便携式电子秤的研制

目前,市场上常见的杆式秤和弹簧秤等计量器具已逐步被淘汰 .因而,具有商用价值的便携式电子秤的研制受到了人们的高度重视.鉴此,提出了高性能、低成本的普及型电子秤的全电子线路设计方案 .介绍了信号处理电路的设计思路,给出了具体的硬件设计框图,详述了称重计量的关键部件———称重传感器中弹性体的具体设计方法.此种方法较好地解决了电路设计中的关键问题,如电源的处理、提高测量精度等。引言科学技术的发展,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步,大大加速了这个进程.目前,电子秤在商业销售中的使用已相当普遍,但在市场上广泛使用的各式电子秤还有很大的局限性 这些电子秤体积大、成本高,需要工频交流电源供电,且又不能随身携带.市场上流行的便携秤大都采用杆式秤或以弹簧压缩、拉伸变形来实现计量的弹簧秤等,计量误差较大,一旦超过弹簧弹性限度, 就会产生很大误差, 以至损坏.杆式秤则是目前就要淘汰的计量器械.因此,一种小型化的、能够在未来取代杆秤和弹簧秤的普及型电子秤的发展受到了人们的高度重视,设计一种重量轻、携带方便、计量准确、读数直观的民用电子秤迫在眉睫.本设计产品为全电子线路,充分兼顾各式电子秤的优点,且小巧便携 、计量误差小(1 %)、工作可靠 、价格低廉,在民用市场上有着良好的使用前景 .1系统原理便携式电子秤系统如 1所示.它由传感器、放大器、量程转换电路、A/D 转换和显示器、电源电路等构成.由电阻应变片组成的传感元件,其微弱的称重信号,经高精度的差分放大,分两档(0～2kg,2 ～ 10 kg)的量程自动转换,A/D 转换器将放大后称重模拟信号转换成数字量提供给液晶显示屏(LCD)显示,电源处理电路将电池电压变换成各单元电路所需的不同等级电源电压.2称重传感器的选用及设计在电子秤系统中,传感器是Zui关键的部件,也是电子秤设计中Zui难处理的环节,其性能的好坏直接决定了电子秤的精度.小量程称重传感器的结构、型式及种类较多.为了

使称重传感器具有良好的线性、较高的输入灵敏度及较强的抗侧向载荷能力, 我们采用了双孔平行梁 式荷 重传 感器(图2).选用国产硬铝合金 LY12作为弹性体材料,因为这种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W大,弹性模量小 (约为钢的 1/3),是制造小量程称重及测力传感器较为理想的材料 .传感器的工作原理是:当传感器受外载荷p作用时,弹性体的上下平行梁产生弹性变形,粘贴在平行梁上的4片电阻应变片R1～ R4组成的电桥输出电压就会产生与外载荷p成线性变化的增量,即可知外载荷p的大小.传感器弹性元件的尺寸根据Zui大量程而定, 主要是确定检测点(应力峰)截面厚度h1,从而确定开孔形式和尺寸.传感器灵敏度一般要求在(1 .5 ～ 2)mV/V范围,全桥输出电压U0为3 放大电路设计中几个问题的处理(1)电源:本电子秤取 2 节 5 号锌锰普通干电池 (3 V)或可充电电池 (2 .4 V)供电 .对于各电路来说此供电电压等级是远远不够的 , 因此要选用开关型升压稳压集成块 T L499A进行电源变换(图 3).TL499A 输出稳压电压的范围可达2 .9 ～ 30 V 、 输出电流 100 mA , 所需输入电压范围1 .1 ～ 10V .TL499A 将电池电压提高到 15 V , 再通过运算放大器得到 ±7 .5 V 的对称电压输出.(2)减小等效失调电压对测量准确度的影响 :桥路所输出的信号为叠加在高共模电压下的直流微弱信号, 首先应保证桥路得到高稳定度的电源, 桥路采用的恒流电路供电如图 4 所示.由A1 、R5 、R6 、RI构成恒流源电路,为桥路提供高稳定度的电源电路 .R1 -R4 电阻应变片构成检测力的电桥 ,由于受力的作用使弹性体产生变形,而使应变片阻值发生相应变化, 从而桥输出微弱的与弹性体受力成正比的信号电压.RP 为调零电位器,调整桥路输出零点.A2 -A5 与外围元件构成差分放大器 .该电路具有输入阻抗(300 ～ 500M Ψ)高、共模抑制比 (110DB)高 .输入失调电压 (20 μV)和失调电压温漂(0 .25 -10 μV/ ℃)小的特点,为桥路放大器较为理想的放大电路形式 .电路分成两级, 第一级由A2、A3 构成 ,以提高放大电路输入阻抗, 第二级由A4、A5 构成差分放大,要求 A4 的外接电阻严格匹配, 同时较低的增益可以保证电路有较小的失调电压,RW为放大器的增益调整.(3)量程转换的实现 .该电子称的称量分两个量,第一量程0～2kg,第二量程2～10kg,量程由电路自动转换[ 4] (图 5).A/D 转换与显示电路由集成块ICL7106完成,量程转换可通过改变7106 的基准电压 VREF实现.由差动式放大器输出的称重信号经组成的比较电路比较,当称重量在 0 -1999g范围 ,信号较小 , 比较器不动作,由 RP1调整的基准电压通过模拟开关SW1,加至 7106 的 VREF端 ;当称重量大于 1 999g时,比较器A6翻转,由 RP2得到的基准电压信号经模拟开关 SW2 送到 7106 ;同时A6的输出控制LCD显示器的小数点点亮位置 。结论 该秤的一些性能特点还有某些不尽人意之处。其一是价格偏高,经核算成本价在120元左右 ;再者其线性度误差偏高;功能尚欠缺,如去皮功能、计算功能等.这些都需在以后的电路改进中加以解决.由于电子称体积小巧、便于携带,如能进一步降低成本, 在民用市场上将有着良好的使用前景.