基于MSP430單片機設(shè)計簡易電子秤，設(shè)計懸 臂梁式稱重傳感裝置，在懸臂梁上粘貼電阻 應(yīng)變片，通過受力改變內(nèi)部應(yīng)變片的阻值使 電壓發(fā)生變化，在TL062CP芯片內(nèi)部運算放 大器的作用下將小信號進(jìn)行放大，內(nèi)置A/D 轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，本電子秤具有成本 低，爿精度高等特點。

1.設(shè)計方案

數(shù)字電子秤的設(shè)計可以通過傳感器，電壓信 號放大，AD采集信號，LCD1602顯示，鍵盤5部分 組成。實際設(shè)計電路可從傳感器檢測電路、信號 放大電路、信號采集電路、顯示電路、按鍵電路， MSP430F149單片機組成。

電阻應(yīng)變片作為稱重傳感器，差分放大電路利 用電路參數(shù)的對稱性和負(fù)反饋作用，有效穩(wěn)定靜 態(tài)工作點，以放大差模信號抑制共模信號為顯著特 征，廣泛應(yīng)用于直接耦合電路和測量電路的輸入 級，因此采用差分放大電路，信號采用AD轉(zhuǎn)換芯 片實現(xiàn)，通過MSP430在LCD1602進(jìn)行顯示稱重數(shù) 值。

2.梁式結(jié)構(gòu)的選擇與論證

選用硬度適中的塑料材質(zhì)作為懸梁臂，便于手 工打孔制作，花費低，靈敏度能夠達(dá)到實驗要求。底 座使用木板，穩(wěn)定性高，制作簡單。

為改善懸臂梁的特性，在提高動特性的同時也 增加靈敏度，將梁做成各種形狀，以改變其應(yīng)力分 布并增強剛度。

方案一

雙孔梁的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在板狀梁上有兩個 孔,在梁的端部有集中力作用時，孔內(nèi)承受彎曲變 形。將應(yīng)變片粘貼在孔的內(nèi)壁，應(yīng)變片處于相反的 應(yīng)力區(qū)內(nèi)，當(dāng)R1和R4的變形為拉伸時，R2和R3為壓 縮變形變片組成差動電橋，輸出特性的線性度好。 另外，這種粱的剛度比單梁好，故動態(tài)特性好，滯后 小。根據(jù)應(yīng)力分布圖可以看出，受力點位置變化時， 一孔的彎矩增加，另一孔的彎矩減小，可在橋路內(nèi)自 動補償，從而提高了傳感器精度，使用時對力點位置 的要求也有所降低。但是該方案需將應(yīng)變片粘貼于 圓弧的內(nèi)壁，容易損壞應(yīng)變片，且形變范圍有限，靈 敏度達(dá)不到實驗要求。

方案二

基于方案一進(jìn)行相應(yīng)的改善，在兩個圓之間增 加了橢圓，且使用兩片塑料板進(jìn)行粘連，在粘連體 的上端粘貼R1，R4，下端粘貼R2，R3，通過物體重 量的改變來控制塑料板的形變，提高了傳感器精

度。

方案三

基于方案一和方案二，將孔的形狀變?yōu)?個橢圓 形，通過物體重量的作用，將力全部作用于橢圓上 表面和下表面的中心點，進(jìn)而轉(zhuǎn)化到應(yīng)變電阻片上， 進(jìn)一步提高傳感器的精度。綜上所述，采用方案三。 方案外觀如圖2所示。

3.電路模塊選擇與論證

3.1放大系統(tǒng)選擇與論證

電子秤放大系統(tǒng)是把傳感器輸出的信號進(jìn)行放 大，從而滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換的要求。為測量準(zhǔn)確，放大系 統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)保證輸入級是高阻，輸出級是低阻系統(tǒng) 應(yīng)具有較高的抑制共模干擾的能力，系統(tǒng)的放大倍 數(shù)應(yīng)根據(jù)被測物體的重量對應(yīng)傳感器的輸出量，然 后把傳感器的輸出量安一定的比例相應(yīng)放大。有以 下3種方案。

采用場效應(yīng)管或三極管對傳感器輸出信號 進(jìn)行放大，對于本方案來說，電路復(fù)雜，穩(wěn)定性差。

使用有自歸零和零溫漂特性的OPA系列精 密放大器。

采用運算放大器對信號進(jìn)行放大，集成運 算放大器使用集成工藝制成，具有高增益的直接耦 合多級放大電路。它一般由輸入級，中間級，輸出級 和偏置電路四部分組成。為了抑制溫漂和提高共模 抑制比，常采用差分式放大電路作為輸入級；中間 為電壓增益級，互補對稱電壓跟隨電路常用作輸出 級，電流源電路構(gòu)成偏置電路和有緣負(fù)載電路。故 采用了 TL062CP芯片對信號進(jìn)行放大。

1腳：輸出信號1 □ 8 2腳：反相信號輸入1 3腳：正相信號輸入1 」7 4腳：電源輸入 -I 6 5腳：正相信號輸入2 6腳：反相信號輸入2 ]5 7腳：輸出信號2 8腳：電源輸入

圖3 TL062CP芯片

3.2顯示屏選擇與論證

數(shù)碼管方案數(shù)碼管具有亮度高，顯示大， 驅(qū)動電路簡單?？墒沁@種方案也有其致命缺陷，如 果數(shù)碼管較少，則不能同時顯示重量、單價、總價等 信息，這是因為數(shù)碼管本身的缺陷引起的。如果要 同時顯示多個信息，就必須在電路中安裝大量數(shù)碼 管，但是這樣會大幅增加硬件電路設(shè)計的難度。

將數(shù)碼管換為具有更強大顯示能力的 LCD1602液晶顯示器。這種不僅加強了人機交互功 能，滿足設(shè)計要求，而且可以同時顯示物體重量，單 價，總價等信息，電路更加簡單，設(shè)計更加簡便。經(jīng) 過比較，我們可以發(fā)現(xiàn)LCD1602液晶顯示屏的功能 更加強大，顯示效果更好。

3.3 AD數(shù)據(jù)采集

不同的模數(shù)轉(zhuǎn)換器有不同的優(yōu)缺點，具有各自 的性能。目前，可供選擇的模數(shù)轉(zhuǎn)換器有以下幾種 選擇：

并行比較A/D轉(zhuǎn)換器：如ADC0808、ADC0809等。并行比較ADC顯著的特點是轉(zhuǎn)換速度 快，但是成本高，功耗較大，且其分辨率一般不高， 因此并行比較式A/D適合于要求高速、低分辨率的 儀器中。

專用型A/D轉(zhuǎn)換器：如HX711。它是專用 型高精度的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。它有很高的集成 度，有很好的穩(wěn)定性。最重要的是其內(nèi)部集成有放 大器，如果選用它來設(shè)計電子秤，就可無需額外選 取放大器了。這樣就使電路設(shè)計的復(fù)雜度減小了，同 時減小了制作成本，但由于經(jīng)濟(jì)性不高，故舍棄。

采用MSP430模塊內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換電路， 該設(shè)計電路簡單，使用方便，節(jié)約時間與成本。經(jīng) 比較，可直接采用MSP430單片機內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換電 路。

4.理論分析與參數(shù)計算

4.1電阻應(yīng)變片的工作原理

電阻應(yīng)變片是將應(yīng)變變化量轉(zhuǎn)變成電阻變化量 的轉(zhuǎn)換組件。應(yīng)變電測法具有感受元件重量輕，體 積??；量測系統(tǒng)信號傳遞迅速、靈敏度高、可遙感， 便于與計算機連用及實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。其主要缺 點是連續(xù)長時間測量會出現(xiàn)漂移，原因在于粘合劑 的不穩(wěn)定性和對周圍環(huán)境的敏感性所致。

電阻應(yīng)變片的工作原理基于它的應(yīng)變效應(yīng).由物 理學(xué)定律可知，金屬絲的電阻R與其本身長度成正 比，與其橫截面積A成反比，用公式表示為：

R=pL/A (1)

其中：

R為電阻絲的電阻值；

P為電阻率；

L為電阻絲的長度；

A為電阻絲的截面面積。

當(dāng)電阻絲受到拉伸或壓縮時，式中的L義p將 發(fā)生變化。設(shè)變形后其長度變化為A如圖1所示，若 此時對式（1)兩端同取自然對數(shù)，得：

lnR=lnp+ln L-lnA (2)

對式（2)進(jìn)行求導(dǎo)，則：

dR/R =dp/p+dL/L-dA/A (3)

因為金屬電阻線受軸向拉伸（壓縮）作用時， dA/A=2dD/D=-2^ (dL/L) (#為電阻絲材料的 泊松比），所以式（3)可寫成：

dR/R=dp/p+dL/L+ln (dL/L) (4)

其中，dL/L為應(yīng)變片軸向應(yīng)變e。

由式（4)可得：

dR/R/e =dp/p/e+1+2 ^ (5)

令式（5)為k，稱為單絲靈敏系數(shù)，為一常數(shù)。 因應(yīng)變片由單絲繞成，對于應(yīng)變片，可推出：

dR/R=Kxe (6)

式（6)表明：應(yīng)變片的電阻變化率與應(yīng)變呈線 性關(guān)系，即電阻變化率是其應(yīng)變值的K倍。當(dāng)應(yīng)變 片粘貼在被測構(gòu)件上時，會隨構(gòu)件受力而產(chǎn)生主變

形。

5.電路設(shè)計

電阻應(yīng)變儀的測量電路，一般采用惠斯登電 橋，其作用是測得應(yīng)變片的電阻變化率，進(jìn)而測得 構(gòu)件應(yīng)變。如圖所示，在4個臂上分別接入電阻 R2、R3、R4，R1與之間、R〗與之間分別弓丨出兩條 線接至運算放大器；尺工與尺丨之間，尺2與之間分別 引出兩條線接電源的正負(fù)極。

在實際使用中，按照不同的組橋方式還可分

為：

全橋:艮P4個橋臂上均接有工作片。

半橋：即4個橋臂上只有兩個橋臂接有工 作片，剩余兩應(yīng)變片只起連通電路作用，電阻值不發(fā) 生變化（應(yīng)變?yōu)?/span>0)。

1/4橋：4個橋臂上只有1個橋臂接有工作 片，此時相鄰橋臂接溫度補償片。此橋路形式在實際中應(yīng)用較多。

應(yīng)變片的種類很多，可按其所用材料、使用的工 作溫度以及不同的用途分類。按敏感柵所用材料可 分為金屬電阻應(yīng)變片（金屬絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變 片和薄膜應(yīng)變片）和半導(dǎo)體應(yīng)變片等；按使用溫度 可分為低溫、常溫、高溫等。

采用MSP430模塊內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換電路，該設(shè)計 電路簡單，使用方便，節(jié)約時間與成本。顯示器采用 LCD1602液晶顯示器。這樣不僅加強了人機交互功 能，滿足設(shè)計要求，而且可以同時顯示物體重量，單 價，總價等信息，電路更加簡單，設(shè)計更加簡便。

6.精度與誤差分析

實際重量與電壓變化值之間的關(guān)系如下：

圖6實際重量與電壓變化值之間的關(guān)系

在進(jìn)行標(biāo)定的過程中，首先需要1組砝碼作為基準(zhǔn)。依次增大物體的質(zhì)量，使物體的重心在傳感器 測試區(qū)的中心。待顯示值穩(wěn)定后，記下顯示值。通過 多次重復(fù)測量并記錄砝碼的實際重量和系統(tǒng)所測 量的值，砝碼由輕到重一次連續(xù)增加，不要進(jìn)行中 途撤去砝碼。由于應(yīng)變懸梁式稱重傳感器靈敏度較 高，為避免裝置振動造成的誤差，傳感器在水平方 向必須固定牢靠。另外，傳感器的引線也很靈敏，稍 微觸動一下，也會產(chǎn)生誤差。由表1測量數(shù)據(jù)可知，系 統(tǒng)最大相對誤差小于0.4。

7.結(jié)束語

在實驗中，我們發(fā)現(xiàn)該裝置還可能受到其他因 素的影響，例如懸臂的長度，溫度，電磁干擾等影 響，使得裝置的精度存在一定的誤差，本文采用單 片機技術(shù)與傳感器技術(shù)，設(shè)計了電子秤，經(jīng)測試表 明，系統(tǒng)整體體積小、成本低、精度高等優(yōu)點，可在 家用、商用和實驗室等各種場合推廣應(yīng)用。