為了解決因微弱信號放大而影響電子秤精度的問題，采用了儀表放大器作為壓力傳感 器前置放大器，解決了由放大環(huán)節(jié)帶來的失調電壓和溫漂等問題。簡要論述了電阻應變式稱重傳感器的工作原理、設計了系統(tǒng)硬件電路與軟件。經測試設計的電子秤誤差小于0.3%，且具有 數據準確穩(wěn)定、稱量快捷等特點。

0.引言

電子秤是將傳感器技術、信息處理技術、計算機 技術等綜合一體的現(xiàn)代新型稱重儀器。它是一種快 捷、方便的稱重工具，廣泛應用于工廠生廠、集貿市 場、大型商場等公共場所的信息顯示和重量計算。 電子秤是通過以單片機來控制中心單元，由傳感器 作為進行重量的模數轉換單元,再通過單片機鍵盤 控制和顯示輸出來實現(xiàn)準確稱重。系統(tǒng)中采用 應變片壓力傳感器檢測到的信號弱，且含有大量的 共模干擾成份,信號的處理將直接影響到系統(tǒng)的精 度,本文采用儀表放大器作為信號處理模塊。

1.電子秤的工作原理

電子秤首先利用壓力傳感器采集因壓力變化產 生的電壓信號,再經過電壓放大電路放大,然后再經 過模數轉換器轉換為數字信號，最后把數字信號送 入單片機。單片機經過相應的處理后，得出當前所 稱物品的重量，然后再顯示出來。設計的電子秤系 統(tǒng)由五部分組成:測量部分、儀表放大部分、A/D及控制器部分、數據顯示、鍵盤部分。系統(tǒng)設計總體方 案框圖如圖1所示。

測量部分是利用稱重傳感器檢測壓力信號，得 到微弱的電壓信號,經儀表放大器放大后，再經A/ D轉換送至單片機,將數字信號轉換為物體的實際 重量信號,并將其送到顯示單元中。

2.硬件電路設計

2.1測量電路設計

在設計中，傳感器是一個十分重要的元件，因此 對傳感器的選擇也顯得特別的重要，不僅要注意其 量程和參數,還有考慮到與其相配置的各種電路的 設計的難以程度和設計性價比等。電阻應變式壓力傳感器是一種將力轉換成電信號的轉換元件，其主 要由兩部分構成:彈性敏感元件；電阻應變片。彈性 體在外力作用下產生彈性變形,使粘貼在他表面的 電阻應變片也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它 的阻值將發(fā)生變化，再經相應的測量電路把這一電 阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成了將 外力變換為電信號的過程。圖2所示為平行梁微型 秤稱重傳感器。

根據設計要求傳感器參數選擇如表1所示。懸 臂梁安裝方式：帶線端固定，另一端的懸空，其上面 放稱量重物。

系統(tǒng)采用SP20C -G501電阻應變式傳感器，其 最大量程為1kg。稱重傳感器由組合式S型梁結構 及金屬箔式應變計構成，具有過載保護裝置。由于 惠斯登電橋具備諸如抑制溫度變化的影響，抑制干 擾,補償方便等優(yōu)點，所以該傳感器具有測量精度 高、溫度特性好、工作穩(wěn)定等優(yōu)點,廣泛用于各種 結構的動、靜態(tài)測量及各種電子軒的一次儀表。

測量電路采用最常見的橋式測量電路，用到的 是電阻應變傳感器半橋式測量電路。它的兩只應變 片和兩只電阻貼在彈性梁上，測量電阻隨重力變化 導致彈性梁應變而產生變化。工作原理如圖3所 示，當彈性體受力變形時,應變片的敏感柵也隨同變 形,其電阻值發(fā)生相應變化,通過轉換電路轉換為電 壓或電流的變化。圖3中當每個橋臂電阻變化值 ΔR <<Ri、初始值R1 = R = R3 = R,且電橋輸出電 阻無窮大時，電橋輸出電壓U0為：

式（1)說明電橋的輸出電壓Uo和四個橋臂的應變 片感受的應變量的代數和成正比。

2. 2信號放大電路設計

儀表放大器是精密差動電壓放大器，其源于運 算放大器,但優(yōu)于運算放大器，具有高輸入阻抗、低 噪聲、高共模抑制比、低失調漂移增益、低線性誤差、 設置靈活和使用方便等特點,使其在傳感器信號放 大、數據采集、精密電子儀器設備、醫(yī)療儀器等方面 廣泛被采用。本系統(tǒng)采用儀表放大器作為信號 放大電路。

①電路結構

設計的電子秤儀表放大器結構如圖4所示，電 路有兩級,第一級由小組成,均采用高阻抗同相 輸入形式且結構對稱,使得電路的漂移和失調都有 互相抵消的作用；第二級由皂組成差動放大電路, 也具有很高的極高的輸入阻抗、共模抑制比,與前級 匹配。電阻R1 = R2、R3 = R4、R5 = R6,調節(jié)Rp的電 阻值,即可調節(jié)放大倍數,在火和毛可增設調零電 位器VR和VR,,電路差模電壓增益為：Au = R5/R3 (1 +2R!/RP)上式儀表放大器的增益即可由電阻 Ri、R3、R5預置,也可根據需要調節(jié)RP設置儀表放 大器的增益。

②元件參數設計

集成運放應選用低噪聲、共模抑制比高、輸入失 調電流小的運放，圖4中小運放的特性需一致， 電路采用了 OP-07。電阻、電容的確定，在低噪聲電路中，電阻選用低溫度系數的電阻精密金屬膜電 阻,以獲得盡可能低的漂移其噪聲指數可達到 0. 2^V~1^V。放大器的放大倍數Au設定為30 ~ 200 可調，根據 Au = R5 /R3 (1 +2R1 /辦），選取 R = R2 = 10kH，R3 = R4 = 2kH，R5 = R6 = 20kH，Rp = 10kH 足以滿足Au。

2. 3控制電路及顯示電路

控制器MCU部分采用單片機AT89S52作為系 統(tǒng)的主控制器，因其外圍電路簡單,只需要加上晶振 電路和電源就可以工作。AT89S52單片機的最小系 統(tǒng)由時鐘電路、復位電路、外加電源及單片機構成， 其硬件電路如圖5所示。單片機接口電路A/D轉 換器采用AD574, AD574輸入信號取0V ~5V;數據 輸出12位；電源電壓5V。

LCD1602液晶模塊的引腳連線如圖6所示。其 中第1、腳為液晶的驅動電源;第三腳R為液晶的 對比度調節(jié),通過在和GND之間接一個10K多 圈可調電阻，中間抽頭接R，可實現(xiàn)液晶對比度的 調節(jié);液晶的控制線RS、R/W、E分別接單片機的 P0.5、P0. 6、P0. 7;數據口接在單片機的P2 口； BL +、BL -為液晶背光電源。

3.軟件設計

系統(tǒng)采用C語言編程，編譯環(huán)境為keilUV3。 軟件設計主要包括三個方面：一是初始化系統(tǒng);二是按鍵檢測；三是數據采集、數據處理并進行顯示。程 序采用模塊化的結構，這樣程序結構清楚，易編程和 易讀性好,也便于調試和修改。程序結構如圖7所 示，系統(tǒng)程序分為主程序和若干子程序，主程序的功 能是系統(tǒng)初始化，管理和調用各個子程序.

4.系統(tǒng)測試結果

設計的電子稱系統(tǒng)的量程是2kg,測試的數據 如表2所示，由測量數據知系統(tǒng)誤差小于0. 3%,誤 差的來源有傳感器本身的非線性誤差，稱重傳感器 供電電壓的穩(wěn)定性,A/D轉換芯片的精度,溫度漂 移等因素.

5.結束語

設計電子稱重系統(tǒng)具有計量準確、體積小、重量 輕、攜帶方便等優(yōu)點。充分利用了 AT89C52單片 機對信息的控制能力和計算機的數據處理能力，采 用的儀表放大器使系統(tǒng)的結構和硬件電路更加合 理,而且解決了由放大環(huán)節(jié)帶來的失調電壓和溫漂 等問題8。經過測試可知該系統(tǒng)運行良好,性能穩(wěn) 定,有一定的實用價值.