對一款新型高精度電子計重儀的研究

陳德謙，王志坤

(德州學(xué)院，山東 德州 253023)

電子秤是日常生活中常用的電子衡器，廣泛應(yīng)用于超市、大中型商場、物流配送中心。電子秤相比傳統(tǒng)的機械式稱量工具，電子秤具有稱量精度高、裝機體積小、應(yīng)用范圍廣、易于操作使用等優(yōu)點，在外形布局、工作原理、結(jié)構(gòu)和材料上都是全新的計量衡器。

1 系統(tǒng)方案

1.1 制作前景

目前市場上使用的稱量工具，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，或者運行不可靠、且成本高、精度穩(wěn)定性不好、調(diào)整時間長、易損壞、維修困難、裝機容量大、能源消耗大、生產(chǎn)成本高等缺點。而且目前市場上電子秤 產(chǎn)品的整體水平不高，部分小型企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量差且技術(shù)力量薄弱，設(shè)備不全，缺乏產(chǎn)品的開發(fā)能力，產(chǎn)品質(zhì)量在低水平徘徊。因此，我們有針對性地開發(fā)出一套有實用價值的電子秤系統(tǒng)。從技術(shù)上克服上述諸多缺點，改善電子秤系統(tǒng)在應(yīng)用中的不足之處，具有現(xiàn)實意義。

1.2 作品組成及功能

簡單地說，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、最小系統(tǒng)模塊、按鍵控制模塊和顯示模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊包括稱重傳感器和采集數(shù)據(jù)的以AD0832 為中心的A/D 轉(zhuǎn)換電路，最小系統(tǒng)模塊由89C51 單片機及其外圍電路組成，按鍵由復(fù)位按鍵，和清零按鍵來重置測量時的值，顯示部分采用數(shù)碼管顯示當(dāng)前物品的重量信息。

1.2.1 稱重傳感器

稱重傳感器的含義是:一種將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置。在測量過程中，把重物放在稱重傳感器上，其表面彈性體會發(fā)生塑性變形。安裝在彈性體上的金屬電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電子信號。利用金屬電阻應(yīng)變片受應(yīng)變而變化的效應(yīng)［2］。

金屬電阻可阻礙電流流動，其阻值根據(jù)金屬的種類而變化。一般情況下，同一種金屬絲，越是細(xì)長，其電阻值就越大。當(dāng)金屬電阻絲受到外力作用而形變時，其電阻值就會在某一范圍內(nèi)增減。因此，將很細(xì)或很薄的金屬絲完善的緊貼在被測物體上，那么，當(dāng)被測物體受外力作用而伸縮時，金屬電阻絲也會按一定比例伸縮，其阻值也會相應(yīng)變化［2］。稱重傳感器就是利用了此原理。電路圖如圖1 所示。

圖1 稱重傳感器

1.2.2 單片機控制模塊

單片機控制模塊具有體積小、功耗低、控制功能強、適應(yīng)環(huán)境能力強和使用方便等優(yōu)點，用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號檢測系統(tǒng)、無線感知系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、機器人等應(yīng)用控制系統(tǒng)［1］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分簡單，使用方便，可以實現(xiàn)模塊化。

我們所選的單片機控制模塊具有可靠性高，可工作到上百萬小時無故障;低電壓，低功耗，控制和處理功能強，速度快，適應(yīng)環(huán)境能力強等特點。通過編寫不同的程序，實現(xiàn)單片機控制模塊對整個作品功能實現(xiàn)的控制。

1.2.3 AD 轉(zhuǎn)換模塊

A/D 轉(zhuǎn)換器是模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)之間的接口電路，在進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間，轉(zhuǎn)換器中輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)的，而輸出的數(shù)字信號是離散的［4］。所以進(jìn)行轉(zhuǎn)換時，在一系列選定的瞬間，對其輸入的模擬信號進(jìn)行采樣，然后再把這些樣值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出。

一般來說，轉(zhuǎn)換過程包括取樣、保持、量化和編碼四個階段。

1)取樣是將時間上連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為幅度上等于采樣時間內(nèi)模擬信號大小，時間上離散的數(shù)字信號。

2)AD 把采樣信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號需要一定的時間，所以在每次采樣結(jié)束后，為方便進(jìn)行轉(zhuǎn)換需要將這個斷續(xù)的脈沖信號保持一段時間。

3)輸入的模擬信號經(jīng)采樣，得到的是連續(xù)的階梯型模擬信號，仍不是數(shù)字信號。必須進(jìn)一步將階梯型模擬信號的幅度等分成每級都規(guī)定基準(zhǔn)電平值的N 個級，階梯電平可歸并到最鄰近的基準(zhǔn)電平上。

4)用二進(jìn)制法來表示各個量化電平，脈沖樣值此時都已轉(zhuǎn)換成與其幅度成正比的數(shù)字量，最終完成了模擬量到數(shù)字值的轉(zhuǎn)換。

1.2.4 數(shù)碼管顯示模塊

數(shù)碼顯示模塊是一個占用IO 資源多、程序設(shè)計復(fù)雜的模塊。我們的作品采用8 位數(shù)碼管動態(tài)顯示，精度更加準(zhǔn)確。顯示測量物品的實時質(zhì)量。

數(shù)碼管顯示器的8 個筆劃段a-hp 同名端連在一起，而每一位數(shù)碼管顯示器的公共端各自獨立地受三極管控制。CPU 向字段輸出口送出字形碼時，所有顯示器接收到相同的字形碼，數(shù)碼管的公共端決定哪個顯示器亮。由74LS164 控制，只要控制164 的輸出數(shù)據(jù)就可以決定何時顯示哪一位了［3］。我們采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的公共端，使各個顯示器輪流點亮。這就是動態(tài)掃描。

雖然輪流點亮掃描每位顯示器的點亮?xí)r間是極為短暫的，但掃描的速度非?？欤o人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。電阻阻值越小，發(fā)光二極管越亮［3］。該電子秤其稱重范圍為0～5 000 g，最小量程是0.1 g。電路圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)碼管顯示模塊電路圖

1.2.5 交流穩(wěn)壓電源

交流穩(wěn)壓器能為負(fù)載提供穩(wěn)定交流電源。當(dāng)計算機技術(shù)應(yīng)用到各個領(lǐng)域后，許多電子設(shè)備都需要有比較穩(wěn)定的交流電源供電。我們的作品采用鐵磁諧振式交流穩(wěn)壓器:利用飽和扼流圈與相應(yīng)的電容器組合，具有恒壓伏安特性而制成的交流穩(wěn)壓裝置。近年發(fā)展起來的穩(wěn)壓變壓器，也是借助電磁元件的非線性實現(xiàn)穩(wěn)壓功能的電源裝置。最終保持整個系統(tǒng)工作在穩(wěn)定的狀態(tài)。鐵磁諧振式交流穩(wěn)壓器具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，工作可靠，輸入電壓允許變化范圍寬，過載能力較強等優(yōu)點［2，3］。

2 功能介紹

當(dāng)被稱物體放置在秤體的秤臺上時，其重量便通過秤體傳遞到稱重傳感器。傳感器隨之產(chǎn)生力—電效應(yīng)，將物體的重量轉(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(電壓或電流等)。

通常此電壓信號很小，需要通過前端信號處理電路進(jìn)行準(zhǔn)確的線性放大。放大后的模擬電壓信號經(jīng)過濾波電路和A/D 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號被送入到主控電路的單片機中。單片機不斷掃描鍵盤和各種功能開關(guān)，根據(jù)鍵盤輸入內(nèi)容和各種功能開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行必要的判斷、分析、由儀表的軟件來控制各種運算。運算結(jié)果送到內(nèi)存儲器，需要顯示時，單片機發(fā)出指令，從內(nèi)存儲器中讀出送到顯示器顯示。

圖3 實物圖片

3 應(yīng)用前景

由于本作品制作簡單，體積小，重量輕，使用方法簡單，讀數(shù)準(zhǔn)確智能，人機交互性強，非常適合簡單實用。

該作品設(shè)計為小量程0～5 000 g，最小量程是0.1 g，稱量器件可以廣泛應(yīng)用于要求精密的場合，像實驗室計量固定質(zhì)量的材料或試劑等，完全可以滿足一般實驗室和研究所的測量要求。

［1］馬忠梅.單片機的C 語言應(yīng)用程序［M］.北京：北京航空航天出版社，2005.

［2］童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.第4 版.北京：高等教育出版社，2007.

［3］吳麟.自動控制原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［4］趙家貴.電子電路設(shè)計［M］.北京：中國計量出版社，2009.