測(cè)量。

2．2 A / D 轉(zhuǎn)換器

研究可知，A / D 轉(zhuǎn)換部分對(duì)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的成功運(yùn)作具有重要意義。HX711 芯片即是一種專(zhuān)為高精度電子秤而設(shè)計(jì)發(fā)布的 24 位 A / D 轉(zhuǎn)換器芯片 ，與同類(lèi)型其它芯片相比，該芯片的選用不僅降低了電子秤的整體成本，更重要的則是提高了整機(jī)的性能和可靠性。該芯片與后端 MCU 芯片的接口和編程非常簡(jiǎn)單，所有控制信號(hào)均由管腳驅(qū)動(dòng)，無(wú)需對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器來(lái)拓展配置編程 。輸入選擇開(kāi)關(guān)可任意選取通道 A 或通道 B，與其內(nèi)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(duì)應(yīng)的滿額度差分輸入信號(hào)幅值分別為 ± 20mV 或 ± 40mV。通道 B 則為固定的 32 增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的 A / D 轉(zhuǎn)換器提供電源，系統(tǒng)板上無(wú)需添加另外的模擬電源。芯片內(nèi)的時(shí)鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動(dòng)復(fù)位功能簡(jiǎn)化了開(kāi)機(jī)的初始化過(guò)程 。

考慮到本系統(tǒng)中對(duì)物體重量的測(cè)量和場(chǎng)合使用的精度要求，以及對(duì)轉(zhuǎn)換速率也呈現(xiàn)出明確快捷要求，本次設(shè)計(jì)采用了 24位的 A / D 轉(zhuǎn)換器 HX7411。A / D 轉(zhuǎn)換電路圖如圖 4所示。

2．3 鍵盤(pán)處理電路

由于此時(shí)，輸出信號(hào)電壓即可由式( 1) ［7］運(yùn)算得到:需要設(shè)置單價(jià) ( 10 個(gè)數(shù)字鍵) ，還具有確認(rèn)、刪除、去皮、計(jì)價(jià)等功能，總共需設(shè)置 17 個(gè)鍵( 包括一個(gè)復(fù)位鍵) 。鍵盤(pán)的擴(kuò)展方案采用了矩陣式鍵盤(pán)。矩陣式鍵盤(pán)的特點(diǎn)是把檢測(cè)線分成 2 組，一組行線，一組列線，按鍵將部署在行線和列線的交叉點(diǎn)上。當(dāng)鍵盤(pán)的數(shù)量大于 8 時(shí)，一般都采用矩陣式鍵盤(pán)。結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，16 個(gè)按鍵使用 4×4 矩陣式鍵盤(pán)，另外一個(gè)復(fù)位鍵將使用獨(dú)立式按鍵設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

2．4 報(bào)警電路

當(dāng)被測(cè)物體重量超過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所允許的限值時(shí)，研究中利用控制程序使單片機(jī)的 I / O 口轉(zhuǎn)為高電平，此時(shí)三級(jí)管導(dǎo)通，蜂鳴器即會(huì)發(fā)出警報(bào)聲，同時(shí)報(bào)警燈閃爍。

綜上可得，本次研發(fā)中設(shè)計(jì)構(gòu)建的系統(tǒng)實(shí)物呈現(xiàn)如圖 5所示。

3.程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)研究中，軟件部分依據(jù)功能應(yīng)用可劃定為 6 個(gè)模塊，分別是主程序模塊、A / D 轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤(pán)掃描控制模塊、顯示模塊和報(bào)警模塊 。主程序流程圖給出了系統(tǒng)工作的基本過(guò)程，描述了信號(hào)的基本流向，從而可全面發(fā)揮控制導(dǎo)引作用。主程序流程如圖 6 所示。

4.實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4．1 測(cè)量調(diào)試

研究得到通，蜂鳴器即會(huì)發(fā)出警報(bào)聲，同時(shí)報(bào)警燈閃爍的稱(chēng)重精度主要由傳感器決定，而不同的傳感器所配設(shè)的精度特性曲線也各不一樣，因此，每一個(gè)傳感器的參數(shù)在程序中均需要進(jìn)行適當(dāng)校正。當(dāng)發(fā)現(xiàn)測(cè)試出來(lái)的重量偏大時(shí)，增加該數(shù)值; 如果測(cè)試出來(lái)的重量偏小時(shí)，減小該數(shù)值; 此數(shù)值一般在 2．15 附近之間調(diào)整?？偟貋?lái)說(shuō)，該參數(shù)因傳感器不同而有針對(duì)性地生成調(diào)整限定。電子地磅的精度調(diào)節(jié)需要用砝碼展開(kāi)反復(fù)的統(tǒng)計(jì)測(cè)量。在測(cè)量調(diào)試過(guò)程中，研究采用分段的方法，即將量程區(qū)間分為 3段，分別為: 5．00 ～ 50．00 g，50．00 ～ 200．00 g，200．00 ～ 500．00 g。

再根據(jù)各個(gè)階段的誤差值在程序中進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的調(diào)試校準(zhǔn)修正。

修正測(cè)量結(jié)果如圖 7 所示，插入圖為砝碼值較小時(shí)的放大圖。從測(cè)試修正四曲線可以看出，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量校正后的曲線滿足線性且接近真實(shí)值，說(shuō)明系統(tǒng)最優(yōu)，達(dá)到測(cè)試要求。

4．2 測(cè)試結(jié)果與誤差分析

4．2．1 測(cè)試結(jié)果( 數(shù)據(jù))

取 3 次測(cè)量結(jié)果平均值作為經(jīng)過(guò)精度校準(zhǔn)后的測(cè)試數(shù)據(jù)，具體如表 1 所示。

由表 1 數(shù)據(jù)可以看出，重量小于 50 g 時(shí)，稱(chēng)重誤差小于0．5 g; 重量在 50 g 及以上，稱(chēng)重誤差小于 1 g，且可設(shè)置電子秤每 0．5 s 自動(dòng)稱(chēng)重，累積 3 次取平均值刷新顯示，這樣測(cè)量誤差可控制在表 1 所列范圍，稱(chēng)重速度較快，而且精度較高。

4．2．2 誤差分析及改進(jìn)

懸臂的材質(zhì)，貼電阻感應(yīng)片處的厚度，感應(yīng)片的質(zhì)量及粘貼時(shí)對(duì)氣泡的處理，稱(chēng)重溫度等都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的作用和影響。為此，可設(shè)計(jì)提出如下改良方案:

1) 考慮電子電路的設(shè)計(jì)中對(duì)各種影響因素的處理，比如對(duì)電壓過(guò)大情況采取有效防范措施;

2) 粘貼電阻應(yīng)變片時(shí)，要按規(guī)范步驟有序設(shè)置操作，防止其與懸臂貼合時(shí)沾染灰塵產(chǎn)生氣泡;

3) 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)盡量?jī)?yōu)化。通過(guò)程序的算法及參數(shù)的選取來(lái)改善系統(tǒng)硬件部分對(duì)電子秤精度的影響;

4) 了解各種實(shí)用芯片性能和價(jià)格，選用質(zhì)量?jī)?yōu)等的電子元器件，尤其是要高度重視電阻應(yīng)變片的款型選擇

5.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)稱(chēng)重傳感器信號(hào)處理電路的分析和實(shí)測(cè)，可以總結(jié)出，此電子秤的精度調(diào)節(jié)需要用砝碼展開(kāi)反復(fù)的統(tǒng)計(jì)測(cè)量。在整體上具備了線路完善、轉(zhuǎn)換精度高、調(diào)試步驟簡(jiǎn)單、而且功耗低、以及無(wú)溫漂等眾多特點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求。

另外，隨著對(duì)生活質(zhì)量的高優(yōu)追求，電子秤的精度調(diào)節(jié)需要用砝碼展開(kāi)反復(fù)的統(tǒng)計(jì)測(cè)量。在還可以擴(kuò)展外延更多電路，如日歷時(shí)鐘電路、通訊接口電路等。日歷時(shí)鐘電路則可顯示購(gòu)貨日期，通訊接口電路則可與上位機(jī)( PC 機(jī)) 進(jìn)行通訊，從而將大量的商品數(shù)據(jù)存于上位機(jī)，然后通過(guò)串口或并口通訊與電子稱(chēng)相連，達(dá)到遠(yuǎn)距離操控的滿意效果目的。