新型便携式电子秤研究
新型便携式电子称的设计
摘要
现代社会的发展，对称重技术提出了更高的要求。目前，台式电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍，但存在较大的局限性：体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。现有的便携秤为杆秤或以弹簧压缩、拉伸变形来实现计量的弹簧秤，居民用户使用的是国家已经明令淘汰的杆秤。多年来，人们一直期待测量准确、携带方便、价格低廉的便携式电子秤投放市场。
本文设计了一种便携式电子秤，论述了仪器的工作原理，介绍了仪器的误差来源与误差分配，给出了仪器电路设计与软件流程，探讨了仪器的工程设计技术。针对电容式称重传感器非线性影响大的问题，提出并建立了电容式称重传感器的非线性影响模型与校正模型，为便携式电子秤的低成本准确称量奠定了理论基础。
便携式电子秤主要由电源、称重传感器、单片机、键盘/开关、LCD显示器等部分构成。主要技术指标为：称量范围0～10kg；分度值0.01kg；精度等级Ⅲ级；电源DC 1.5V。仪器的技术指标参考了目前国内市场上使用最多、国内外产量最大的电子衡器的技术指标，其合理性无疑加大了产品投放市场后的竞争能力。仪器主要功能有自检、去皮、计价、累计、单价设定、过载报警和欠压提示等。仪器若不进行称量操作，5 分钟后自动进入休眠模式，降低电源消耗。
新型便携式电子秤体积小、计量准确、携带方便、操作简单、称量速度快，并集质量称量功能与价格计算功能于一体，能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求，具有广阔的应用前景。
关键词：便携式电子秤；电容式称重传感器；非线性校正；PIC16F877单片机；误差分配；工程设计
Abstract
The development of the modern society has put forward higher request on weighing technology. The desk-top electronic scales have been great application in commercial trade, but they have many shortcomings such as large volume, high cost, AC supply power and not covenience to carry, so they are restricted to use. The usual portable scales are lever scales which are mostly used by residents, and spring balance which measure through compression or drawing of spring. They are being rejected for their big measuring errors. People have been expecting cheap portable electronic scales which can measure accurately and be carried conveniently for many years.
This thesis designs new-type portable electronic scales. It discusses the instrumental working principle, and introduces its error sources and how to distribute the error. And, the instrumental circuit, software-flow-chart and engineering designing technology are presented. Because capacitance weighing sensor is of bad non-linearity, the author put forward and set up a maths model to revise non-linearity, which establishes the theory basis for the instrument to measure accurately and be
low-cost.
The portable electronic scales consist of power, weighing sensor,
microchip,keyboard/switch, LCD and etc. Its technical indictors include 10kg maximal measuring range, 10g division value, Ⅲprecision, 1.5V work voltage. Its technical indictors refer to the indictors of the electriconic measuring tools of most popularity in the markets and of large output at home and board, so the instrument is strengthened the competitive power after putting on markets. It possesses many intelligent functions, such as shelling, lack-of-power display, overload alarm, unit price enactement, accumulation computation, self-calibrating and etc. It can “sleep” automatically in five minutes if it is not measuring.
New-type portable electronic scales can measure mass rapidly and accurately and communicate value. Furthermore, it is small, simply structured, easy to operate and convenient to carry. The instrument is able to meet the needs of commercial trade and residents, so its application has a bright future.
Key Words: Portable Electronic Scales; Capacitance Weighing Sensor;
Non-linearity Revision; Microcontroller PIC16F877; Error distribution; Engineering Design
第1 章绪论
质量是测量领域中的一个重要参数，称重技术自古以来就被人们所重视[ 1 ]。公元前，人们为了对货物交换量进行估计，起初采用木材或陶土制作的容器对交换货物进行计量。以后，又采用简单的秤来测定质量。据考证，世界上最古老的计量器具出土于中东和埃及，最古老的衡器和砝码出自于埃及。秤是最普遍、最普及的计量设备，电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。低成本、高智能化的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。
本章简述称重技术和衡器的发展过程，论述提出新型便携式电子秤的意义，介绍项目研究背景、关键技术、工作重点及本文的创新之处。
1.1 称重技术和衡器的发展
衡器是通过作用于被测量物体的重力来确定该物体质量的计量器具。在整个衡器的发展过程中，先后主要出现了六种类型的衡器：架盘天平、不等臂平台秤、吊车秤、倾斜象限杆秤、弹簧秤和自动秤。其中，不等臂平台秤（“十进秤”）是当今动态轨道衡的鼻祖，至今它仍是最通用的一种秤。
第一次世界大战后，由于贸易和工业发展的需要，急需能进行快速称量的衡器。机械式衡器在此期间得到很大的发展。当时以倾斜杠杆案秤占绝大多数，读数装置除扇形度盘外，还有滚筒形度盘，从而扩大了读数范围并可附加价格标尺。以后又出现了用于工业的带双摆锤测量机构的圆形度盘指针式秤和成本低廉、带投影标尺的倾斜式杠杆秤。
第二次世界大战后出现了电子衡器，它主要由称重显示控制器、称重传感器和电器控制等部分组成，其发展过程与其它事物一样，经历了由简单到复杂、由粗糙到精密、由机械到机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。二十世纪50 年代中期，为了把衡器引入生产工艺过程中去，使称重过程自动化，电子技术渗入了衡器制造业。60 年代初期，出现了称量工作是机械式的，与称量有关的显示、记录、远传式控制等功能是电子方式的衡器，即机电结合式电子衡器。近30 年以来，工艺流程中的现场称量、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出电信号的电子衡器。这是因为电子衡器不仅能给出
质量或重量值的信号，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制和检验功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。电子衡器具有反应速度快，测量范围广、应用面广、结构简单、使用操作方便、信号远传、便于计算机控制等特点，计量精度高，而且实现了多功能、多用途。电子衡器已被广泛应用于各个行业，近年来愈来愈多地参与到数据处理和过程控制之中，使现代称重技术和数据系统成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可缺少的组成部分[ 1 ]。
电子衡器种类繁多，且涉及到贸易结算和广大消费者的利益，所以为世界各国政府普遍关注和重视，并被确定为我国强制管理的法制计量器具。电子衡器是自动化称重控制和贸易计量的重要手段，对加强企业管理、严格生产、贸易结算、交通运输、港口计量和科学研究都起到了重要作用。目前电子衡器主要分为非自动衡器和自动衡器。
我国电子衡器经过40多年的不断改进与完善，最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。我国电子衡器的技术装备和检测试验手段基本达到国际90 年代中期的水平。电子衡器制造技术及应用得到了新发展。电子称重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。但就总体而言，我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。电子衡器已从过去的引进技术进入了自行开发和设计的时期，尤其是用于非自动衡器方面的称重显示控制器的开发突飞猛进。而市场上普遍使用的是非自动衡器，它主要用于贸易结算方面，也是群众接触最多的电子衡器，例如其中普遍使用的电子计价秤、电子台秤和电子汽车衡；动衡器一般较常见于工矿企业的配料秤、定量包装秤等。
1.2 电子秤的发展现状
电子秤是载于秤的台座、盘、钩上的物品的重量由传感器蠕变反应平衡，而由仪器数字显示的电子衡器。电子秤集机、电、仪于一体，具有多功能、高精度、快速和动态计量、稳定可靠等特征，代表了衡器产品发展的方向。电子秤属于日用衡器，为劳动密集型产品。
电子秤产品总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性[ 2 ]。
（1）小型化
近几年新研制的电子平台秤结构充分体现了体积小、高度低、重量轻（即小、薄、轻）的发展方向。对于低容量的电子平台秤和电子轮轴秤，可采用将薄型或超薄型的圆形称重传感器，直接嵌入钢板或铝板底面与称重传感器外径相同的盲孔内，形成低外形的秤体结构，称重传感器的数量和位置由秤的额定载荷和力学要求计算决定。钢板或铝板就是秤体的台面，称重传感器既是传感元件，又是承力支点，极大地减化了秤体结构，减少了活动连接环节，但降低了成本，而且提高了稳定性和可靠性。对中等或较大容量的电子平台秤、电子地上衡，已经出现了采用方形或长方形闭合截面的薄壁型钢，并联排队列焊接成一个整体的竹排式结构的秤体，4 个称重传感器分别安装在最外边两根薄壁型钢两端的切口内，安装在称重传感器承力点上的固定支承就是秤体的承力支点，既减化了承力传力机
构，又节省了秤体高度，这是一种很有发展前途的秤体结构。对于大型电子平台秤，可利用有限单元法进行等强度和刚度计算，采用抗弯刚度大的型材和轻型波纹夹心钢板等。
（2）模块化
对于大型或超大型的承载器结构，如大型静动态电子汽车衡等，已开始采用几种长度的标准结构的模块，经过分体组合，而产生新的品种和规格。以5、6、7m 长的同宽度3 种标准模块为例，由单块、二块、三块到四块分体组合，可以组合成长度为5～28m 的22 种规格的分体式秤体结构。当然在实际应用中，根据各行业用户的需要，选择其中10 余种常用的标准规格即可。这种模块化的分体式秤体结构，不仅提高了产品的通用性、互换性和可靠性，而且也大大地提高了生产效率和产品质量。同时还降低了成本，增强了企业的市场竞争能力。
（3）集成化
某些品种和结构的例如小型电子平台秤、专用秤、便携式静动态电子轮轴秤、静动态电子轨道衡等，都可以实现秤体与称重传感器，钢轨与称重传感器，轨道衡秤体与铁路线路一体化。
如秤体与称重传感器一体化的便携式静动态电子轮轴秤，多用硬铝合金厚板制成。其结构原理是经过固溶热处理强化的铝合金板，或通过在4 个角上钻孔和铣槽分别形成4 个悬臂梁型称重传感器；或在铝合金板的底面铣出多个对称的盲孔和盲槽形成整体剪切梁型称重传感器。就使得秤体与称重传感器合二为一，即铝合金板既是秤体台面又是一个大板式称重传感器。以后者结构的10t 便携式动态电子轮轴秤为例，其尺寸为720mm×550mm×32mm，重量约为23kg。
（4）智能化
电子秤的称重显示控制器与电子计算机组合，利用电子计算机的智能来增加称重显示控制器的功能。使电子秤在原有功能的基础上，增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织等功能，这就是当今市场上采用微机化称重显示控制器的电子秤与采用智能化称重显示控制器的电子秤的根本区别。
（5）综合性
电子称重技术的发展规律就是不断的加强基础研究并扩大应用，扩展新技术领域，向相邻学科和行业渗透，综合各种技术去解决称重计量、自动控制、信息处理等问题。例如在流量计量专业，如果按照传统的理论和方法建造一套标准大流量测量系统，价格相当昂贵。如果采用称重法即质量流量法，只要将重量和时间测量准确，大流量的测量问题就迎刃而解了。对某些商用电子计价秤而言，只具备称重、计价、显示、打印功能还远远不够，现代商业系统还要求它能提供各种销售信息，把称重与管理自动化紧密结合，使称重、计价、进库、销售管理一体化，实现管理自动化。这就要求电子计价秤能与电子计算机联网，把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统。
（6）组合性
在工业称重计量过程或工艺流程中，不少称重计量系统还要求具有可组合性，即测量范围等可以任意设定；硬件能够依据一定的工作条件和环境作某些调整，硬件功能向软件方向发展；软件能按一定的程序进行修改和扩展；输入输出数据与指令可以使用不同的语言和条形码，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。
我国衡器行业使用面最广、产销量最大的计量产品是非自动衡器。国际法制计量组织76 号国际建议OIML R76-非自动衡器[ 4 0 , 4 1 ]（它是目前国际上唯一的
非自动衡器通用国际标准）中，明确规定非自动衡器按大类分为非自动天平与非自动秤；按能否直接读出称量结果划分，可分为有分度衡器与无分度衡器，目前我国在用的绝大多数机械、电子衡器均属于能直接读出称量结果，故称为有分度衡器；如按指示方式划分，可分为自行指示衡器、半自行指示衡与非自行指示衡器三种形式。其中非自行指示衡器主要指目前我国在用的固定式杠杆秤（如固定式杠杆地上衡）、移动式杠杆秤（如移动式杠杆案秤、台秤）、机械杠杆式吊秤与静态机械轨道衡等。半自行指示衡器主要指靠铊调整秤量的度盘秤（如邮包度盘秤）等。自行指示衡器在我国又可分为模拟指示秤、数字指示秤。模拟指示秤主要指弹簧度盘秤、度盘秤和人体秤等。数字指示秤主要指电子案秤（如电子计价秤、电子计重秤、计数秤、条码打印计价秤、电子婴儿秤、电子厨房秤和电子邮政秤等）、电子台秤、固定式电子秤（如电子地上衡、电子汽车衡、电子行李秤与电子料斗秤等）、电子吊秤、机电秤、光栅秤、光栅数显静态轨道衡与静态电子轨道衡等。OIMLR76 中对于有分度衡器又分为单分度值秤与多分度值秤；按秤量分为单称量范围秤与多称量范围秤[ 4 ]。
目前我国产品标准中列入的十大类衡器（案秤、台秤、地上衡、地中衡、吊秤、皮带秤、料斗秤、检验秤、轨道衡和特种秤）均已实现了电子化[ 5 ]。据近期统计，工业用衡器（按销售量统计）中的电子产品已占三分之二左右，技术水平比较成熟的静态衡器的计量范围可以从1μg到800t，部分非自动衡器（如电子计价秤、电子台秤、电子地上衡、电子皮带秤、电子吊秤和电子轨道衡等）已达到国际九十年代初期水平，有的产品达到了九十年代中期水平；由于近十年来电子技术的迅速发展，商用衡器的加工能力迅速增长，产品成本大幅度降低，市场稳步发展。现在，电子计量称重技术已越来越多地应用于工业生产过程控制中，电子衡器的功能及应用拓展到更广泛领域。随着我国加入WTO 组织，经济市场的开放度加大，一批具有国际先进水平的衡器产品和技术（如定量包装秤、自动重量检验秤、标签计价秤、电脑组合秤、耐压式计量给煤机等，以及应变计、称重传感器、称重显示器生产技术）进入我国，这对电子秤的进一步普及和提高必将产生积极的、巨大的影响。
1.3 现有便携秤和电子秤的不足
现有的便携秤为杆秤或以弹簧压缩、拉伸变形来实现计量的弹簧秤，居民用户使用的基本是杆秤。这种在我国沿袭了两千多年的木杆秤，国家工商局与国家技术监督局早在1995年1月1日就已经颁布了禁止在全国城乡农贸市场、固定摊点使用杆秤的规定。各省市、自治区根据各地的经济发展情况，规定了各地区取缔杆秤的最后期限[ 9 ]。弹簧秤制造工艺要求较高，弹簧的疲劳问题无法彻底解决，一旦超过弹簧弹性限度，弹簧秤就会产生很大误差，以至损坏，影响到称重的准确性和可靠性，只是一种暂时的代用品，也被列入逐渐取消的行列。
近年来，农贸市场及其它商贸活动中被广泛使用的是弹簧度盘秤和台式电子计价秤。弹簧度盘秤允许使用于80 年代末，具有构造简单、体积小巧和价格便宜等优点。作为4 级秤，弹簧度盘秤在准确度、耐用性和防欺骗性等方面都优于杆秤，因而被广泛的应用于农贸市场。近年来，弹簧度盘秤的质量问题比较突出，几次监督抽查，产品的抽样合格率均在40%～60%之间。弹簧度盘秤产品的问题主要是计量精度严重超差，双面示值不同步，产品强度低，寿命短[ 3 ]。
与弹簧度盘秤相比，台式电子计价秤具有反应灵敏、准确度高、功能齐全、显示直观、使用方便等特点，在商业贸易中的使用已相当普遍，但又存在较大的
局限性：体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。而且，目前台式电子秤行业混乱、无序的状况也引起了国家有关部门的高度重视。台式电子秤产品质量一直上不去，近年来抽样合格率一直徘徊在40%～65%，2003 年抽样合格率仅51.1%。台式电子秤产品质量国家监督抽查结果表明，我国台式电子秤产品质量合格厂家的技术水平已达到国际先进水平，通过JJG555-96《非自动秤通用检定规程》（JJG555-96《非自动秤通用检定规程》被国内衡器行业喻之为“衡器圣经”，在技术内容上等效采用了OIML R76 国际规程。JJG555-96 经过全国范围的宣传，已普遍被国内同行所接受，为我国非自动衡器的标准、规程与OIML 的接轨奠定了基础，是目前我国非自动秤的唯一通用计量检定规程[ 1 6 ]。）检测的产品在技术指标和计量性能上，均已达到了国际标准。但质量差的产品到了不能用于贸易结算的地步，差距太大。这说明我国的台式电子秤产品质量良莠不齐，其中抗电磁场辐射性能差，温度对空载示值的影响及温度试验项目也存在问题等。
可见，我国在电子秤运用方面，还处于非常落后的状况。1994 年，美国电子秤的普及率是90%，日本是65%，而我国仅为3.6%。
1.4 项目研究背景
现代社会的发展，对称重技术提出了更高的要求，尤其是微处理技术和传感技术的巨大进步，大大加速了这个进程。基于当前电子秤和便携秤的现状和不足，人们高度重视发展小型化的普及型的便携式电子秤，设计一种重量轻、携带方便、计量准确、读数直观、价格低廉的便携式电子秤（袖珍电子秤）已迫在眉睫。
本项目研究一种用单片机控制的高精度智能电子秤设计方案。这种高精度智能电子秤体积小、计量准确、携带方便，集质量称量功能与价格计算功能于一体，能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。项目的标准要求与OIML R76 国际建议基本吻合，与国际水平接轨。本项目研究的便携式电子秤的主要技术指标为：（1）量程：0～10kg
（2）分度值：0.01kg
（3）误差：≤0.02kg
（4）精度：OIML Ⅲ级[ 4 ]
（5）电源：DC 1.5V，AA 电池1 节
（6）体积：约130×80×20mm
（7）工作环境：温度0～40℃，湿度20～95％RH；
（8）功能：开机自检、去皮、计价、清除、累计、自动休眠、中文
液晶显示、过载报警、欠压提示等；仪器若不进行称量操作，5 分钟后自
动进入休眠模式，降低电源消耗。
1.5 本文的主要工作与创新
新型便携式电子秤具有开机自检、质量称量、计价等功能，解决了电子秤测量不准确、不能计价等问题，具有非常广阔的应用前景。文中设计了一种新型电容式称重传感器，对它的材料、工艺、尺寸作出了合理设计，探讨了非线性影响、温度影响、误差来源等几个关键问题，提出了利用参考电容测量补偿、非线性补偿、温度补偿等方法，介绍了误差分配。为实现仪器功能，合理的按键设计和功能模块设计也至关重要。
1.5.1 本文的主要工作
全文分为6部分：
第一章阐述电子秤的发展现状，介绍本文研究背景，指出研究新型便携式电子秤的意义，介绍本文的组成。
第二章介绍传统应变式称重传感器存在的不足，设计了一种电容式称重传感器，介绍了它的测量原理、结构设计、尺寸设计和工艺设计，并且采用多项式回归模型进行非线性补偿。
第三章介绍以单片机PIC16F877 为信息处理核心的便携式电子秤的硬件设计方案，详细分析各单元的硬件电路，并给出相关电路原理图。
第四章根据仪器的硬件构成和功能要求，对系统软件进行模块化设
计，给出主要程序流程图。
第五章分析仪器误差来源，介绍误差分配和误差的计算方法。
第六章对仪器的工程设计作出详细论述，包括低功耗设计、抗干扰设计和可靠性设计。
1.5.2 本文的创新
本文的创新在于：
（1）系统地研究了电子秤技术，设计了一种采用全电子原理、结构简单、功能齐全、耗电少、价格低的便携式电子秤。这种小巧轻便、智能功能强、具有广阔的市场应用前景的袖珍电子秤，国内外未见成熟、实用产品。
（2）深入研究了电容式称重传感器的工作机理，建立了电容式传感器自校正数学模型，为便携式电子秤的低成本准确称量奠定了理论基础。
（3）完成了便携式电子秤的电路设计、智能功能设计和工程设计，望在短期内形成便携式电子秤产品。
第2 章便携式电子秤的测量原理
在电子秤中，传感器是最关键的部件，也是设计中最难处理的环节，其性能的好坏直接决定了电子秤的性能。生产三级便携式电子秤主要难点就是传感器。
设计称重传感器的指导思想是：追求良好的自然线性，尽量有较高的输出灵敏度，抗侧向能力强，结构简单，易于加工和密封，长期稳定性要好。
2.1 称重传感器
现代科学技术的发展，特别是微型计算机技术的普及，及国民经济的发展使各工业领域普遍要求用电子衡器来检测重量信息；电子称重技术由单一的称量用途，延伸到生产过程和工艺流程等过程控制领域，特别是物流中各环节的自动检测和监控。电子衡器用于电子称重，是国家重点管理的6 种计量器具之一。称重传感器是电子衡器产品和电子称重系统的核心部件，其特性直接影响电子衡器整机的性能。因此，其性能的优劣或质量的高低，对整个称重控制系统起到至关重要的作用。准确度、稳定性和可靠性是称重传感器的重要的质量指标，同时也是用户最关心的问题。
工业与商业用电子秤的称重传感器技术与制造工艺，美、德等工业发达国家的著名制造公司处于国际市场引导者的领先地位。我国称重传感器的研制与生产起步较晚，具有一定规模的称重传感器制造公司处于市场挑战者或市场追随者地
位[ 1 0 ]。
根据国际计量联合会的会议录，应变式称重传感器占总称重传感器的90%以上。在自动称量及电子衡器方面，国外有80%使用电阻应变式称重传感器，国内的使用量约占90%～95%以上。原因是电阻应变式称重传感器无论是敏感元件——电阻应变计，还是传感器弹性体结构设计、弹性体材料加工处理、线路补偿以及检测仪表等方面，技术都比较成熟，测量精度比较高，稳定性也比较好，并且更有利于产业化和规模化生产。中国是家用电子秤称重传感器的研发和生产中心，目前家用电子秤（人体秤、健康秤、脂肪秤、厨房秤、营养秤、珍宝秤、口袋秤和手提秤等）称重传感器主要是应变式称重传感器。
2.1.1 应变式称重传感器及其不足
2002 年全国衡器工业展览会，展现了我国衡器工业发展的最新阶段。在自动称量和电子衡器技术中，电阻应变式称重传感器用于静态、动态条件下测力或称重，目前市场上使用的称重传感器大都采用应变式称重传感器[ 1 0 ]。
应变式称重传感器主要由弹性体、电阻应变计、检测电路三部分组成。弹性体是一个有特殊形状的结构件，主要作用是将力转换为形变。应变计是将变形转变成电阻变化的传感元件。应变计通常有金属箔式应变计、半导体应变计（包括薄膜式半导体应变计）、金属薄膜应变计及厚膜应变计等，但目前，应用最广的仍是由金属合金箔制成的各种箔式应变计。检测电路的主要部件是惠斯登电桥，它可以比较方便地解决称重传感器的补偿问题，其功能是把电阻应变片的电阻变化转变为相应的电信号输出。物料重量通过电子秤的秤体或料斗作用于应变式称重传感器，传感器的弹性体在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小）。再经相应的检测电路，把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流）输出，从而完成将外力变换为电信号的过程。
应变式称重传感器，已经有几十年的历史，在原理、材料、电子测量技术等方面已趋向成熟，并走上了产业化生产的道路。它的短期特性虽然可以达到较高水平，综合误差甚至可小于额定载荷的10- 4～10- 6，但此类传感器在使用过程中却不能长期保持其原有特性，实际使用中，由于受到原材料及制造工艺、安装方法、使用条件及外部环境的影响，应变式称重传感器很容易发生故障，影响电子秤计量数据的准确及稳定的运行。称重传感器虽然具有四角误差小、精度较高、应用技术比较成熟等优点外，但是在制造工艺和实际使用中，却存在许多突出的缺点：补偿工艺复杂，输出信号小且为模拟信号，需经放大电路和A/D转换电路后引入微机，易受电磁干扰，不宜远距离传输，工作温度低（一般为0～40℃），而且制造成本高，稳定性能差等，所以，应变式称重传感器技术含量高，价格昂贵，决定了电子秤的价格也较高。市场调研也证明，应变式称重传感器的材料成本、金属加工费及人工成本实际是很低的，不过十几元，但传感器的市场价格却是成本价的5～6 倍，价格昂贵。
2.1.2 电容式称重传感器
电容式传感器灵敏度高，动态特性好，结构简单，分辨力强，温度漂移小，能在恶劣环境下工作，适应性好，抗干扰力强，近年来获得了越来越多的研究，可望逐步替代应变式称重传感器[ 7 ]。但电容式传感器存在非线性误差、寄生效应等特定问题，更主要的缺点是电容量一般很小，仅几十～几百pF，甚至只有
几个pF，环境变化会影响电容量的变化。例如，在温度影响下，电容泄漏电导、极板的尺寸、间隙的大小、介质的介电常数都会发生变化[ 1 8 ]。因此，电容式传感器的应用也受到一定程度的限制。
本文设计一种变极距电容式称重传感器，其灵敏度高，结构简单，测量电路简单，体积小，质量轻，且为数字信号输出，可直接与微机相连，其成本远低于应变式称重传感器。
2.2 电容式称重传感器设计
电容式传感器受几何尺寸的限制，其容量C 都很小，容抗X C C = 1/ω很大，
为高阻抗元件。C 小，需要作用的能量也小，可动的质量也小，而它的固有频率很高，可以保证有良好的动态特性。传感器的视在功率P U 2ωC0 = 很小，这
使传感器易受到外界的干扰，所以信号的提取比较困难。同时，于C 小，分布电容和寄生电容对灵敏度和测量精度都会产生影响[ 1 5 ]。因此，电容式称重传感器在设计应用时，要充分考虑抗干扰设计。
2.2.1 传感器弹性体
弹性体是称重传感器的基础，其结构形式参照了电阻应变式称重传感器的双孔平行梁式结构[ 9 ]。电容式传感器采用差动电容，由两个定极板和一个动极板组成，这两个变极距型电容器的初始电容值相同。电容式称重传感器结构如图2-1 所示。
图2-1 中，左侧立柱A 用螺丝固定，在上面安装两块定极板S1、S3。右侧立柱B 上安装一块动极板S2。S1 与S2 构成电容C1，S2 与S3 构成电容C2，二者组成差动电容C。差动式电容传感器比单极式灵敏度提高一倍，非线性误差减小。由于结构上的对称性，它还能有效的补偿温度变化所造成的误差[ 6 ]。
弹性体结构中，a1、a2、a3、a4 是弹性变形点，是为了增加传感器的灵敏度而加工的半圆弧形，相当于平行四边形的4 个铰链。物体称量时，重力使矩形变形为平行四边形，即矩形的A 端保持不动，B 端下降。由于两个侧壁A、B 都是由很宽的刚性材料制成，在矩形变为平行四边形的过程中，B 端只有上下位移，左右位移不会发生扭动；S2 也只发生上下位移和左右位移，但S2 的左右位移幅度非常小，且三个极板的面积相对于极距很大，故左右位移对电容器的容量影响很小可以忽略，因此认为动极板S2 只作相对平行的上下移动。
图2-1 平行板电容器称重传感器结构
极距变化不仅与所加重物大小有关，还与圆弧a1、a2、a3、a4 的加工深度有关，h 越小，重物的作用下动极板S2 向下位移就越大，它直接影响到传感器的灵敏度及重物与位移之间的线性关系，必须适当选取[ 9 ]。后面将介绍如何选取h。
2.2.2 传感器工作原理与分析
质量称量时，被测试样的重力F使A 端保持不动，B 端下降，S2 下移，极距变化量Δd与试样质量m产生的重力成正比，即
Δd = amg （2-1）式中，a 为质量与位移之间的转换系数；g 为重力加速度。由于矩形极板S1、S2、S3 的长、宽尺寸远大于它们之间的极距，又因为材料上的设计，可以忽略极板的边缘效应。初始电容均为
C 1=C
2
=C
=εS/d (2-2)
式中，S 为两平行极板相互覆盖的有效面积；ε为极板间介质的介电常数；d 为
初始极距。质量称量时，S2 向下移动Δd，而S1、S3 不动，差动电容C 的上下两极距发生相反变化，即极距一增一减，使得C1 减小ΔC1，C2 增加ΔC2，从而将被测荷重转换成电容量的变化ΔC。由于
ΔC1=C0（Δd/d）/（1-Δd/d）
ΔC2=C0（Δd/d）/（1+Δd/d）（2-3）因此
ΔC=ΔC1+ΔC2=ΔC0（2Δd/d）/【1-（Δd/d）2】（2-4）由式（2-1）、（2-4）有
m=
式中，k 为由极板初始间距d、传感器质量与位移之间的转换系数a、重力加速度g 及介电常数ε 决定的常数。
式（2-5）表明：（1）被测试样的质量与电容的变化量ΔC 有关，只要测量传感器电容的变化量，就可以计算测到被测质量[ 3 5 ]；（2）被测质量与电容变化量为非线性关系。
2.2.3 材料设计
（1）选用具有低温度系数、热膨胀系数小、几何尺寸长期稳定、高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻等优点的玻璃作为绝缘材料。
电容式传感器是高阻抗器件，其绝缘性能、机械结构的稳定性等，直接影响工作特性的稳定。因此，电容传感器的绝缘材料必须有很高的绝缘性能、足够的机械强度、高形状稳定性及良好的抗湿性能。设计时，还应考虑电容式传感器材料的膨胀系数与金属部件的膨胀系数相匹配，以获得高的环境稳定性[ 8 ]。
（2）差动电容器的定极板采用金属极板，动极板由在玻璃表面上直接蒸镀一层铜膜片代替。
在保证极板连续，在全部（介质边缘除外）有效介质中形成电场的前提下，从减少传感器的比率体积和重量、节约金属、降低成本等方面考虑，应选用最薄的极板，此外，为改善自愈特性以提高可靠性，也需要较薄的金属极板[ 1 4 ]。因此，该设计不仅能消除极板随温度变化而引起的尺寸变化的影响，同时也减少了电容的边缘效应。
（3）绝缘介质可选用聚四氟乙烯等绝缘强度大、稳定性好、温度影响小的材料。
定极板与动极板之间需选用低膨胀系数、稳定性好、绝缘电阻高的绝缘材料。绝缘电阻被认为是电容式传感器的一个旁路，当绝缘介质性能不好时，绝缘电阻会随着环境温度和湿度而变化，致使电容式传感器的输出产生缓慢的零漂，因此绝缘介质要选用具有低膨胀系数、高尺寸稳定性和高绝缘电阻的材料。此外，在固定极板时，还需要采取措施，使表面绝缘电阻对全部漏电阻的影响最小；极距很小也需要加入绝缘介质防止击穿极板。
（4）双孔平行梁式弹性体选用国产硬铝合金LY12 作为材料。
弹性体结构和材料是称重传感器达到技术性能指标、质量符合国家标准的基础和关键。LY12 材料具有较高的比强度，因此弹性滞后及蠕变也比较小。对小量程称重传感器来说，这种材料的储能比大，弹性模量小（约为钢的1/3），制造小量程称重和测力传感器较理想[ 11 ]。
2.2.4 工艺设计
称重传感器的性能和质量随着工艺、设计、检定三个关键因素而变化。精
密而科学的制造工艺，且工艺的可重复性非常好，是称重传感器均一性好、质量始终满足要求的核心。在传感器的工艺设计过程中，需要注意以下几点：（1）结构与工艺保障。电容式称重传感器在设计时应充分考虑减小电极间距、增大极板的相对面积，达到降低输出阻抗以减轻对测量电路及传感器绝缘性的要求、增大传感器电容量、提高灵敏度的目的。极板应有良好的固定和绝缘。电极在完成机械加工后应进行老化和退磁处理，消除内应力与剩余磁场。双孔平行梁式弹性体结构需要通过锉磨进行角差修正。
（2）减少寄生电容影响。将信号发生器、调理电路紧靠传感器安装，尽量缩短传感器电极的引线长度，减少寄生电容[ 9 ]。引线采用屏蔽线，屏蔽网接地。若将传感器部分实施金属罩屏蔽，屏蔽罩接地，则效果更佳。
（3）减小边缘效应。双孔平行梁式结构，通过注塑成型工艺将极板与弹性体一次制成，再用金属蒸镀的方法在动极板上镀一层铜膜片[ 1 2 ]，该工艺简便、效率高。
（4）安装保障。设计传感器时不要采用应力集中的结构，不要将行程设计得过大，使弹性体的工作范围远离变形区；并在活动部件的两端加上限位，采取防撞限位措施。确保秤体能自由下垂，拎环应与秤钩在同一垂线上。
（5）装配紧固问题。一般的紧固以牢固为准，而传感器紧固只要有一点觉察不到的松动，都会给称量造成误差。因此，传感器部分的紧固件要特别加料[ 5 0 ]。
2.2.5 尺寸设计
电容式称重传感器的尺寸设计主要包括以下几个方面：
（1）确定双孔平行梁式弹性体的尺寸；
（2）确定电容式传感器的几何尺寸。
2.2.5.1 弹性体尺寸设计
双孔平行梁式弹性体正面图如图2-2所示。传感器弹性元件的尺寸根据最大量程而定，主要是确定检测点截面厚度h，从而确定开孔形式和尺寸。
检测点应变值ξ 为[ 1 3 ]
ξ=M p /E ·W1 （2-6）
式中，M p 为检测点弯距； E 为材料弹性模数；W1 为检测点抗弯模数。
检测点抗弯模数W1 为
W1=(l/6) ·bh2 （2-7）
图2-2 双孔平行梁式弹性体正面图
又根据相似三角形有
Mp :Mmax =(l/2):(L/2) （2-8）所以
Mp=(1/L)*(Fmax*L/4)-Fmax*l/4 （2-9）
式中，b 为弹性元件宽度；h 为检测点截面厚度；M max=F max L/4 为弹性元件两端最大弯矩；F max 为最大称重；l 为双连孔的中心距；L 为弹性体长度。
可推得检测点截面厚度h 为
开圆孔直径Φ为
Φ=a-2h （2-11）
P=(L-1-Φ)/2 (2-12) 则刚度比 K 为
K=(p/h)3*(L/a) （2-13）
K 值可作为校验值，估计弹性体刚度是否足够。弹性体的尺寸按上述原则确定[ 13 ]，其加工按常规工艺规范，经热处理、线切割开孔、磨削等过程。
2.2.5.2 电容式传感器的几何尺寸设计
电容式传感器的极距是由工作电场强度来决定的，即
Dd=Vw/Ew （2-14）式中，d d 为极板间距；E w 为工作电场强度；V w 为工作电压。
对直流电容式传感器，应该首先根据介质的瞬时耐压强度E b，确定
工作电场强度E w。这时先确定电容的测试电场强度E t
E t= E bcp/ k1 （2-15）式中，E bcp 为介质的平均瞬时耐压强度；k1 为测试电场强度时的耐压安全
系数。一般，k1 ≥2。再确定Ew
Ew=E1/k2 （2-16）式中，k2 为工作场强对测试场强的安全系数，一般选用k2＝ 1.5～3。
将式（2-16）代到式（2-14）得
k2/E1=V W k1 k2/ E bcp（2-17）d= V
W
由此确定了电容式传感器的初始极距d[ 1 4 ]。
2.3 便携式电子秤的称量原理
电容式传感器传统的测量方法采用模拟电路测量手段，主要有电桥电路（普通交流电桥、变压器电桥、双T 二极管电桥）；脉冲宽度调制电路；调频电路等。模拟测量方法电路环节多，容易受到零漂、温漂的影响，尤其对小电容的测量，更难保证测量精度[ 1 5 ]。
影响电子秤测量精度的因素较多。如寄生效应使传感器电容相对变化量大大降低，导致灵敏度显著下降；质量值与电容变化量不成比例，导致传感器输出的非线性；被测电容变化量小，而又要求灵敏度高时，噪声影响将很严重等。这些因素的存在，使电容传感器特性不稳定，且测量精度不高，严重时甚至无法工作。因此，保证测量精度除了采用上述材料、工艺、尺寸设计外，还需采用合适的电容量变化的测量方法。电容式称重传感器拟采用数字化测量原理实现C-f（电容－频率）转换[ 2 3 ]。
2.3.1 数字化测量原理
数字化测量首先是将传感器的电容量变为频率信号，即实现C-f 转换。常用的C-f 转换方法有LC 振荡和RC 振荡，线路结构简单，受电源等外界因素影响
小，振荡频率稳定。鉴于仪器测量质量只须检测出电容传感器容量的变化量，因此，仪器拟通过555 多谐振荡器将不易测量的电容变化量转换成易于测量的频率信号的变化量[ 5 1 ]。
仪器采用高稳定参考电容生成参考频率信号，消除系统误差，实现高精度测量。电容－频率转换框图如图2-3 所示。两路频率分别送入后级处理电路，经数据选择送入单片机系统。
图2-3 电容－频率转换框图
由式（2-5）可知，测质量m 只须测出电容的变化量ΔC，再经电容－频率转换为频率f，从而有f 对应于m 的函数m（f）。被测物的质量m计算由单片机编程实现。
2.3.2 利用参考电容进行测量补偿
已知555 输出脉冲的周期T 为[ 1 7 ]
T = l n 2 ?R ?C （2-18）若设K = ln 2 ?R，则
T = KC （2-19）当C<100pF 时，振荡器输出脉冲周期T 与C 之间有一定的非线性，
T 会受到555 端电容的影响[ 1 8 ]。设仪器的误差源为0 E ，则当数据选择切
换测量通道（ f x， f c）时，555 输出脉冲的周期分别为
T ref=K(C ref+ E
) （2-20）
T x=K(C x+ E
) （2-21）式中，C ref 为参考电容；C x 为电容式传感器。
由式（2-20）、式（2-21）可得
C x=T x/ T ref * C ref + ( T x/ T ref-1) E
（2-22）
实际在测量系统中使用的计算公式为
C x= T x/ T ref * C ref （2-23）
根据式（2-23）计算 C x 的相对误差为
?s=E0/Cx*（T x/ T ref-1）（2-24）若不用上述参考电容法，而直接由 555 输出脉冲的周期值测量 C x ，则相对误差为
?s’=KE
0/ T x= KE
/K（Cx+E
）≈E
/ Cx （2-25）
可见，采用参考电容后，测量相对误差降低为直接测量法的( / ?1) x ref T T倍。参考电容C ref 越接近被测电容C x，相对误差越小。而且，由于非线性关系、环境温度变化、电阻值变化、555 端电容影响等因素引起的系统误差也可进一步消除。为使整个测量范围误差较小，可选C ref= 0.5C x max[ 1 9 ]。
2.4 电容式称重传感器的非线性校正
受传感器极板结构、本身容量、寄生电容、接触电阻、机械稳定性、环境干扰等多种因素影响，电容式称重传感器存在较大的非线性[ 3 1 ]。分析电容式称重传感器的非线性影响，建立非线性影响的数学模型，研究克服非线性影响的行之有效的方法，对于改善电容式称重传感器的计量性能具有积极意义。
2.4.1 电容式称重传感器的非线性影响
研究发现，电容式称重传感器在外施交变电场激励下的介质极化和损耗、极板的边缘影响、极板与引出线的接触电阻、引线寄生电容、加工成型后金属材料的剩余磁场、空间辐射干扰、环境温湿度变化、传感器成型后的应力与剩余磁场、金属电极的内部缺陷等，都可能造成传感器的非线性。
理想的非极性电容式称重传感器，在外施交变电场激励下，两端电压与通过其中的电流应成正比，伏-安特性应为一直线且相应的阻抗与电压无关。但实际上电容式称重传感器的电流电压并非直线关系，阻抗随电压增加而减小[ 5 5 ]。
非线性电容式称重传感器的电容可用下列多项式表达
C = C L（1+ β1u + β2u2+ β3u3+Λ）（2-26）
式中，C L 为很低电压时传感器的电容量；B1 、B2 …为常数；u为外施电压的瞬时值。
对于外施电压-u ，
C = C L（1?β1u + β2u2?β3u3+Λ) （2-27）
由式（2-26）、式（2-27）可得
C = C L (1 +β2u2+Λ) （2-28）
当传感器的外施激励为正弦电压 u=U
0 sin w
t时，电容器任一极板上所
带的电量q（绝对值）和两极板间的电势差成正比[47] ，即
q = C L ( U0sinω0 t +β2U03sinω0 t +Λ) （2-29）
式中，U
0为外施正弦激励电压的振幅；w
为外施正弦激励电压的角频率。
为计算简便，采用一级近似，式（2-29）简化为[31]
q= C L [ U0 sinω0t+β2U03 (3/4sinωt-1/4 sin3ωt)]
= C L U0 (1+3/4β2U02)sinω0t-1/4 C Lβ2U03 sinω0t
≈C L U0sinω0t-1/4 C Lβ2U03 sinω0t (2-30) 于是有
i=dq/du=ωC L U0cosω0t-3/4ω0C Lβ2U03 cos3ω0t （2-31）由式（2-5）、式（2-31）可得
i=（ωU0cosω0t-3/4ω0β2U03 cos3ω0t）{C0+(2m/k)/[（1/C0）2-（m/k）2]} （2-32）可见，对于外施正弦激励u =U 0sinω0 t，电容式称重传感器不仅产生基波电流ωC L U0 cosω0t，还产生谐波电流-3/4w0C L U03 cos3ω0t,使传感器输出电流变成非正弦信号，且随m 变化，进一步造成称量误差。
2.4.2 电容式称重传感器的非线性校正
电容式称重传感器不仅受到非线性影响，而且电容变化量ΔC与输入量m是非线性的，测量的频率f与电容变化量ΔC也是非线性的，所以电子秤在使用前必须进行非线性校正。对传感器进行校正可采用多项式回归模型，补偿非线性影响，使传递函数的输入m－输出f 特性成一条直线，灵敏度在测量范围内为常数。2.4.2.1 传感器输出特性的多项式回归模型
选择适当的拟合函数，利用仪器的软件编程，实现非线性传感器测量结果的基本线性化，将误差控制在要求的范围内[ 2 0 ]。根据多项式回归分析理论，选择通过多项式曲线拟合分析方法对传感器输出特性作数学描述。
曲线拟合采用n 次多项式逼近反非线性曲线[ 2 1 ]。多项式方程的各个系数由最小二乘法[ 4 6 ]确定。这不单纯是数学问题，还与所研究问题的运动规律及所得观测数据（m i，f i）有关。具体步骤如下：
（1）获得已知节点。对传感器及其调理电路进行静态试验标定，得到不同称重含量及其对应的输出频率的校准节点（m 1，f1 ），（m 2 ，f2），?，（m N，f N）。
（2）确定反非线性函数。假设反非线性特性拟合方程为
m(f)= a
3f3+ a
3
f3+ a
3
f3+a
o
=[( a
3
f+ a
2
)f+ a
1
]f+ a
（2-37）
123
)()( afafaafafafafm
01230123
采用三次多项式曲线拟合如果不符合仪器的精度要求，则需次数更高的多项式进行拟合。
（3）求解待定常数a0、a1、a2、a3。
根据最小二乘法确定待定常数a0、a1、a2、a3 的基本思想是，由多项式方程（2-34）确定的各个( ) i i m f 值，与各个点的标定值m i 之均方差应该最小，即
式（2-35）是待定常数a0、a1、a2、a3 的函数。为了求得函数( ) 0 1 2 3 F a ,a ,a ,a 最小值时的常数a0、a1、a2、a3，对函数分别求偏导并且令其为零。经过
计算，整理后得到矩阵方程：
2.4.2.2 传感器输出特性的标定
称重传感器的输入量是质量m，经调理，输出对应于m的频率f，由多项式回归模型( ) i i m f ，对传感器输出特性进行标定。
将由最小二乘法所求得的曲线拟合方程中常系数a0～a3 存入CPU，将已知的反非线性特性拟合方程（2-34）式写成下列形式
m(f)= a
3f3+ a
3
f3+ a
3
f3+a
o
=[( a
3
f+ a
2
)f+ a
1
]f+ a
（2-37）
为了求取对应有频率为f 的输入被测值m，每次只需将采样值f 代入（2-37）式中进行三次（b+a i）f 的循环运算，再加上常数a0 即可[ 2 1 ]。为保证运算精度，拟合多项式可采用浮点运算。
2.5 电容式称重传感器的温度影响及其补偿
2.5.1 电容式称重传感器的温度影响
环境温度的变化将改变电容式称重传感器的输出量与被测输入量的单值函数关系[ 6 ]，从而引入温度干扰误差，使仪器的测量精度降低。这种影响主要有以下两个方面：
（1）温度对结构尺寸的影响。当环境温度变化时，电容式传感器各
零部件的几何形状、尺寸发生变化，导致极距发生改变，更由于初始极
距取得很小，当各零件材料的线膨胀系数不匹配的情况下，因温度变化
可能导致极距较大的相对变化，从而产生很大的温度附加误差。
（2）温度对介质的影响。温度对介电常数的影响随介质不同而异。
介电常数的温度系数较大，其引入的温度误差也较大。
2.5.2 电容式称重传感器的温度补偿
温度变化可能造成传感器几何形状、电路工作性能以及介电常数的变化，因此，本文在2.2.3、2.2.5 节所述的材料、尺寸设计时，力求减少温度误差。
图2-4 电容称重传感器示意图
电容称重传感器各部分尺寸示意图如图2-4所示。设初始温度为t时，电容式传感器极距为
d = L ?a ?b （2-38）
式中，L 为初始温度时定极板至绝缘材料底部总的尺寸；a为绝缘材料的厚度；b 为动极板的厚度。
当温度从t 变化Δt 后，各段尺寸均要膨胀，设各零件材料的温度膨胀系数分别为a L、a a、a b，膨胀后极距为d t=L(1+)
tabaatad （2-39）
)1() ()1(
baLt
式中，C 为传感器在温度为t 时的电容量；C t 为传感器在温度为t＋Δt 时的电容量。
由式（2-39）、式（2-40）和式（2-41）可得
若消除温度误差，必须使e t＝0，则式（2-42）分子为零可实现温度补偿，
由此可见，温度误差与组成零件的几何尺寸大小及零件材料的膨胀系数大小有关[ 2 8 ]。因此，设计电容式称重传感器时，不仅需充分考虑前面所述的尺寸、材料、工艺设计原则，还需根据合理的极距d，及材料的线膨胀系数a L、a a、a b，适当的选择绝缘材料厚度a 和动极板厚度b，以满足温度补偿条件要求，减少温度附加误差。
鉴于温度对介质的影响，选择温度特性稳定的聚四氟乙烯避免较大的温度误差。
第3 章便携式电子秤电路设计
硬件电路是决定仪器性能的重要因素。便携式智能仪器的硬件设计以轻巧、简单、低功耗、低成本为原则，尽量采用集成化芯片，减小电路规模[ 5 6 ]。本章对便携式电子秤的电路设计进行介绍，并对几种主要单元电路分别进行详细论述。
仪器电路设计中，需注意以下几点：
（1）考虑到传感器的问题，在电路设计上，最大限度的降低对传感
器的精度要求[ 3 6 ,3 7 ]。
（2）设计的电路，在保证质量稳定的前提下，追求尽可能低的成本。
（3）尽量采用低功耗、微功耗集成化芯片，减小电路复杂性。
（4）充分兼顾三级电子秤的检定规程JJG555-96。目前，相当多的电子秤专用芯片或电路方案活跃在市场上，但其中绝大多数仅考虑电路部分的廉价问题，没有将电路与传感器作为一个系统来考虑；甚至有些厂家只求廉价，不惜降低质量标准，与国家取消杆秤的初衷不符。
3.1 便携式电子秤的构成
便携式电子秤硬件系统由电容式传感器、高稳定参考电容、定时器、数据选择器、单片机系统、键盘/开关、LCD 显示器等组成[ 3 8 ]。仪器硬件结构框图如图3-1 所示。
图3-1 仪器硬件结构框图
3.2 电源电路
为使仪器能按照要求正常工作，第一步设计，即精确、稳定的电源供给设计至关重要。便携式电子秤供电电源为1 节1.5V（AA）电池，经DC-DC 电源变换后成为各电路单元稳定的5V 供电电压。在设计上要求电源芯片技术指标满足电路要求、耗电省、安全性好、占空间小、重量轻、性能价格比高。
便携式电子秤电源设计选用MAX1676 芯片。
3.2.1 MAX1676
MAX1676 是美国MAXIM 公司生产的集低静态电流、高转换效率、超小型μMAX 封装、输出电压可调、噪声低于一身的新型升压型DC-DC转换器。MAX1676 可广泛应用于便携式设备、无绳电话、医疗器械等产品。
MAX1676 主要工作特点如下[ 2 5 ]：
（1）静态工作电流为16μA
（2）输出电流200mA 时，效率可达94%
（3）输出电压（V out）灵活：在2V~5.5V 可调，另有3.3V 或5V 的固定输出
（4）输入电压范围宽：0.7V~V out
（5）启动电压低：仅为0.9V
（6）带有逻辑控制的关断端，关断电流为0.1μA
（7）内部含有同步整流器
（8）可选择的峰值电流0.5A 和1A
（9）具有电池欠压检测能力
MAX1676 引脚功能如表3-1 所示。
MAX1676 主要控制特性为快速关断、峰值电流可调的PFM（脉冲频率调制）升压型DC-DC 转换器。该转换器结合了PFM 超低静态电流和PWM（脉冲宽度调制）的高输出电压、高转换效率的优点。
MAX1676 无内部振荡器，恒定的峰值电流的限制使得电路的电感电流能够在其限制值内连续变化，小负载时的开关频率由一对单向开关管决定，典型的最小关断时间为1μs，最大导通时间为4μs。而流过峰值电流的N-MOSFET 的开关频率则取决于电路负载的大小和输入电压值，其最高频率可达50kHz，内部N-MOSFET 的峰值电流为1A。
MAX1676 内含与输入端相接的P-MOSFET 衰减开关，能减小电流在电感内的震荡；器件内部的同步整流器取代了外部肖特基二极管，减小了电源的体积，
电子称设计方案
便携电子称的设计方案 电子秤的应用系统是由硬件和软件所组成。硬件指单片机、扩展的存储器、扩展的输入输出设备等部分；软件是各种工作程序的总称。硬件和软件只有紧密配合、协调一致，才能提高系统的性能价格比。从一开始设计硬件时，就应考虑相应软件的设计方法，而软件设计是根据硬件原理和系统的功能要求进行的。 一、基本要求： 1、电子秤称重范围：0~;重量误差不大于； 2、数码管显示或者液晶显示：所称物体重量 二、特色与创新： 使用单片机为控制核心，大大简化了系统的组成构造，且单片机可拓 展性强，可以很方便的对系统进行拓展和应用。 2、使用键盘输入数据，操作简单，方便。 3、中文液晶显示所称量的物品重量，数量，单价，金额和所有物品的总金额。 4、具有去皮功能。 5、当物品重量超过电子秤量程，即过载情况或者是物品重量小于A/D 转换器所能转换的最小精度，即欠量程的时候，具有超重报警功能。 三、设计原理及设计基本思路： 电子称重技术的基本原理：称重技术的根本任务是测量各种状态下物体重量。实质上是测量被称物体质量，我们知道，质量的测量是物体在重力场下的重力测量获得的，用公式W=mg,w 是物体的重量，g 是在重力场的重力加速度，m 是物体的质量。目前无论是利用杠杆的原理，还是利用弹性元件的弹力与被测物体的重力达到平衡来测量物体的质量，都没有离开两个必须的条件：一是重力场，二是静力平衡。随着现代传感技术的发展，人们已从传统的机械杠杆原理测量物体的质量，发展到现在的电子称重，即用传感器把重力信号转变成电信号，利用电子计算机技术，根据电信号同重力信号的数学模型，间接的求出物体的质量。 系统的基本设计思路：
电子称毕业设计开题报告
一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 1.前言 在我们生活中经常都需要测量物体的重量,于是就用到称重器,但是随着社会的进步,科学的发展, 我们对其要求操作方便,易于识别。随着计量技术和电子技术的发展,电子称重器向提高精度和降低成本方向发展的趋势对低成本, 高性能模拟信号处理器件需求的增加,通过近年来电子称产品的发展情况及国内外市场的需求,电子称总的发展趋势是小型化,模块化, 集成化,智能化。 2.国内研究动态 目前，电子称重器在商业销售中的使用已相当普遍[1]。国内从20世纪60年代中期开始研制和生产电子秤,初期为模拟式,20世纪80年代中后期发展成数字式,20世纪90年代末至21世纪初已研制开发出微机式产品。[2]近几年，我国的电子称重系统从最初的机电组合型发展到现在的全电子型和数字智能型，电子称重技术逐渐从静态称重到动态称重发展，从模拟测量到数字测量发展，从单参数测量到多参数测量发展[4]。总体来说,目前国内电子称重器的发展水平相当于发达国家20世纪90年代的水平，少数产品的技术已处于国际领先水平[5]。杨东海也在期刊《水利电力机械》中写到，电子秤现在已被社会所公认,它能完成一般机械秤所不能实现的计量问题，所以电子称的研究与开发越来越得到社会的重视[6]。目前，虽然我国在电子秤测量精度上，与外国产品一般相差1个数量级，但我国在电子秤研究方面也取得了很大成就。在《第九届称重技术研讨会》中，张书芳提出的门座式起重机动态电子秤，主要应用于大型动态称重系统中[7]。罗及红在《计算机测量与控制》一书中发表了以DSP处理器TMS320LF2407为信息处理核心的高精度电子秤的设计，电子秤的各项性能均优于国家标准《非自动秤通用检定规程JJG555-1996》规定的三级秤指标[8]。另外，国际电子秤产品已网络化，我国基本上处在起步阶段,如上海三积电子有限公司的唐令弟发表的《网络一体化的智能电子秤》一书中，说明了其设计，并申请了专利[9]。杨柯编写的《智能网络电子计价秤》也获得了专利，说明我得电子秤的网络化也在慢慢
基于单片机的电子秤的设计与实现(毕业论文)
第一章绪论 (1) 1.1研究目的和意义 (1) 1.2电子称重系统的应用领域 (1) 1.3主要工作以及论文结构 (1) 第二章系统方案论证与选型 (3) 2.1控制器部分 (3) 2.2数据采集部分 (4) 2.2.1 传感器的选择 (4) 2.2.2放大电路选择 (6) 2.2.3 A/D转换器的选择 (7) 2.2.4键盘处理部分方案论证 (8) 2.3显示电路部分的选择 (9) 2.4超量程报警部分选择 (9) 2.4.1 电源模块方案选型 (9) 第三章硬件电路设计 (10) 3.1AT89S52的最小系统电路 (10) 3.1.1单片机芯片AT89S52介绍 (10) 3.1.3 AT89S52的最小系统电路构成 (11) 3.2电源电路设计 (12) 3.3数据采集部分电路设计 (12) 3.6.1LED结构与原理 (14) 3.6.2动态显示LED显示器接口 (15) 3.4键盘电路与AT89S52单片机接口电路设计 (16) 键盘电路与AT89C51的接口电路设计 (16) 3.5报警电路的设计 (17) 第四章系统软件设计 (19) 4.1主程序设计 (19) 4.2子程序设计 (20) 4.2.1 A/D转换启动及数据读取程序设计 (20) 4.2.2显示子程序设计 (21) 4.2.3 键盘输入控制程序的设计 (21) 4.2.4报警子程序的设计 (22) 第五章总结 (23) 参考文献 (24) 附录1系统总图 (25)
第一章绪论 1.1 研究目的和意义 传统的机械秤有很多缺点，比如精度不高，结构复杂，易老化，成本高等。随着社会的发展，市场对秤的要求的越来越高，尤其是人体秤、厨房秤等各类便携式小型秤。电子秤与传统的机械秤相比有许多优越性，它用压力传感器取代机械秤的弹簧大大减小了秤的体积和制造难度，以LCD 或LED显示屏取代传统的刻度盘使外形更加美观，由于内部集成了单片机以及软件系统，电子秤还拥有传统机械秤无法比拟的智能性。他可以完成过载报警，总价计算，数据通信等众多功能。 目前市场上使用的称量工具，或者结构复杂，或者运行不可靠，且成本高，而且整体水平不高，部分小型企业质量差且技术薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，有针对性的开发出一套具有实用价值的电子秤系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善电子秤应用中的不足之处，具有现实意义。 1.2 电子称重系统的应用领域 电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。电子秤的应用领域主要分为工业计量和民用消费类。在工业计量应用领域有电子天平，珠宝秤，市场计价秤等；而民用秤主要有厨房秤，人体秤，便携式口袋秤等。工业计量应用对精度要求较高，而民用消费类的应用对精度的要求不高，但对秤的外观，智能性，便携性却有很高的要求。 1.3主要工作以及论文结构
现有便携秤的不足与新型便携式电子秤研究
质量论坛 48 质量监督·聪明消费 一、现有便携秤和电子秤的不足 现有的便携秤为杆秤或以弹簧压缩、拉伸变形来实现计量的弹簧秤，居民用户使用的基本是杆秤。这种在我国沿袭了两千多年的木杆秤，国家工商管理局与国家技术监督局早在1995年1月1日就已经颁布了禁止在全国城乡农贸市场、固定摊点使用杆秤的规定。弹簧秤制造工艺要求较高，弹簧的疲劳问题无法彻底解决，一旦超过弹簧弹性限度，弹簧秤就会产生很大误差，以至损坏，影响到称重的准确性和可靠性，只是一种暂时的代用品，也被列入逐渐取消的行列。近年来，农贸市场及其它商贸活动中被广泛使用的是弹簧度盘秤和台式电子计价秤。弹簧度盘秤允许使用于80年代末，具有构造简单、体积小巧和价格便宜等优点。作为4级秤，弹簧度盘秤在准确度、耐用性和防欺骗性等方面都优于杆秤，因而被广泛地应用于农贸市场。近年来，弹簧度盘秤的质量问题比较突出，几次监督抽查，产品的抽样合格率均在40%一60%之间。弹簧度盘秤产品的问题主要是计量精度严重超差，面示值不同步，产品强度低，寿命短。与弹簧度盘秤相比，台式电子计价秤具有反应灵敏、准确度高，功能齐全、显示直观、使用方便等特点，在商业贸易中的使用已相当普遍但又存在较大的局限性：体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。而且，目前台式电子秤行业混乱、无序状况也引起了国家有关部门的高度重视。现代社会的发展，对称重技术提出了更高的要求，尤其是微处理技术和传感技术的巨大进步，大大加速了这个进程。基于当前电子秤和便携秤的现状和不足，人们高度重视发展小型化的普及型的便携式电子秤，设计一种重量轻、携带方便、计量准确、读数直观、价格低廉的便携式电子秤（袖珍电子秤）已迫在眉睫。 二、便携式电子秤的称量原理 影响电子秤测量精度的因素较多。如寄生效应使传感器电容相对变化量大大降低，导致灵敏度显著下降；质量值与电容变化量不成比例，导致传感器输出的非线性；被测电容变化量小，而又要求灵敏度高时，噪声影响将很严重等。这些因素的存在，使电容传感器特性不稳定，且测量精度不高，严重时甚至无法工作。因此，保证测量精度除了采用上述材料、工艺、尺寸设计外，还需采用合适的电容量变化的测量方法。 （一）数字化测量原理。数字化测量首先是将传感器的电容量变为频率信号，即实现C－f转换。常用的C－f转换方法有LC振荡和RC振荡，线路结构简单，受电源等外界因素影响小，振荡频率稳定。鉴于仪器测量质量只须检测出电容传感器容量的变化量，因此，仪器拟通过555多谐振荡器将不易测量的电容变化量转换成易于测量的频率信号的变化量。仪器采用高稳定参考电容生成参考频率信号，消除系统误差，实现高精度测量。 （二）利用参考电容进行测量补偿。已知555输出脉冲的周期T为：T=ln2RC，若设K＝In2R，则T=kC，当c<100pF时， [摘 要] 目前，台式电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍，但存在较大的局限性：体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。现有的便携秤为杆秤或以弹簧压缩、拉伸变形来实现计量的弹簧秤，居民用户使用的是国家己经明令淘汰的杆秤。多年来，人们一直期待测量准确、携带方便、价格低廉的便携式电子秤投放市场。本文在分析现有便携秤和电子秤不足的基础上，尝试设计一种便携式电子秤。 [关键词] 便携秤；电子秤；设计 刘 茹 （扬州市计量测试技术研究所，江苏 扬州 225009） 现有便携秤的不足 与新型便携式电子秤研究
电子秤开题报告
毕业设计开题报告 课题名称：基于单片机的实用电子秤设计学生姓名： 班级： 指导教师： 所在系部： 专业名称： 2014年3 月12 日
说明 1．根据某学校《毕业设计(论文)工作管理规定》，学生必须撰写《毕业设计（论文）开题报告》，由指导教师签署意见、教研室审查，系教学主任批准后实施。 2．开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。 3．毕业设计开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。 4．本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，应不少于2000字，没有经过整理归纳，缺乏个人见解仅仅从网上下载材料拼凑而成的开题报告按不合格论。 5．开题报告检查原则上在第2～4周完成，各系完成毕业设计开题检查后，应写一份开题情况总结报告。 毕业设计(论文)开题报告
学生 姓名 学号专业 指导教 师姓名 职称所在系部 课题 来源 课题类型 课题 名称 基于单片机的实用电子秤的设计 毕业设计的内容和意义一、毕业设计的内容 本课题是设计一基于单片机控制的实用电子称，其测量量程1-10kg。 系统采用52单片机作为主控芯片用以实现称重、计算价格等主控功能；采用高精度电阻应变式压力传感器实现数据采集；采用电子秤专用模拟/数字（A/D）转换器芯片HX 711对传感器信号进行调理转换；采用4*4矩阵键盘进行人机交互；采用液晶屏显示称重重量、单价、总价等信息，此外设计的系统还具有超量程声光报警功能。 二、毕业设计意义 电子称是电子衡器的一种，是国家法定计量器具。电子秤是称重技术中的一种新型仪表，广泛应用于各种场合。电子秤与机械秤相比有体积小、重量轻、结构简单、价格低、实用价值强、维护方便等特点，可在各种环境工作，重量信号可远传，易于实现重量显示数字化，易于与计算机联网，实现生产过程自动化，提高劳动生产率。 本课题在设计过程中结合了传感器技术、电子技术、单片机控制技术与数码显示技术等相关课程知识，这对加深本专业课程内容的理解和提高实际动手能力有很大帮助，因此本课题具有良好的教学和实践应用前景。
单片机电子秤设计报告完整版样本
单片机电子秤设计报告 秤是一种在实际工作和生活中经常见到的测量器具。随着计量技术和电子技术的发展, 传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰, 电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。 和传统秤相比较, 电子秤利用新型传感器、高精度AD转换器件、单片机设计实现, 具有精度高、功能强等特点。本课题设计的电子秤具有基本称重、键盘输入、计算价格、显示、超重报警功能。该电子秤的测量范围为0-10Kg, 测量精度达到5g, 有高精度, 低成本, 易携带的特点。电子秤采用液晶显示汉字和测量记过, 比传统秤具有更高的准确性和直观性。另外, 该电子秤电路简单, 使用寿命长, 应用范围广, 能够应用于商场、超市、家庭等场所, 成为人们日常生活中不可少的必须品。 一、功能描述 1、采用高精度电阻应变式压力传感器, 测量量程0-10kg, 测量精度可达5g。 2、采用电子秤专用模拟/数字( A/D) 转换器芯片hx711对传感器信号进行调理转换, HX711 采用了海芯科技集成电路专利技术, 是一款专为高精度电子秤而设计的24 位A/D 转换器芯片。 3、采用STC89C52单片机作为主控芯片, 实现称重、计算
价格等主控功能。 4、采用128*64汉字液晶屏显示称重重量、单价、总价等信息。 5、采用4*4矩阵键盘进行人机交互, 键盘容量大, 操作便捷。 6、具有超量程报警功能, 能够经过蜂鸣器和LED灯报警。 7、系统经过USB电源供电, 单片机程序也可经过USB线串行下载。 二、硬件设计 1、硬件方案 单片机电子秤硬件方案如图1所示: 图1 单片机电子秤硬件方案
称重传感器制作的便携式电子手提秤
称重传感器制作的便携式电子手提秤 这里介绍的便携式电子手提秤具有称重精度高、简单实用、携带方便、成本低等特点，很适合家庭购物使用。 工作原理 本装置由称重传感器、放大电路、A/D转换和液晶显示电路四部分组成，电路如图所示。图中E为9V叠层电池，R1~R4为称重传感器的4片电阻应变片，R5、R6与RPI组成零件调整电路，当载荷为零时，调节RPI使液晶显示屏显示零。IC1、IC2为双运放集成电路LM358中的两个单元电路。A1、A2组成了一个对称的同相放大器，A／D转换器采用了7106双积分型A／D转换器。液晶显示屏采用3-1/2液晶显示片。根据手提秤的特点，传感器应该选用S型称重传感器，但是S型称重传感器成品的价格较高，为了降低成本，可用半成品CHBL3型双孔悬臂梁称重传感器进行改制。CHBL3型传感器以双孔悬臂梁作为弹性体，弹性体上贴四片箔式电阻应变片R1~R4。小量程称重传感器常采用双孔悬臂梁传感器，它的结构和接线如图所示。 如果载荷P安放在秤盘上，载荷P简化为作用在弹性元件端部的一个力偶M，如图所示。这种传感器的特点是载荷P准S型传感器安放在任何位置都不影响输出值。根据这一特点，我们只要稍作修改就可以制成一个准S型传感器，修改后的结构如图所示。从图中可以看出，重力P的中心在中线上，这样S型传感器安放在手提秤的外壳中，重力P的中心也在外壳的铅垂中心线上。改装后的准S型传感器的电桥输出电压为V0。放大电路与7106的连接图如图所示，A1和A2组成对称型同相放大电路，输入电阻很高。由于结构对称，在输出端它们的温度漂移被相互抵消。
A／D转换器7106是一个双积分型的A／D转换器。该转换器精度高，它带有输出译码器，可直接驱动液晶显示器。7106与液晶显示器被设计成一个量程为200mV的电压表。便携式电子手提秤的量程为skg，称重传感器在5kg时的输出约为4.6mV。图为A／D转换与液晶显示驱动的原理图。 目前，台式电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍，但存在较大的局限性：体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。现有的便携秤为杆秤或以弹簧、拉伸变形来实现计量的弹簧秤，居民用户使用的基本是杆秤。弹簧盘秤制造工艺要求较高，弹簧的疲劳问题无法彻底解决，一旦超过弹簧弹性限度，弹簧秤就会产生很大误差，以至损坏，影响到称重的准确性和可靠性，只是一种暂时的代用品，也被列入逐渐取消的行列。多年来，人们一直期待测量准确、携带方便、价格低廉的便携式电子秤（袖珍电子秤）投放市场。 基于电子秤的现状，本项目拟研究一种用单片机控制的高精度智能电子秤设计方案。这种高精度智能电子秤体积小、计量准确、携带方便，集质量称量功能与价格计算功能于一体，能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。 本项目研究的便携式电子秤主要技术指标为：称量范围0～15kg；分度值0.01kg；精度等级Ⅲ级；电源DC1.5V（一节5号电池供电）。主要功能有自检、去皮、计价、累计、单价设定、计量单位选择、过载报警和弱电压指示等。仪器若不进行称量操作，5分钟后自动进入休眠模式，降低电源消耗。 仪器的测量原理 本文采用电容传感器进行称重，有别于目前市场上使用的应变式称重传感器。应变式称重传感器设计成本很高，难以普及，而电容传感器具有结构简单、灵敏度高、动态特性好、无接触测量、分辨力强、适应性强和抗干扰力强等优点，最大特点是价格便宜，但它的主要缺点是电容量一般很小，仅几十至几百皮法，甚至只有几个皮法，环境变化将影响电容量发生变化，因而应用受到一定程度的限制。在电子称重技术的应用中，可将电子线路紧靠传感器的极板以减小电缆分布电容的影响，利用微处理技术对电容式传感器的温度特性和非线性特性进行补偿。本文采用变极距式电容传感器，它由一对距离可变的平行极板构成。两板以弹性元件相连，当向一活动板施加拉力时，两极板距离发生变化，从而改变了平板电容器的电容量。经电容-频率转换电路后，电路输出频率与电容成正比。被测物重量与电容量改变成正比，频率的改变即频
基于PIC16F877A智能电子秤的设计
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊目录 第1章前言 (1) 1.1 选题的背景和意义 (1) 1.2 国内外电子秤发展及成果 (2) 1.3 研究现状 (3) 1.3.1 影响因素 (3) 1.3.2 产品质量 (3) 1.3.3 发展方向 (4) 1.3.4 电子秤的智能化 (4) 1.4 电子秤设计的任务及要求 (4) 第2章系统方案设计与论证 (6) 2.1 系统方案的设计思路 (6) 2.2 系统方案设计 (6) 2.3 系统方案比较与论证 (6) 2.3.1 单片机的选型 (6) 2.3.2 称重传感器选型 (10) 2.3.3 放大部分选型 (14) 2.3.4 A/D转换器选型 (15) 2.3.5 显示模块选型 (17) 2.3.6 键盘输入选型 (19) 2.3.7 语音芯片选型 (19) 第3章系统硬件设计 (21) 3.1 基于PIC16F877A的主控电路 (21) 3.1.1 PIC16F877A简介 (21) 3.1.2 PIC16F877A引脚介绍 (21) 3.1.3 主控电路设计 (23) 3.2 称重部分 (23) 3.2.1 GF-7桥型称重器简介 (23) 3.2.2 工作原理 (24) 3.2.3 硬件电路 (24) 3.3 测身高部分 (25) 3.3.1 超声波测距原理 (25) 3.3.2 测身高硬件电路设计 (25)
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 3.4 显示部分 (27) 3.5 语音播报部分 (28) 3.6 键盘部分 (29) 3.7 报警电路 (30) 3.8 电源电路 (30) 3.9 硬件低功耗设计 (30) 3.9.1 低功耗元器件选择 (31) 3.9.2 低功耗电路设计 (31) 第4章软件设计 (32) 4.1 称重部分软件设计 (32) 4.2 测身高部分软件设计 (33) 第5章结论 (37) 致谢 (38) 参考文献 (39)
单片机电子秤开题报告
太原理工大学信息工程学院 本科毕业设计（论文）开题报告 毕业设计(论文)题目 多功能电子计价秤的设计 学生姓名王静导师姓名李晓林 专业自动化 报告日期2011年3月班级0704 指导教 师意见 签字年月日 专业(教 研室)主 任意见 年月日系主任 意见 年月日
1. 国内外研究现状及课题意义 1.1 研究现状 20世纪前期，我国的衡器制造业主要以杠杆原理的机械式为主，20世纪后期，我国的衡器不断的发展，由过去的全机械式进入机电结合式，在几十年的发展和完善中，发展到现在的全电子型和数字智能型。我国电子衡器的技术装备和检测试验手段基本达到国际90年代中期的水平。电子衡器制造技术及应用得到了新发展。电子称重技术从静态称重向动态称重发展：计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点已从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。但就总体而言，我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。 众所周知，传统的量具是杆秤或盘秤，20世纪70年代开始出现了电子称。早期的电子秤多通过模拟电路实现，随着电子技术的不断发展．数字芯片的价格逐渐下降，模拟控制已逐步被数字控制所替代，电子秤的设计模式也大都以微处理器为核心，使精度和可靠性都有了明显提高。因为小型商用电子秤运算不太复杂，所以用8位微处理器足可满足要求。 电子称重系统必须将多只传感器的输出进行和算，才能得到完整准确的称重结果。从20世纪70年代的模拟串联和算到80年代的模拟并联和算，和算技术的发展大幅度降低了电子秤的成本，提高了可靠性和稳定性。但是，模拟并联和算也存在不足：如对传感器的一致性要求较高、无法对单个传感器进行检测、电子秤四角偏差调试复杂等。目前，解决上述问题的最好方法是采用数字和算或数模混合和算。由于信号放大器成本的不断下降以及A/D转换器性能的大幅度提高，数字和算无论在技术上还是在经济上都进入了实用阶段。 通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。在称重传感器方面,国外电子秤产品的品种和结构又有创新,技术功能和应用范围不断扩大,成果举例如下:美国Revere公司研制出PUS型具有大气压力补偿功能的拉压两用的称重传感器,用于高准确度检验平台,称重平台,准确度
便携式电子称的设计实现
便携式电子称的设计实现 姓名：刘妍玉 学号：2010082405 指导老师：张文旭 2013/5/23
一、引言 便携式电子秤具有简单实用，测量准确和价格便宜等优点，适合家庭购物使用。其电路构成主要有测量电路，差动放大电路，A/D转换，LED显示电路（如图1所示）。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，广泛应用于电子秤以及各种新型结构的测量装置。而差动放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，再把数字信号输送到显示电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。 二、课题任务与要求 1.设计题目：便携式电子秤的设计实现 2.任务与要求： 1）设计一个LED数码显示的便携式电子称。 2）采用电阻应变式传感器。 3）称重范围0~2kg。 4）测量精度：不低于20g。 三、系统概述 1.设计方案： 1）基于单片机的便携式电子称。 ①.系统框图 图1 ②. 系统设计思路 系统由5个部分组成：控制器部分、测量部分、数据显示部分、键盘部分、和电路电源部分，系统设计总体方案框图如图1所示。测量部分是利用称重传感
器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设计为电压信号），而后经处理电路（如滤波电路，差动放大电路，）处理后，送单片机中的A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出，控制器接受来自A/D转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数宁信号转换为物体的实际重量信号，并将其送到显示单元中。 ③优、缺点分析： a.优点：这是一种基于STC12C5A60S2单片机的数字电子秤的设计，充分发挥了 STC单片机的强大的控制能力，通过称重传感器和16位的AD7705转换器实现了对重量的高精度测量，具有成本低、稳定性强、电路简单等特点。系统在电子秤的实际应用中得到了满意的效果。 b.缺点：系统的组成模块相对较多,在进行系统调试时可能会出现较多问题，也 提高了系统的成本,不适合仅仅只在日常生活中使用。 ２）设计方案二。 ①.系统框图： 图2 ②. 系统设计思路 压力传感器实现压电转换，将压力转换为电信号。经过高精度差动放大器放大后。输入给模数转换器，转化为数字信号，由该数字信号控制编码器的编码，从而控制数码管显示。 ③优、缺点分析： a. 优点：每个模块的功能单一，且没有复杂的编程问题。在整个系统进行调试时，可以比较方便的对每个模块进行测试，能够迅速找到出现问题的模块。比较容易制作。 b.缺点：使用的芯片较多，信号的噪声较大，且数码管与编码器的电路比较繁 杂，在实际焊接中容易出现问题。 3）设计方案三 ①.系统框图： 图3 ②. 系统设计思路：
便携式电子秤的设计毕业设计
目录 1 绪论 (1) 2系统总体设计 (2) 2.1系统方案设计 (2) 2.2设计方案框图 (2) 3硬件部分 (3) 3.1方案论证 (3) 3.1.1数据传输方案 (3) 3.1.2主控芯片选型 (4) 3.1.3电机驱动选型 (6) 3.1.4总体设计方案 (7) 3.2系统硬件设计选型 (7) 3.2.1W I F I模块选型和制作 (7) 3.2.2主控芯片选型 (11) 3.2.3电机驱动板 (13) 3.2.4摄像头及舵机组 (17) 3.2.5液晶显示屏 (18) 3.2.6照明系统 (18) 3.2.7传感器选型 (18) 4软件部分 (19) 4.1程序设计思路 (19) 4.2程序设计框图 (20) 结论 (21)
参考文献 (22) 致谢 (22) 附件1：原理图 (24) 附件2：程控电机驱动板原理图 (25) 附件3：程控电机驱动板PCB图 (26) 附件4：源程序清单 (27) 附件5：作品实物图 (32)
第1页 1绪论 质量是测量领域中的一个重要参数,称重技术自古以来就被人们所重视。公元前，人们为了对货物交换量进行估计，起初采用木材或陶土制作的容器对交换物进行计量，以后，又采用简单的秤来测定质量，据考证，世界上最古老的计量器具出土于中东和埃及，最古老的衡器和砝码出自于埃及。秤是最普遍、最普及的计量设备，电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。低成本、高智能化的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。 本章简述称重技术和衡器的发展过程，论述提出新型便携式电子秤的意义，介绍项目研究背景、关键技术等。
2 系统总体设计 2.1 系统方案设计 火场探测小车采用IAP15F2K61S2单片机为控制核心，通过WiFi与PC机客户端通信。小车上安装摄像头、温度传感器、火焰传感器、烟雾传感器等，主控芯片采集各个传感器的数据显示在液晶屏上并通过WiFi 回传给PC机客户端；PC机客户端通过WiFi对小车发送指令，当小车接收到相应的指令后，控制电机驱动模块驱动电机及其其他设备。电机驱动模块采用自行设计的程控电机驱动板，这样可以更加方便的对小车进行控制，减轻主控芯片的压力，让主控芯片专注于与PC机客户端的数据传输和处理。 2.2 设计方案框图
数字电子秤设计开题报告
论文题目数字电子秤设计 一、选题背景和意义 称重技术自古以来就被人们重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活息息相关。随着科技、经济的发展，电子秤在日常生活中的适用范围越来越广，成为日常生活中常用的电子衡器，广泛应用于超市，大中型商场，物流配送中心。电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。相比传统的机械式称量工具，电子秤具有称量精度高，装机体积小，应用范围广，易于操作使用等优点。在外形布局，工作原理，结构和材料上都是全新的计量衡器。实际上电子秤的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂，由粗糙到精密，由机械到机电结合再到电子化的过程。随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子秤的发展奠定了基础，如美国，西欧等一些国家在20世纪60年代就出现了0.1%称量准确度的电子秤，并在70年代中期约对75%的机械秤进行了机电结合式的电子化改造。电子秤的设计首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前段信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。本次要求设计的电子秤有具体的称重范围，且具有自动换挡功能，精确度为1%。目前这样的电子秤具备最简单的称重功能，操作非常简便。
二、国内外研究现状、发展动态 近几年，我国的电子称重系统从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。电子称重技术逐渐从静态称重向动态称重发展，从模拟测量向数字测量发展，从单参数测量向多参数测量发展。电子称重系统制造技术及其应用得到了新的发展。国内电子称重技术基本达到国际上20实际90年代中期的水平，少数产品的技术已处于国际领先水平。国内的电子秤市场中，100g左右量程的电子秤精度一般为0．0lg，即10mg。在国际上，一些发达国家在电子称重方面，从技术水平、品种和规模等方面都达到了较高的水平。特别是在准确度和可靠性等方面有了很大的提高。其中梅特勒．托利多公司生产的BBK4系列高精度电子秤精度达到了lmg，速度大约为1次／秒。 在研究方法上，电子称重系统的工作原理一般是将作用在承载器上的质量或力的大小，通过压力传感器转换为电信号，并通过控制电路来处理该电信号。其中压力传感器大多数采用电阻应变片压力传感器，由于应变片的体积较小，市场上有多种规格可供选择，而且可以针对弹性敏感元件的形式可以灵活设计来适应各种应用场合的要求，所以应变片式压力传感器得到广泛的应用。但是电阻应变片压力传感器的一个严重缺陷是应变灵敏度、应变片本身的电阻都随温度变化，而且灵敏度随温度变化较大。在不同的环境中，应变片的阻值发生变化，输出零点漂移明显。并且应变片的输出信号很小、线性范围窄，而且动态响应较差，有待进一步开发。 三、研究的内容及可行性分析 1.设计思路 应变式称重传感器是将电阻的变化转化为电压变化，但电阻因受力变化很小，使传感器输出的信号较小，需要先进行放大处理，并且输出的信号是电压量，为模拟信号，而单片机能处理的信号是数字信号，因此需先将信号进行模数转换再输入单片机中进行处理并控制LCD显示其重量. 2.方案论证与比较 （一）控制部分的方案论证与选择 方案一：采用89S52作为控制核心。51单片机具有主频12M,三十二个I/O引 脚，8K flash程序存储空间，256 byte RAM , 三个定时、计数器，五个中断源， 且价格低廉，C语言程序编写容易，控制方便。 方案二：采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。FPGA可以实现 各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高。由于其集成度高，使其成本偏高，同时其 芯片引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。
电子秤的设计与制作
《基于Lab View的电子秤设计》 课设报告书 学院：机电学院 学号： 姓名： 同组人： 指导老师： 提交日期：2017 年 6 月12 日
目录 一、概述 (1) 二、功能需求分析 (1) 三、系统设计 (1) 四、技术实现 (12) 五、课程设计问题及解决方法 (13) 六、心得体会 (13)
一、概述 电阻应变片是基于应变效应制作的，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化。可直接作为测量传感元件，将电阻应变片接成电桥形式，当钢梁受到外力产生形变时，电桥内各电阻值将发生变化，产生相应的不平衡输出。 本次课程设计的目的，是掌握传感器的组成和基本原理、基本概念和分析方法、并具备构造、调试和工程设计传感器的能力。了解labview软件的使用方法，并利用软件构建信号分析程序和前面板。 二、功能需求分析 （1）量程0～1.5Kg，应变式传感器的结构设计； （2）电路设计，差分放大电路； （3）程序设计，包括信号处理程序和前面板。 三、系统设计 其电路构成主要有测量电路，差动放大电路。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，广泛应用于电子秤以及各种新型结构的测量装置。而差动放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足NI数据采集卡的输入要求，将信号输入进电脑进行进一步分析。 原理流程图如下： 1、测量电路 电阻应变式传感器简称电阻应变计。当将电阻应变计用特殊胶剂粘在被测构件的表面上时，则敏感元件将随构件一起变形，其电阻值也随之变化，而电阻的变化与构件的变形保持一定的线性关系，进而通过相应的二次仪表系统即可测得构件的变形。通过应变计在构件上的不同粘贴方式及电路的不同联接，即可测得重力、变形、扭矩等机械参数
电子秤的设计与实现
电子秤的设计与实现 一.研究的目的和意义 随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。 传统的机械秤有很多缺点，比如精度不高，结构复杂，易老化，成本高等。随着社会的发展，市场对秤的要求的越来越高，尤其是人体秤、厨房秤等各类便携式小型秤。电子秤与传统的机械秤相比有许多优越性，它用压力传感器取代机械秤的弹簧大大减小了秤的体积和制造难度，以LCD或LED显示屏取代传统的刻度盘使外形更加美观，由于内部集成了单片机以及软件系统，电子秤还拥有传统机械秤无法比拟的智能性。他可以完成过载报警，总价计算，数据通信等众多功能。 目前市场上使用的称量工具，或者结构复杂，或者运行不可靠，且成本高，而且整体水平不高，部分小型企业质量差且技术薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，有针对性的开发出一套具有实用价值的电子秤系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善电子秤应用中的不足之处，具有现实意义。 二.设计原理 1.电子秤的原理就是利用压力传感器采集因压力变化产生的电压信号，经过电压放大电路放大，然后再经过A\D模数转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机。单片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的重量及总额，然后再显示出来。此外，还可通过键盘设定所称物品的价格。
2. 原理仿真设计电路图 图1 3.程序框图 （1）主程序设计 图2 主程序设计
便携式电子称的设计实现报告
便携式电子称的设计实现 姓名： 学号： 指导老师： 2013.4.30 哈尔滨工程大学
一、课题任务与要求 1.设计题目：便携式电子秤的设计实现 2.任务与要求： 1）设计一个LED数码显示的便携式电子称。 2）采用电阻应变式传感器。 3）称重范围2KG。 二、系统概述 1.设计方案： 1）基于单片机的便携式电子称。 ①.系统框图 ②.系统设计思路、工作原理及单片机程序流图 称重传感器根据压力的变化提供相应的线性变化的电信号，该电信号经过高精度差动放大器放大。输入给双积分型模数转换器。转化为数字信号，数字信号可直接由单片机以串行方式读入。 单片机选用STC89C51型单片机，P0口定义为输出口，其中P0.0~P0.6输出要显示数据的段码。P1口中的P1.0~P1.3也定义为输出，显示输出数据的位码。显示器用动态扫描。 单片机程序框图如下：
③该设计的优劣： a.优点：该系统采用了单片机作为显示模块的驱动电路，具有较好的系统扩展性，在显示压力的同时，还可以通过单片机的其他管脚输出信号以达到的功能的扩展。例如，在平时日常使用外，也可以作为工程应用中显示及反馈模块，通过对压力测量进行阈值的设定，来判定是否对系统的输入进行修正。 b.缺点：
系统的组成模块相对较多，在进行系统调试时可能会出现较多问题，也提高了系统的成本。并且单片机的编程时将会需要大量的时间，对系统的标定比较困难。不适合仅仅应用为日常生活。 2）设计方案二 ①.系统框图： ②. 系统设计思路、工作原理 压力传感器实现压电转换，将压力转换为电信号。经过高精度差动放大器放大后。输入给模数转换器，转化为数字信号，由该数字信号控制编码器的编码，从而控制数码管显示。 ③该设计的优劣： a.优点：每个模块的功能单一，且没有复杂的编程问题。在整个系 统进行调试时，可以比较方便的对每个模块进行测试，能够迅速找到出现问题的模块。比较容易制作。 b.缺点：使用的芯片较多，信号的噪声较大，且数码管与编码器的 电路比较繁杂，在实际焊接中容易出现问题。
手提电子秤的设计与实现
郑州轻工业学院 传感器及应用系统课程设计说明书手提电子秤电路设计 姓名： 专业班级： 学号： 指导老师： 时间：
郑州轻工业学院 课程设计任务书 题目手提电子秤电路设计 专业、班级学号姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等： 一、设计内容： （1）整体电路设计（画出电路组成框图）； （2）信号检测电路设计； （3）信号放大电路设计，电路参数选取、数据计算； （4）Ａ / Ｄ转换电路设计； （5）显示电路设计。 二、设计要求： （1）采用电阻应变式传感器组成测量电桥； （2）电路组成：测量电桥、运算放大电路、Ａ / Ｄ转换、显示电路；（3）称重范围为：2～５kg； （4）假设在实验装置上进行模拟实验，测量出需经实验确定的参数或系数；（5）写出5000字左右的工作原理说明，附系统图一张。 三、主要参考资料： 完成期限：2012年 6月11 日－2012年 6月15日 指导教师签章： 专业负责人签章： 2012年 6 月 8 日
手提电子秤电路设计 电子信息工程级班指导老师： 摘要：本文在查阅、分析了现有的几种不同的测量原理分析了电阻应变式传感器，并对基于电阻应变式传感器的手提电子秤电路进行了深入探讨和研究。该系统分为称重传感器模块、放大电路模块、AD转换模块、单片机控制模块和显示模块。经过分析，最终确定了采用S型称重传感器来设计手提电子秤电路。在硬件电路中，详细的阐释了各个模块的实现原理，分析了以AT89S52单片机为主控单元的系统硬件和软件设计，并对该系统进行误差分析，使我们对于系统的各种性能有了进一步认识。 分析和仿真效果显示，该系统对量程以内的物品称量达到了精度，其主要技术指标达到了系统设计要求。 关键词：S型称重传感器；放大电路；AD转换；称重
新型便携式电子秤研究
新型便携式电子称的设计 摘要 现代社会的发展，对称重技术提出了更高的要求。目前，台式电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍，但存在较大的局限性：体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。现有的便携秤为杆秤或以弹簧压缩、拉伸变形来实现计量的弹簧秤，居民用户使用的是国家已经明令淘汰的杆秤。多年来，人们一直期待测量准确、携带方便、价格低廉的便携式电子秤投放市场。 本文设计了一种便携式电子秤，论述了仪器的工作原理，介绍了仪器的误差来源与误差分配，给出了仪器电路设计与软件流程，探讨了仪器的工程设计技术。针对电容式称重传感器非线性影响大的问题，提出并建立了电容式称重传感器的非线性影响模型与校正模型，为便携式电子秤的低成本准确称量奠定了理论基础。 便携式电子秤主要由电源、称重传感器、单片机、键盘/开关、LCD显示器等部分构成。主要技术指标为：称量范围0～10kg；分度值0.01kg；精度等级Ⅲ级；电源DC 1.5V。仪器的技术指标参考了目前国内市场上使用最多、国内外产量最大的电子衡器的技术指标，其合理性无疑加大了产品投放市场后的竞争能力。仪器主要功能有自检、去皮、计价、累计、单价设定、过载报警和欠压提示等。仪器若不进行称量操作，5 分钟后自动进入休眠模式，降低电源消耗。 新型便携式电子秤体积小、计量准确、携带方便、操作简单、称量速度快，并集质量称量功能与价格计算功能于一体，能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求，具有广阔的应用前景。 关键词：便携式电子秤；电容式称重传感器；非线性校正；PIC16F877单片机；误差分配；工程设计 Abstract The development of the modern society has put forward higher request on weighing technology. The desk-top electronic scales have been great application in commercial trade, but they have many shortcomings such as large volume, high cost, AC supply power and not covenience to carry, so they are restricted to use. The usual portable scales are lever scales which are mostly used by residents, and spring balance which measure through compression or drawing of spring. They are being rejected for their big measuring errors. People have been expecting cheap portable electronic scales which can measure accurately and be carried conveniently for many years. This thesis designs new-type portable electronic scales. It discusses the instrumental working principle, and introduces its error sources and how to distribute the error. And, the instrumental circuit, software-flow-chart and engineering designing technology are presented. Because capacitance weighing sensor is of bad non-linearity, the author put forward and set up a maths model to revise non-linearity, which establishes the theory basis for the instrument to measure accurately and be low-cost. The portable electronic scales consist of power, weighing sensor,