目前，臺(tái)式電子秤在商業(yè)貿(mào)易中的使用己相當(dāng)普遍，但存在較大的局限性：體積大、成本高、需要 工頻交流電源供應(yīng)、攜帶不便、應(yīng)用場(chǎng)所受到制約?，F(xiàn)有的便攜秤為桿秤或以彈簧壓縮、拉伸變形來實(shí)現(xiàn)計(jì)量的彈 簧秤，居民用戶使用的是國(guó)家己經(jīng)明令淘汰的桿秤。多年來，人們一直期待測(cè)量準(zhǔn)確、攜帶方便、價(jià)格低廉的便攜式電子秤投放市場(chǎng)。本文在分析現(xiàn)有便攜秤和電子秤不足的基礎(chǔ)上，嘗試設(shè)計(jì)一種便攜式電子秤。

一、現(xiàn)有便攜秤和電子秤的不足

現(xiàn)有的便攜秤為桿秤或以彈簧壓縮、拉伸變形來實(shí)現(xiàn)計(jì)量的彈簧秤，居民用戶使用的基本是桿秤。這種在我國(guó)沿襲 了兩千多年的木桿秤，國(guó)家工商管理局與國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局早在1995年1月1日就已經(jīng)頒布了禁止在全國(guó)城鄉(xiāng)農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)、固 定攤點(diǎn)使用桿秤的規(guī)定。彈簧秤制造工藝要求較高，彈簧的疲勞問題無法徹底解決，一旦超過彈簧彈性限度，彈簧秤就會(huì) 產(chǎn)生很大誤差，以至損壞，影響到稱重的準(zhǔn)確性和可靠性，只是一種暫時(shí)的代用品，也被列入逐漸取消的行列。近年來， 農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)及其它商貿(mào)活動(dòng)中被廣泛使用的是彈簧度盤秤和臺(tái)式電子計(jì)價(jià)秤。彈簧度盤秤允許使用于80年代末，具有構(gòu)造簡(jiǎn) 單、體積小巧和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。作為4級(jí)秤，彈簧度盤秤在準(zhǔn)確度、耐用性和防欺騙性等方面都優(yōu)于桿秤，因而被廣泛 地應(yīng)用于農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。近年來，彈簧度盤秤的質(zhì)量問題比較突出，幾次監(jiān)督抽查，產(chǎn)品的抽樣合格率均在40%—60%之間。彈簧度盤秤產(chǎn)品的問題主要是計(jì)量精度嚴(yán)重超差，面示值不同步，產(chǎn)品強(qiáng)度低，壽命短。與彈簧度盤秤相比，臺(tái)式電子計(jì)價(jià) 秤具有反應(yīng)靈敏、準(zhǔn)確度高，功能齊全、顯示直觀、使用方便等特點(diǎn)，在商業(yè)貿(mào)易中的使用己相當(dāng)普遍但又存在較大的局 限性：體積大、成本高、需要工頻交流電源供應(yīng)、攜帶不便、應(yīng)用場(chǎng)所受到制約。而且，目前臺(tái)式電子秤行業(yè)混亂、無序 狀況也引起了國(guó)家有關(guān)部門的高度重視。現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，對(duì)稱重技術(shù)提出了更高的要求，尤其是微處理技術(shù)和傳感技術(shù) 的巨大進(jìn)步，大大加速了這個(gè)進(jìn)程。基于當(dāng)前電子秤和便攜秤的現(xiàn)狀和不足，人們高度重視發(fā)展小型化的普及型的便攜式 電子秤，設(shè)計(jì)一種重量輕、攜帶方便、計(jì)量準(zhǔn)確、讀數(shù)直觀、價(jià)格低廉的便攜式電子秤（袖珍電子秤）己迫在眉睫。

二、便攜式電子秤的稱量原理

影響電子秤測(cè)量精度的因素較多。如寄生效應(yīng)使傳感器電容相對(duì)變化量大大降低，導(dǎo)致靈敏度顯著下降；質(zhì)量值與 電容變化量不成比例，導(dǎo)致傳感器輸出的非線性；被測(cè)電容變化量小，而又要求靈敏度高時(shí)，噪聲影響將很嚴(yán)重等。這些 因素的存在，使電容傳感器特性不穩(wěn)定，且測(cè)量精度不高，嚴(yán)重時(shí)甚至無法工作。因此，保證測(cè)量精度除了采用上述材 料、工藝、尺寸設(shè)計(jì)外，還需采用合適的電容量變化的測(cè)量方法。

(一)數(shù)字化測(cè)量原理。數(shù)字化測(cè)量首先是將傳感器的電容量變?yōu)轭l率信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)C—f轉(zhuǎn)換。常用的C—f轉(zhuǎn)換方法 有LC振蕩和RC振蕩，線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受電源等外界因素影響小，振蕩頻率穩(wěn)定。鑒于儀器測(cè)量質(zhì)量只須檢測(cè)出電容傳感器 容量的變化量，因此，儀器擬通過555多諧振蕩器將不易測(cè)量的電容變化量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的頻率信號(hào)的變化量。儀器采 用高穩(wěn)定參考電容生成參考頻率信號(hào)，消除系統(tǒng)誤差，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。

(二)利用參考電容進(jìn)行測(cè)量補(bǔ)償。已知555輸出脈沖的周期T為：T=ln2RC,若設(shè)K=In2R,貝ljT=kC,當(dāng)c<100pF時(shí)，振蕩器輸出脈沖周期T與c之間有一定的非線性，T會(huì)受到555端電容 的影響。設(shè)儀器的誤差源為E。，則當(dāng)數(shù)據(jù)選擇切換測(cè)量通道(ft, fc) 時(shí)，555輸出脈沖的周期分別為:Trf=K(Cref+E。)，Tx=K(q_+E。)；式中， Cref為參考電容；CX為電容式傳感器。參考電容Cref越接近被測(cè)電容 Cx,相對(duì)誤差越小。而且，由于非線關(guān)系、環(huán)境溫度變化、電阻值 變化、555端電容影響等因素引起的系統(tǒng)差也可進(jìn)步消除。

三、新型便攜式電子秤的設(shè)計(jì)

便攜式智能儀器的硬件設(shè)計(jì)以輕巧、簡(jiǎn)單、低功耗、低成本為 原則，盡量采用集成化芯片，減小電路規(guī)模。本章對(duì)便攜式電子秤 的電路設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，并對(duì)幾種主要單元電路分別進(jìn)行詳細(xì)論述。 儀器電路設(shè)計(jì)中，需注意以下幾點(diǎn)：（一）考慮到傳感器的問題， 在電路設(shè)計(jì)上，最大限度的降低對(duì)傳感器的精度要求。（二）設(shè)計(jì) 的電路，在保證質(zhì)量穩(wěn)定的前提下，追求盡可能低的成本。（三） 盡量采用低功耗、微功耗集成化芯片，減小電路復(fù)雜性。（四）充 分兼顧三級(jí)電子秤的檢定規(guī)程JJG555—96。目前，相當(dāng)多的電子秤 專用芯片或電路方案活躍在市場(chǎng)上，但其中絕大多數(shù)僅考慮電路部 分的廉價(jià)問題，沒有將電路與傳感器作為一個(gè)系統(tǒng)來考慮;甚至有些 廠家只求廉價(jià)，不惜降低質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，與國(guó)家取消桿秤的初衷不符。

1.便攜式電子秤的構(gòu)成

便攜式電子秤硬件系統(tǒng)由電容式傳感器、高穩(wěn)定參考電容、數(shù) 據(jù)選擇器、單片機(jī)系統(tǒng)、鍵盤/開關(guān)、LCD顯示器等組成。

2.電源電路

為使儀器能按照要求正常工作，第一步設(shè)計(jì)，即精確、穩(wěn)定 的電源供給設(shè)計(jì)至關(guān)重要。便攜式電子秤供電電源為1節(jié)1. 5V(AA) 電池，經(jīng)DC—DC電源變換后成為各電路單元穩(wěn)定的5V供電電壓。 在設(shè)計(jì)上要求電源芯片技術(shù)指標(biāo)滿足電路要求、耗電省、安全性 好、占空間小、重量輕、性能價(jià)格比高。便攜式電子秤電源設(shè)計(jì)選 用MAx1676芯片。（1) MAX1676。MAX1676是美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的 集低靜態(tài)電流、高轉(zhuǎn)換效率、超小型產(chǎn)MAX封裝、輸出電壓可調(diào)、 噪聲低于一身的新型升壓型Dc—Dc轉(zhuǎn)換器。MAX1676可廣泛應(yīng)用于 便攜式設(shè)備、無繩電話、醫(yī)療器械等產(chǎn)品。MAX1676主要控制特性 為快速關(guān)斷、峰值電流可調(diào)的PFM (脈沖頻率調(diào)制）升壓型DC—DC 轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器結(jié)合了PFM超低靜態(tài)電流和PWM (脈沖寬度調(diào)制） 的高輸出電壓、高轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)點(diǎn)。MAX1676無內(nèi)部振蕩器，恒定 的峰值電流的限制使得電路的電感電流能夠在其限制值內(nèi)連續(xù)變 化，小負(fù)載時(shí)的開關(guān)頻率由一對(duì)單向開關(guān)管決定，典型的最小關(guān)斷 時(shí)間為1us,最大導(dǎo)通時(shí)間為4us。而流過峰值電流的N—MOSFET的 開關(guān)頻率則取決于電路負(fù)載的大小和輸入電壓值，其最高頻率可達(dá) 50kHz,內(nèi)部N—MOSFET的峰值電流為1A。（2)電源電路設(shè)計(jì)。儀器 采用MAX1676信號(hào)的電源電路。DC—DC升壓型DC—DC轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成一 個(gè)提供5V直流升壓轉(zhuǎn)換電路。MAX1676具有電池欠壓檢測(cè)功能，整個(gè) 儀器雖然采取了低功耗設(shè)計(jì)，但不能避免電池能源的消耗。因此， 儀器利用這一功能，提醒用戶更換電池。儀器設(shè)定在電池電壓低于 1V時(shí)，產(chǎn)生欠壓提示。

3.單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以單片機(jī)或嵌入式系統(tǒng)等為主體的便攜式智能儀器可由軟件完成眾多的數(shù)據(jù)處理和控制任務(wù)。儀器選擇PLC單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用軟件。PLC系列單片一機(jī)是美國(guó)Microchip技術(shù)公司的極有代表性的低價(jià)格、高性能單片機(jī)。PIC單片機(jī)能直接驅(qū)動(dòng)液晶顯示器、跳變中斷的輸入端口能方便地接收按鍵輸入、有多級(jí)外部及內(nèi)部中斷、可通過程序禁止主晶振振蕩而使單片機(jī)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。這些特征非常適合電池供電、液晶顯示的便攜式智能儀器。（1) PIC16F877單片機(jī)。項(xiàng)目選擇可以在線調(diào)試和在線編程的PIC16F877單片機(jī)開發(fā)第一代電子秤產(chǎn)品。借助于專門的在線調(diào)試工具套件MPLAB—ICD, PIC16F877能實(shí)現(xiàn)硬件仿真和程序燒寫，比開發(fā)其他PIC型號(hào)單片機(jī)更簡(jiǎn)便易行。PIC16F877單片機(jī)采用40引腳的PDPI封裝。電源電壓范圍2.5V—5.5V,時(shí)鐘頻率DC~20MHz;程序計(jì)數(shù)器PC13位寬；SKxl4bit的片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器，368xsbit的數(shù)據(jù)SRAM存儲(chǔ)器及同步串行模塊，256字節(jié)EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；5組可編程的雙向1/O端口，大部分具有二、三種功能復(fù)用；具有TMRO溢出中斷、外部中斷、端口B變化中斷、TMRI中斷等14個(gè)中斷源；8級(jí)硬件堆棧；具有看門狗WDT、上電延時(shí)復(fù)位、掉電延時(shí)復(fù)位等電路；可在線串行編程。（2)單片機(jī)系統(tǒng)的工作流程。上電后，PIC16F877單片機(jī)的RB口電平變化中斷檢測(cè)4X4矩陣鍵盤中是否有按鍵按下，鍵值處理由單片機(jī)軟件完成。PIC16F877單片機(jī)借助數(shù)據(jù)選擇器SN74HC157控制選擇頻率測(cè)量信號(hào)的輸入通道，ICM7556再將對(duì)應(yīng)電容量轉(zhuǎn)換成脈沖頻率信號(hào)，即參考電容Cref由555生成fc;電容式傳感器Cx生成fx, Plc16F877軟件解決非線性校正和各類補(bǔ)償問題，最終實(shí)現(xiàn)傳感器單元的測(cè)量。PIC16F877通過測(cè)量脈沖實(shí)現(xiàn)傳感器電容變換量AC的測(cè)量，從而計(jì)算出被測(cè)試樣的質(zhì)量m并將運(yùn)算結(jié)果傳送至LCD顯示。（3)鍵盤/開關(guān)輸入電路。鍵盤輸入是實(shí)現(xiàn)電子秤人機(jī)交互的部分。根據(jù)儀器要求的功能，設(shè)計(jì)了由16個(gè)按鍵（4x4矩陣鍵盤）和1個(gè)扳鍵開關(guān)組成的鍵盤/開關(guān)輸入電路，鍵開關(guān)控制儀器電源的通斷；16個(gè)按鍵分別是10個(gè)數(shù)字鍵0J、小數(shù)點(diǎn)鍵和5個(gè)功能鍵。16個(gè)按鍵按4行4列排列成4x4矩陣鍵盤。電子秤鍵盤操作的軟件管理功 能如下：（1)稱重過程。將被稱物品垂直吊掛在秤鉤上，穩(wěn)定后，被稱物品重量稱好，按“保持”鍵儲(chǔ)存；取下被稱物品，顯示屏顯 示物品凈重量數(shù)值并自動(dòng)保持（一旦進(jìn)入重量保持狀態(tài)后，只有按“去皮”鍵才能退回到正常稱重狀態(tài)）；稱重前，若顯示的值不為 0.000,則按“去皮”鍵清除為0.000;若被稱物品需用盛器裝載，先將盛器吊掛在秤鉤上，按“去皮”鍵，屏幕顯示為0.000,然后裝入被 稱物品進(jìn)行稱量。在顯示單價(jià)狀態(tài)下，應(yīng)先按“轉(zhuǎn)換”鍵，再按“去皮”鍵，才可進(jìn)入正常稱重狀態(tài)，不在顯示單價(jià)狀態(tài)下，直接按“ 去皮”鍵即可。當(dāng)重量顯示超過最大秤量值10kg時(shí)，顯示器熄滅，表示儀器處于超載狀態(tài)。電子秤不允許超載使用。（2)單價(jià)輸入及清 除。稱重結(jié)束取下物品(己在重量保持狀態(tài)下)，再直接按數(shù)字鍵輸入單價(jià)。單價(jià)清除按“清除”鍵。（3)顯示金額。當(dāng)單價(jià)置入后，按 “轉(zhuǎn)換”鍵，則顯示本次稱量的金額；若顯示“E”表示超出計(jì)價(jià)范圍。按“去皮”鍵，又可進(jìn)行稱量。（4)金額累計(jì)。如果需要將幾 種金額累加就得使用“累計(jì)”鍵。在每次稱完物品顯示金額狀態(tài)下，按“累計(jì)”鍵，就把該次金額累加到總額中去。若顯示“E” ,表 示累計(jì)總額值超出計(jì)價(jià)范圍。（5)校正。按“校正”鍵超過1分鐘，儀器修正信息處理中擬合函數(shù)的系數(shù)，完成非線性校正。