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電子秤方案開發(fā)
電子秤使用來稱重的衡器，應(yīng)用范圍從交易市場、企業(yè)、廠礦,還是到每個(gè)家庭單元，可謂道處可見。其中家庭使用的細(xì)分有廚房秤、體重秤、體脂秤等。電子秤主要是利用力的杠桿平衡原理以及胡克定律測定物體質(zhì)量的一種工具，在物體重力的作用下，彈性體產(chǎn)生變形進(jìn)行測定重力的量值。電子秤主要有稱重傳感器、稱重臺(tái)、稱重顯示儀、屏蔽信號(hào)電纜以及接線盒等組成。
一、電子秤的方案原理
1、電子秤的運(yùn)行原理
電子秤的稱重儀檢測系統(tǒng)主要由：傳感放大電路、數(shù)據(jù)采集（模/數(shù)轉(zhuǎn)換）電路、中央處理單元、反饋調(diào)零電路、外部通信和電源支持等部分組成傳感放大檢測電路的功能是把重量信號(hào)通過應(yīng)變片傳感器轉(zhuǎn)換為微變電壓信號(hào)，并將其放大到適合模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片所接收的電壓信號(hào)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。儀表的系統(tǒng)誤差主要在該部分產(chǎn)生，因而該部分的設(shè)計(jì)關(guān)系若整個(gè)系統(tǒng)的精度。中央處理單元負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)控制，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)校正、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換、自適應(yīng)傳感器更換，最終將待顯示數(shù)據(jù)傳送給人機(jī)交互界面系統(tǒng)。外部通信是指檢側(cè)系統(tǒng)的CPU與人機(jī)交互界面系統(tǒng)的CPU之間進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)傳送的電路電源系統(tǒng)為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供良好的供電系統(tǒng)，并提供高精度供橋電源。
2、電子秤稱量的過程
首先將稱量的重物放在稱重臺(tái)上，稱重臺(tái)由于受到重力的作用將會(huì)產(chǎn)生彈性變化，發(fā)生彈性變化的傳感器彈性體將會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)電壓，產(chǎn)生的電壓值與物體的重量成一定比例，從而通過放大電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)在稱重顯示儀中顯示出來。
二、電子秤的主要結(jié)構(gòu)部件
1、稱重傳感器
電子秤通常使用的是電阻應(yīng)變式稱重傳感器，而這其中的結(jié)構(gòu)也較為的簡單，技術(shù)趨向成熟，并且制造簡單，具有準(zhǔn)確性高、價(jià)格低等優(yōu)勢。電子秤（大型電子汽車衡除外）通常使用四只稱重傳感器，它們之間使用并聯(lián)方式，因?yàn)槭褂昧硕鄠€(gè)稱重傳感器，所以每個(gè)稱重傳感器的輸出電阻抗、靈敏度等方面的數(shù)據(jù)會(huì)存在著差異，導(dǎo)致了稱重結(jié)果的誤差。所以要想解決這個(gè)問題可以對每個(gè)傳感器的輸出端都鏈接接線盒裝置，并且獲得輸出。
2、傳感器接線盒
傳感器接線盒可以把全部傳感器的接線匯合到一起，主要的結(jié)構(gòu)是一個(gè)無源電阻網(wǎng)絡(luò)，其中的每個(gè)稱重傳感器配備了一個(gè)或是兩個(gè)可調(diào)電阻，并且和傳感器進(jìn)行并聯(lián)。當(dāng)調(diào)節(jié)接線盒的一個(gè)電阻時(shí)，就會(huì)改變傳感器的輸出阻抗，這樣可以使得電子秤中的全部傳感器輸出阻抗達(dá)到一致，并滿足標(biāo)準(zhǔn)。
3、稱重顯示儀表
電子秤稱重顯示儀表就是所謂的表頭，作用是給使用者提供電子秤信息，也是電子秤功能集中位置。工作流程為表內(nèi)電源經(jīng)過主線內(nèi)的電源線給稱重傳感器提供電源，在存在物體的情況下，傳感器的彈性體發(fā)生變化，吸附在彈性體上的電阻應(yīng)變片的組織就會(huì)改變，這是傳感器就會(huì)得出和重量數(shù)值向成比例的電信號(hào)。
儀表的另一個(gè)功能是讓使用者和儀表之間進(jìn)行交流，使用者能夠利用儀表上的數(shù)字來輸入相關(guān)的信息，儀表就能做稱重、計(jì)算價(jià)錢等工作，將電子秤的功能發(fā)揮處理啊。并且因?yàn)榉Q重結(jié)果是屏幕數(shù)字所以準(zhǔn)確性更高，不會(huì)存在指針秤容易誤讀的情況。
三、智能電子秤硬件設(shè)計(jì)方案
智能電子秤由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、按鍵處理模塊、超重報(bào)警模塊、顯示模塊與主控制器模塊等組成。其中：數(shù)據(jù)采集模塊由電阻應(yīng)變計(jì)、彈性器件、電阻和外殼等組成。數(shù)據(jù)處理模塊將數(shù)據(jù)采集模塊中的信號(hào)進(jìn)行放大并實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，然后再將處理后的信號(hào)傳送給單片機(jī)，進(jìn)而在顯示屏上做出相應(yīng)的顯示。
1、數(shù)據(jù)采集模塊
傳感器的選用是智能電子秤的核心問題。由傳感器構(gòu)成的承重系統(tǒng)要求有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性、同時(shí)精度與靈敏度也要滿足設(shè)計(jì)要求。綜合考慮，本智能電子秤的傳感器選用電阻式應(yīng)變片。智能電子秤的數(shù)據(jù)采集模塊包括電阻應(yīng)變計(jì)、彈性器件、電阻和外殼。
2、數(shù)據(jù)處理模塊
數(shù)據(jù)處理模塊需要將采集到的信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)還要完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，在滿足數(shù)據(jù)處理功能的情況下，電路硬件設(shè)計(jì)越簡單越好?；谶@樣的考慮，智能電子秤選用一款24位A/D轉(zhuǎn)換芯片用于數(shù)據(jù)處理。該芯片片內(nèi)集成了穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘與信號(hào)放大功能，無需再添加額外的外圍電路、集成度高、成本低且易于實(shí)現(xiàn)，它與MCU可直接連接。所有控制信號(hào)均由單片機(jī)的管腳來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電路簡單，也無需再對其片內(nèi)的寄存器進(jìn)行編程，從而降低了硬件與軟件的設(shè)計(jì)難度。
3、單片機(jī)控制模塊
綜合考慮到電子秤的成本與功耗，智能電子秤的主控制模塊采用8051系列單片機(jī)，它是一款８位單片機(jī)，功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉，完全能夠滿足性能要求。
4、按鍵模塊
因單片機(jī)的I/O口資源有限，按鍵模塊需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)再與單片機(jī)連接。本設(shè)計(jì)采用矩陣按鍵，只需與單片機(jī)的P3口相連，通過行掃描進(jìn)行鍵位識(shí)別，同時(shí)利用軟件編程消除按鍵抖動(dòng)現(xiàn)象，確保鍵值的正確識(shí)別。這種鍵盤設(shè)計(jì)節(jié)約了單片機(jī)I/O口資源，提高了單片機(jī)I/O口的利用率。本智能電子秤設(shè)計(jì)的是4*4薄膜矩陣鍵盤，鍵盤上的0~9用來設(shè)定單價(jià)，*為小數(shù)點(diǎn)，A為累計(jì)功能按鍵，B為清零功能按鍵，C為去皮功能按鍵，用戶可以通過按鍵進(jìn)行相應(yīng)的操作。
5、顯示模塊
本智能電子秤采用LCD顯示屏。LCD與單片機(jī)硬件連接簡單，LCD具有驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗小、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常常用的顯示器。
6、超重報(bào)警電路
超重報(bào)警電路用來提示用戶切勿放置太重的物體進(jìn)行稱量，以免損壞傳感器。它由三極管、發(fā)光管和蜂鳴器等組成。
四、電子秤誤差的成因
1、四角偏載誤差
電子秤四角偏載造成的電子秤稱量誤差主要是因?yàn)閭鞲衅鞯撵`敏度，對于電子秤四角偏載誤差的測試主要是在電子秤加載后，被測量物品在稱重臺(tái)上的位置變化不會(huì)造成測量結(jié)構(gòu)額變化。由于電子秤電阻應(yīng)變計(jì)以及電子秤的稱重傳感器等制作材料以及制作工藝的差距造成稱重傳感器的靈敏度在一定程度上有所不同，從而引起相同的激電壓，但是由于稱重傳感器的信號(hào)輸出不同，所以造成四角偏載誤差的產(chǎn)生。為了能夠有效減少誤差，所以應(yīng)該選擇抗沖擊能力和抗傾斜能力良好的傳感器，還應(yīng)該在稱重傳感器的信號(hào)輸出的支路上連接電位器，可以通過調(diào)整阻值，采用電阻分壓的原理使各個(gè)支路上的信號(hào)輸出平衡，從而保證電子秤測量的準(zhǔn)確性。
2、稱量誤差
造成電子秤稱量誤差的原因主要有以下幾種：
（1)零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移主要是由于電子秤在使用的過程中，由于受到多次大小不同的沖擊載荷，導(dǎo)致傳感器的受力情況次數(shù)多且復(fù)雜，在達(dá)到一定的極限時(shí)造成電子秤傳感器的觸點(diǎn)發(fā)生變化，使傳感器檢定時(shí)的原始狀態(tài)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致電子秤稱量誤差的出現(xiàn)。
（2）稱重臺(tái)檫靠稱重臺(tái)的擦靠對力的傳遞有很大的影響，一所以這就會(huì)導(dǎo)致加載重物時(shí)，其物品的重量不能完全在電子秤的稱重傳感器上作用，從而導(dǎo)致稱重傳感器的輸出信號(hào)偏小，這種情況主要發(fā)生在稱重負(fù)荷較大的重物時(shí)，其顯示值就會(huì)減小，從而產(chǎn)生稱量誤差。針對上述的稱量誤差，在對電子秤制作的過程中首先應(yīng)該選擇精度適當(dāng)以及質(zhì)量過關(guān)、抗沖擊能力強(qiáng)的傳感器，然后在傳感器安裝的過程中應(yīng)該注意牢固可靠，對于引線應(yīng)該具有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，秤體應(yīng)該具有足夠的剛性，電子秤的保護(hù)裝置可靠。
3、鑒別力誤差
在電子秤使用過程中，電子秤對物品載荷的細(xì)小變化的反應(yīng)能力被成為是鑒別力。對于電子秤使用中鑒別力的測試主要是為了檢驗(yàn)電子秤秤體結(jié)構(gòu)的摩擦以及連接。所以對于電子秤來說，連接中的應(yīng)力和摩檫是造成鑒別力誤差的成因，并且由于鑒別力誤差是主要針對的是細(xì)小的載荷變化，因此電子秤的稱重儀表和稱重傳感器的分辨率對其造成的影響也是非常大的。
4、重復(fù)性誤差
重復(fù)性誤差主要是在相同的環(huán)境和相同載荷下，經(jīng)過數(shù)次的進(jìn)行試驗(yàn)造成電子秤輸出讀數(shù)產(chǎn)生的誤差。電子秤重復(fù)誤差除了使用過程中風(fēng)力、重力以及濕度、溫度等造成的誤差外，還有以下幾點(diǎn)造成的重復(fù)性誤差：
（1）電子秤傳感器條件不滿足造成重復(fù)性誤差，針對這種情況，這就要求電子秤在使用的過程中，電子秤的傳感器的激勵(lì)電壓、參數(shù)的一致性以及秤體的傳力特性等都應(yīng)該滿足條件，并且要求電子秤的秤體的傳力機(jī)構(gòu)在傳感器所承受的載荷與物品的重量成正比的情況下，才能避免重復(fù)性誤差。
（2）電子秤傳感器的側(cè)向力引起的重復(fù)性誤差
電子秤在使用的過程中由于受到環(huán)境的影響，可能會(huì)造成載荷接收器出現(xiàn)位移的現(xiàn)象，從而造成傳感器的作用力傾斜或者出現(xiàn)側(cè)向力，傳感器側(cè)向力主要是在傳力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制造過程中的誤差引起的。
五、電子秤誤差的解決措施
1、正確使用的電子秤
在采用電子秤進(jìn)行稱量物品的過程中，由于電子秤主要是通過稱重傳感器進(jìn)行稱量的，所以在使用的過程中對于被秤的物品應(yīng)該輕拿輕放。并且還應(yīng)該把電子秤放置在干燥通風(fēng)、平穩(wěn)、水平的平面上，保證電子秤的四腳平穩(wěn)，這樣不僅能夠保證稱重的準(zhǔn)確性，而且對保護(hù)電子秤具有重要的作用。
2、定期進(jìn)行檢定電子秤
由于電子秤使用環(huán)境以及使用時(shí)間過久會(huì)造成元器件老化，并且其準(zhǔn)確度也會(huì)受到一定的影響，所以對電子秤進(jìn)行定期檢定，不僅能夠?qū)﹄娮映佑?jì)量性能進(jìn)行評價(jià)，而且還能查找出造成電子秤準(zhǔn)確性的原因，所以定期進(jìn)行檢定電子秤，對保證電子秤的準(zhǔn)確性和延長使用壽命具有重要的作用和價(jià)值。
3、使用高性能的單片機(jī)電路
電子秤內(nèi)部主要使用的單片機(jī)電路，所以為了能夠提高電子秤的準(zhǔn)確性以及使用性能，可以采用高性能的單片機(jī)，比如可以采用單片機(jī)內(nèi)部帶有8K的字節(jié)的FLASHROM,這種性能的單片機(jī)不僅價(jià)格便宜，功耗低，使用壽命長，并且無論在任何地方都不會(huì)對輸出值有所影響。
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