悬臂梁式称重传感器的方案论证

　　针对电子秤悬臂梁材质、称重方式及功能单一的问题，提出了单片机为控制器，利用钢质悬臂梁上粘贴电阻 应变片作为称重传感器，结合矩阵键盘电路、LCD显示电路、A/D转换电路及语音播报电路等实现钢制悬臂梁悬挂式电子秤的设计。具备5. 00〜500 g重量的测量功能，当重量小于50 g时,称重误差小于0. 5 g，重量在50 g以上时，称 重误差小于1 g;具备单价设置功能并结合重量实现金额的累加;具备去皮功能及语音播报功能。整个系统采用蓄电 池供电，增加了系统的便携性和可重复利用性。实验证明，该系统集测量精度高、显示直观及工作性能稳定等优点，对 应用于各种场合的高精度悬臂梁式电子秤的改进有一定的指导意义。

　　1.引 言

　　传统的悬臂梁式电子秤主要以托盘式为主,在悬臂梁 上粘贴电阻式应变片构成称重传感器，利用传感器的形变 将质量转换为可测量的电信号。其悬臂梁组成材质主要为 铝合金的称重传感器,适用于电子计价秤、平台秤、案秤等以钢为材料的悬臂梁传感器适用于电子皮带秤、分选 秤。而以钢为悬臂梁材料设计的悬挂式高精度电子计 价秤则较少。本设计以单片机为控制器，以全桥为应变片 的粘贴形式，通过软硬设计及实物调试，实现了钢制悬臂梁悬挂式电子秤的设计，突破了传统 电子秤的悬臂梁材质和称重物体的放置形式，在兼具精度 的同时拓展了更多人性化功能，有着较为广泛的应用前景。

　　2.方案论证

　　2.1方案1

　　采用超低功耗MSP430系列单片机为控制器，利用仪 表放大器INA333放大信号的同时提高系统的共模抑制 比，利用24位高精度A/D转换器ADS1256将电压信号转 换为数字信号经单片机处理后显示，具体结构如图1所示。

　　2.2方案2

　　采用国产STC系列单片机，结合主要用于 高精度称重传感器而设计的支持差分输人的24位A/D转 换器芯片HX711，配合其他外围电路实现对被测物体重量 的显示、价格设置及语音播报功能,具体结构如图2所示。

　　2.3方案对比

　　从单片机的处理速度分析MSP430为16位处理器其 处理数据能力优于8位的STC单片机;从功耗的角度分 析，方案1中的处理器和主要外围器件INA333、ADS1256 为超低功耗，优于方案2;从采集精度的角度分析， ADS1256容易受到干扰，对滤波要求较高而HX711则相 对稳定。由于电子秤对处理速度要求不髙，本设计选择 性价比较髙的方案2，以STC单片机为控制器实现系统的 悬臂梁式电子秤的设计。

　　3.理论分析与计算

　　将应变片贴在被测定物上，使其随着被测定对象的 应变一起伸缩，此时应变片内部的金属箔就随着应变伸 长或缩短其电阻随之变化。一般应变片的敏感栅使用 的是铜铬合金，其电阻变化率为常数，与应变成正比例 关系。即：

　　ΔR/R = KXe (1)

　　式中:R为应变片的原电阻值，设计中选用的应变片为 120 Ω;ΔR为伸长或压缩引起的电阻变化;K为应变常数; e为试件表面测点处与应变计敏感栅纵线方向平行的应 变。不同的金属材料有不同的比例常数K。铜铬合金的K值约为2。应变的测量就通过应变片转换为对电阻变化的 测量。但是由于应变是相当微小的变化，所以产生的电阻 变化也是其微小的。例如计算1000*1O-6的应变产 生的电阻的变化，应变片的电阻值为是120 Ω,即：

　　ΔR/120 = 2 X 1000 X 10-6

　　ΔR=120X2X1000X10_6= 0. 24Ω

　　电阻变化率为 ΔR/R = 0. 24/120 = 0. 002 对该电阻变化较为微小的测量，设计中应变片的接人 方式为全桥式，具体电路如图3所示。

　　如果R1=R2 = R3 = R4 或R1 X R2 =R3 X R4则无论 输入多大电压,输出电压£总为0,这种状态称为平衡状态。 如果平衡被破坏，就会产生与电阻变化相对应的输出电压。 如图3所示，当4条边上的应变片的电阻分别引起如R1+ ΔR，R2- ΔR,R3+ΔR,R4-ΔR的变化时4枚应变片变化量值相等，邻臂上的应变相减，对臂上的应变相加。 其输出为：

　　U0 = E .ΔR/R = K . e . E (2)

　　设计中选择箔式金属应变计，主要适用于0. 02级的压 力传感器制造工艺中，即满量程时输出误差在士0. 02的范 围内。可同时实现温度自补偿和蠕变自补偿。

　　4.软硬件设计

　　4.1硬件电路设计

　　硬件电路主要包含晶振电路、复位电路、LCD显示电 路、矩阵键盘电路及A/D转换电路。其中晶振电路为单片 机提供稳定的时钟基准，是单片机系统正常运行的前提，设 计中晶振选择12 MHz;复位电路是为了预防程序跑飞而 设计的，可使单片机及系统各部件处于确定的初始状态，并 从初态开始工作，本系统具备上电复位和手动复位两个功 能，其中上电复位利用电容的冲放电实现，手动复位利用按 键触发实现，其实质为给单片机RST引脚一个高电平并维 持2个机器周期;LCD显示电路采用图形液晶显示器 LCD12864,可以实时显示重量、单价及金额的累加值，为了 节省单片机的I/O资源，设计中采用LCD的串行连接方 式;矩阵键盘要来实现对单价的设置，采用扫描法确定按键 是否触发;SYN6288语音模块用来播报重量、单价及金额 的累加值，可通过单片机串口发送待合成的文本，实现文本 到声音的转化。

　　HX711是一款专为高精度称重传感器而设计的24位 A/D转换器芯片。该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟 振荡器等其他同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度 高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机 成本，提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端MCU 芯片的接口和编程较简单,所有控制信号由管脚驱动，无需 对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道 A或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道 A的可编程增益为128或64,对应的满额度差分输入信号 幅值分别为±20 mV或±40 mV。通道B则为固定的32 增益，用于系统参数检测。设计中选择通道A，具体电路如 图4所示。

　　4.2主程序设计

　　主程序是程序的入口，主要调用显示子程序、键盘子 程序、A/D转换子程序及语音播报子程序，实现对测量参 数的实时显示与语音播报功能。具体流程图如图5所示。

　　5.系统测试

　　5.1电桥软件与硬件调零

　　设计中采用高精度电阻式应变片很容易受到干扰，导 致无输入时输出不为0,所以设计初期必须调零。调零原 则包含:传感器输入为0时，输出也为0;不影响传感器的 其他性能如灵敏度、稳定性、线性等。调零电阻的大小 与应变片的粘贴位置及悬臂梁的物理特性密切相关，具体 调零电路如图6所示。

　　软件调零实质是记忆“零点”,然后在数据处理中消 除，但会造成系统实时性降低。

　　5.2测试结果分析

　　测试中使用5、50、100及200 g的砝码，分别测试8 次，具体测量结果如表1所示。

　　6.系统调试及存在问题分析

　　6.1电桥结构材料的选择

　　设计中如果电桥结构受力后产生塑性形变或形变恢复较慢将直接影响应变片的稳定输出，设计中采用韧性较 髙的40CR钢为模型,将应变片粘贴于受力变化较为敏感 的位置,形成等臂电桥。

　　6.2应变片的粘贴

　　应变片粘贴不当直接影响其检测，粘贴前需用砂纸打 磨掉桥臂的锈迹，并用乙醇擦拭干净，然后用速干胶粘贴 并压实防止粘贴处有气泡产生;在应变片的输出引线下垫 聚乙烯薄膜使应变片输出引线与金属桥臂缘。

　　6.3测量精度影响因素分析

　　设计初期为了固定应变片使用热熔胶密封，结果由于 应变片工作后发热，热熔胶引起应变片变形，导致测量结 果不稳定;由于电源电压波动对测量系统中的A/D转换器

　　7.结 论

　　本文通过对设计方案的对比，以钢制悬臂梁为模型， 经过理论分析与计算、软硬件设计及系统测试等环节，证 明了该悬挂式电子秤在兼顾精度的同时扩大了测量范围， 扩展了单价设置、金额累加及语音播报等功能。突破了传 统托盘式为主的高精度电子秤的测量范围与精度的限制， 并对设计过程中遇到的电桥结构材料的选择、应变片的粘 贴及测量精度的影响等问题进行了详细说明，对该类设计 有一定的借鉴作用。