基于MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易電子秤，設(shè)計(jì)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(guò)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(yùn)算放 大器的作用下將小信號(hào)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(diǎn)。

1.設(shè)計(jì)方案

數(shù)字電子秤的設(shè)計(jì)可以通過(guò)傳感器，電壓信 號(hào)放大，AD采集信號(hào)，LCD1602顯示，鍵盤(pán)5部分 組成。實(shí)際設(shè)計(jì)電路可從傳感器檢測(cè)電路、信號(hào) 放大電路、信號(hào)采集電路、顯示電路、按鍵電路， MSP430F149單片機(jī)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(duì)稱性和負(fù)反饋?zhàn)饔?，有效穩(wěn)定靜 態(tài)工作點(diǎn)，以放大差模信號(hào)抑制共模信號(hào)為顯著特 征，廣泛應(yīng)用于直接耦合電路和測(cè)量電路的輸入 級(jí)，因此采用差分放大電路，信號(hào)采用AD轉(zhuǎn)換芯 片實(shí)現(xiàn)，通過(guò)MSP430在LCD1602進(jìn)行顯示稱重?cái)?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(fèi)低，靈敏度能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。底 座使用木板，穩(wěn)定性高，制作簡(jiǎn)單。

為改善懸臂梁的特性，在提高動(dòng)特性的同時(shí)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(qiáng)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(gè) 孔,在梁的端部有集中力作用時(shí)，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(shí)，R2和R3為壓 縮變形變片組成差動(dòng)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(dòng)態(tài)特性好，滯后 小。根據(jù)應(yīng)力分布圖可以看出，受力點(diǎn)位置變化時(shí)， 一孔的彎矩增加，另一孔的彎矩減小，可在橋路內(nèi)自 動(dòng)補(bǔ)償，從而提高了傳感器精度，使用時(shí)對(duì)力點(diǎn)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(shí)驗(yàn)要求。

方案二

基于方案一進(jìn)行相應(yīng)的改善，在兩個(gè)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(guò)物體重 量的改變來(lái)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(gè)橢圓 形，通過(guò)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(diǎn)，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(hào)進(jìn)行放 大，從而滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換的要求。為測(cè)量準(zhǔn)確，放大系 統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證輸入級(jí)是高阻，輸出級(jí)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(cè)物體的重量對(duì)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(chǎng)效應(yīng)管或三極管對(duì)傳感器輸出信號(hào) 進(jìn)行放大，對(duì)于本方案來(lái)說(shuō)，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(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，集成運(yùn) 算放大器使用集成工藝制成，具有高增益的直接耦 合多級(jí)放大電路。它一般由輸入級(jí)，中間級(jí)，輸出級(jí) 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(jí)；中間 為電壓增益級(jí)，互補(bǔ)對(duì)稱電壓跟隨電路常用作輸出 級(jí)，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(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。

1腳：輸出信號(hào)1 □ 8 2腳：反相信號(hào)輸入1 3腳：正相信號(hào)輸入1 」7 4腳：電源輸入 -I 6 5腳：正相信號(hào)輸入2 6腳：反相信號(hào)輸入2 ]5 7腳：輸出信號(hào)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(dòng)電路簡(jiǎn)單。可是這種方案也有其致命缺陷，如 果數(shù)碼管較少，則不能同時(shí)顯示重量、單價(jià)、總價(jià)等 信息，這是因?yàn)閿?shù)碼管本身的缺陷引起的。如果要 同時(shí)顯示多個(gè)信息，就必須在電路中安裝大量數(shù)碼 管，但是這樣會(huì)大幅增加硬件電路設(shè)計(jì)的難度。

將數(shù)碼管換為具有更強(qiáng)大顯示能力的 LCD1602液晶顯示器。這種不僅加強(qiáng)了人機(jī)交互功 能，滿足設(shè)計(jì)要求，而且可以同時(shí)顯示物體重量，單 價(jià)，總價(jià)等信息，電路更加簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)便。經(jīng) 過(guò)比較，我們可以發(fā)現(xiàn)LCD1602液晶顯示屏的功能 更加強(qiáng)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(diǎn)，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(diǎn)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(lái)設(shè)計(jì)電子秤，就可無(wú)需額外選 取放大器了。這樣就使電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度減小了，同 時(shí)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(jì)電路簡(jiǎn)單，使用方便，節(jié)約時(shí)間與成本。經(jīng) 比較，可直接采用MSP430單片機(jī)內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換電 路。

4.理論分析與參數(shù)計(jì)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(cè)法具有感受元件重量輕，體 積?。涣繙y(cè)系統(tǒng)信號(hào)傳遞迅速、靈敏度高、可遙感， 便于與計(jì)算機(jī)連用及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。其主要缺 點(diǎn)是連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量會(huì)出現(xiàn)漂移，原因在于粘合劑 的不穩(wěn)定性和對(duì)周?chē)h(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(zhǎng)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(zhǎng)度；

A為電阻絲的截面面積。

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

lnR=lnp+ln L-lnA (2)

對(duì)式（2)進(jìn)行求導(dǎo)，則：

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

因?yàn)榻饘匐娮杈€受軸向拉伸（壓縮）作用時(shí)， dA/A=2dD/D=-2^ (dL/L) (#為電阻絲材料的 泊松比），所以式（3)可寫(xiě)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(duì)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(cè)構(gòu)件上時(shí)，會(huì)隨構(gòu)件受力而產(chǎn)生主變

形。

5.電路設(shè)計(jì)

電阻應(yīng)變儀的測(cè)量電路，一般采用惠斯登電 橋，其作用是測(cè)得應(yīng)變片的電阻變化率，進(jìn)而測(cè)得 構(gòu)件應(yīng)變。如圖所示，在4個(gè)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(yùn)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(shí)際使用中，按照不同的組橋方式還可分

為：

全橋:艮P4個(gè)橋臂上均接有工作片。

半橋：即4個(gè)橋臂上只有兩個(gè)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(gè)橋臂上只有1個(gè)橋臂接有工作 片，此時(shí)相鄰橋臂接溫度補(bǔ)償片。此橋路形式在實(shí)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(jì) 電路簡(jiǎn)單，使用方便，節(jié)約時(shí)間與成本。顯示器采用 LCD1602液晶顯示器。這樣不僅加強(qiáng)了人機(jī)交互功 能，滿足設(shè)計(jì)要求，而且可以同時(shí)顯示物體重量，單 價(jià)，總價(jià)等信息，電路更加簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)便。

6.精度與誤差分析

實(shí)際重量與電壓變化值之間的關(guān)系如下：

圖6實(shí)際重量與電壓變化值之間的關(guān)系

在進(jìn)行標(biāo)定的過(guò)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(cè)試區(qū)的中心。待顯示值穩(wěn)定后，記下顯示值。通過(guò) 多次重復(fù)測(cè)量并記錄砝碼的實(shí)際重量和系統(tǒng)所測(cè) 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(dòng)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(dòng)一下，也會(huì)產(chǎn)生誤差。由表1測(cè)量數(shù)據(jù)可知，系 統(tǒng)最大相對(duì)誤差小于0.4。

7.結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(jī)技術(shù)與傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了電子秤，經(jīng)測(cè)試表 明，系統(tǒng)整體體積小、成本低、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可在 家用、商用和實(shí)驗(yàn)室等各種場(chǎng)合推廣應(yīng)用。