電子天平的研究與設(shè)計(jì)

何風(fēng)潔 曾紅

重慶計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院 重慶 401420

1 電子天平概述

這些年來(lái)，伴隨著存儲(chǔ)單元技術(shù)的出現(xiàn)以及大型集成電路和微處理技術(shù)的出現(xiàn)，電子可擴(kuò)展性技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，人們?cè)谶@里更加關(guān)注。與杠桿式型電子秤相比，電子秤更耐用、更可靠、機(jī)械磨損更少。壽命長(zhǎng)、易于維護(hù)、質(zhì)量高、重量輕。目前國(guó)內(nèi)，電子天平已經(jīng)涉及各個(gè)領(lǐng)域。該設(shè)計(jì)用于精密測(cè)量，結(jié)構(gòu)的輕巧和電子設(shè)備的低成本，并且主要保存在實(shí)驗(yàn)室中供學(xué)生練習(xí)。具體標(biāo)準(zhǔn)：測(cè)量范圍0-2Kg，最大誤差1g，質(zhì)量1g。

電子天平工作過(guò)程如下：當(dāng)將物體放在配重托盤(pán)上并觸摸按鈕時(shí)，電源將電壓提供給恒流源電路，電流電路將為功率傳感器供電，然后傳感器會(huì)將被測(cè)物體轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)。放大器放大來(lái)自設(shè)備的微弱信號(hào)，并將改變后的電壓信號(hào)從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字，然后將測(cè)量值顯示在數(shù)字顯示器上；當(dāng)物質(zhì)從吸煙容器中倒空時(shí)，延遲時(shí)間起著重要作用。延遲幾秒鐘后，電源將自動(dòng)關(guān)閉以節(jié)省電量。總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2 主要硬件設(shè)計(jì)

電子天平由六個(gè)部分組成：信號(hào)采集，高精度傳感器，LED顯示，AD轉(zhuǎn)換，高精度數(shù)字傳輸和電源。

激勵(lì)電壓為傳感器提供工作電壓，該工作電壓會(huì)產(chǎn)生外力信號(hào)。濾波后，輸出信號(hào)被發(fā)送到濾波電路模塊。并被發(fā)送到A/D轉(zhuǎn)換電路模塊。電子天平系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換電路使用TI制造的ADS1230。信號(hào)由ADS1230供電，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字音量，然后發(fā)送至微控制器進(jìn)行處理。按鈕電路模塊具有諸如復(fù)位，重量減輕，單位換算等功能。當(dāng)被加權(quán)物體的重量大于最大傳感器范圍時(shí)，語(yǔ)音提示電路模塊會(huì)發(fā)出警報(bào)。顯示模塊用于顯示重量，價(jià)格等。

2.1 傳感器

稱(chēng)重傳感器是電子測(cè)量的核心，其功能是將被測(cè)物體的重量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。電子天平使用3個(gè)進(jìn)口的切削精度半徑傳感器，每個(gè)傳感器的最大測(cè)量范圍為500公斤。與其他電子測(cè)量級(jí)別的不同之處在于，該系統(tǒng)不使用測(cè)力桿，而是使用直接從傳感器接收功率的加重平臺(tái)結(jié)構(gòu)。這提高了移動(dòng)位置后稱(chēng)重平臺(tái)的精度，避免了切換后重新校準(zhǔn)杠桿系統(tǒng)的問(wèn)題。這3個(gè)傳感器獨(dú)立連接到3個(gè)數(shù)字變送器，通常隔離模擬信號(hào)以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和準(zhǔn)確性。

應(yīng)變電阻傳感器具有測(cè)量范圍廣，頻率響應(yīng)出色、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能可靠穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。因此，電阻應(yīng)變計(jì)的電阻計(jì)被廣泛用于稱(chēng)重領(lǐng)域。電阻式稱(chēng)重傳感器由三個(gè)主要組件組成：耐久性傳感器，檢測(cè)電路和彈性體。其工作原理是基于這樣的事實(shí)，即彈性體在外力的作用下發(fā)生彈性變形，從而使施加在其表面上的阻力力矩變形。

2.2A/D轉(zhuǎn)換及顯示器

放大傳感器輸出后，使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。它是稱(chēng)重顯示器中非常重要的部分，也是模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)之間的接口。

電子天平系統(tǒng)中可以使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器CC7107的優(yōu)勢(shì)在于，只有少量的外部電阻器和電容性元件可用于完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。其輸出可以直接控制標(biāo)準(zhǔn)電子管數(shù)碼管顯示屏的LED。最后顯示部分顯示0000-1999（g）。

2.3 數(shù)字變送器

電子稱(chēng)重系統(tǒng)可以使用自行開(kāi)發(fā)的LD3精密數(shù)字變送器，該變送器被發(fā)送到微處理器，以通過(guò)安全的高速現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議進(jìn)行處理、穩(wěn)定、高效的傳輸數(shù)據(jù)特點(diǎn)。發(fā)送器包括一個(gè)前置放大器模塊、一個(gè)A/D模塊和一個(gè)MCU。A/D模塊使用完全集成24位A/ D轉(zhuǎn)換電路。適用于使用電荷平衡技術(shù)的單向/雙向弱信號(hào)測(cè)量。芯片內(nèi)部是一個(gè)非常安靜的芯片穩(wěn)定的儀表放大器和四階調(diào)制器，然后是數(shù)字濾波器，可以提供高效、穩(wěn)定的數(shù)字輸出，以實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定的輸出來(lái)準(zhǔn)確修改模擬信號(hào)[1]。

2.4 放大電路設(shè)計(jì)

電子秤的重量為0-2kg，傳感器的相應(yīng)信號(hào)輸出約為0-10mV，這是一個(gè)小信號(hào)，應(yīng)放大。由于顯示電路是一個(gè)三位數(shù)半的A/D轉(zhuǎn)換電路，輸入信號(hào)在0至2V之間，因此放大器的輸出要求為0-1999mV，等效值為1mV/g，并且擴(kuò)增是大約200倍，因此選擇了獲得的兩個(gè)階段。在該電路中，選擇具有相同特性的運(yùn)算放大器u4741，并且將引腳1和引腳5用作可用于放大器零控制的零控制端子。V1和v2是IC1和IC2的同相端子，輸出信號(hào)在此加載。R6是可調(diào)電阻，更改R6的值可以輕松調(diào)整增益[2]。

2.5A/D軟件設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)稱(chēng)重器不同，電子水準(zhǔn)儀中的數(shù)字發(fā)射機(jī)使用過(guò)采樣技術(shù)對(duì)數(shù)字濾波器進(jìn)行采樣和濾波，以獲得最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果。因此，您需要在啟動(dòng)A / D轉(zhuǎn)換器之前設(shè)置波特率。芯片上A / D轉(zhuǎn)換模塊的波特率可以在7.5至3840Hz之間選擇。放大率越低，濾波效果越好。但是響應(yīng)速度越慢。原始的電子測(cè)量設(shè)計(jì)需要準(zhǔn)確而強(qiáng)大的測(cè)量結(jié)果，并且不需要系統(tǒng)的高響應(yīng)速率，因此，最小波特率為7.5Hz。儀表放大器由片上斬波器穩(wěn)定，特別是可以放大模擬信號(hào)。它的參數(shù)是1X，2X，4X，8X，16X，32X，64X。質(zhì)量越高，模擬信號(hào)的分辨率越高，但是輸出信號(hào)越不穩(wěn)定。該系統(tǒng)首先使用64倍放大倍率來(lái)確保更高的精度，同時(shí)在A/D芯片，先前的中值濾波變送器和儀表上打開(kāi)模擬信號(hào)濾波功能之前才進(jìn)行接收接收到數(shù)據(jù)后的數(shù)據(jù)[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)發(fā)的電子秤的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于使用，可以直接安裝在硬件電路上，包括機(jī)械零件的開(kāi)發(fā)和制造。它主要由傳感器、放大器電路、恒定電源、電路延遲和顯示電路組成。它具有很高的線(xiàn)性度和穩(wěn)定性。