基于MSP430單片機設計簡易電子秤，設計懸 臂梁式稱重傳感裝置，在懸臂梁上粘貼電阻 應變片，通過受力改變內部應變片的阻值使 電壓發生變化，在TL062CP芯片內部運算放 大器的作用下將小信號進行放大，內置A/D 轉換電路進行數據轉換，本電子秤具有成本 低，爿精度高等特點。

1.設計方案

數字電子秤的設計可以通過傳感器，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。

電阻應變片作為稱重傳感器，差分放大電路利 用電路參數的對稱性和負反饋作用，有效穩定靜 態工作點，以放大差模信號抑制共模信號為顯著特 征，廣泛應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轉換芯 片實現，通過MSP430在LCD1602進行顯示稱重數 值。

2.梁式結構的選擇與論證

選用硬度適中的塑料材質作為懸梁臂，便于手 工打孔制作，花費低，靈敏度能夠達到實驗要求。底 座使用木板，穩定性高，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，以改變其應力分 布并增強剛度。

方案一

雙孔梁的結構如圖1所示，在板狀梁上有兩個 孔,在梁的端部有集中力作用時，孔內承受彎曲變 形。將應變片粘貼在孔的內壁，應變片處于相反的 應力區內，當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，故動態特性好，滯后 小。根據應力分布圖可以看出，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。但是該方案需將應變片粘貼于 圓弧的內壁，容易損壞應變片，且形變范圍有限，靈 敏度達不到實驗要求。

方案二

基于方案一進行相應的改善，在兩個圓之間增 加了橢圓，且使用兩片塑料板進行粘連，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，將孔的形狀變為1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，進而轉化到應變電阻片上， 進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放大系統選擇與論證

電子秤放大系統是把傳感器輸出的信號進行放 大，從而滿足模數轉換的要求。為測量準確，放大系 統設計時應保證輸入級是高阻，輸出級是低阻系統 應具有較高的抑制共模干擾的能力，系統的放大倍 數應根據被測物體的重量對應傳感器的輸出量，然 后把傳感器的輸出量安一定的比例相應放大。有以 下3種方案。

采用場效應管或三極管對傳感器輸出信號 進行放大，對于本方案來說，電路復雜，穩定性差。

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，電流源電路構成偏置電路和有緣負載電路。故 采用了 TL062CP芯片對信號進行放大。

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

數碼管方案數碼管具有亮度高，顯示大， 驅動電路簡單。可是這種方案也有其致命缺陷，如 果數碼管較少，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碼 管，但是這樣會大幅增加硬件電路設計的難度。

將數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，設計更加簡便。經 過比較，我們可以發現LCD1602液晶顯示屏的功能 更加強大，顯示效果更好。

3.3 AD數據采集

不同的模數轉換器有不同的優缺點，具有各自 的性能。目前，可供選擇的模數轉換器有以下幾種 選擇：

并行比較A/D轉換器：如ADC0808、ADC0809等。并行比較ADC顯著的特點是轉換速度 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轉換器：如HX711。它是專用 型高精度的24位A/D轉換器芯片。它有很高的集成 度，有很好的穩定性。最重要的是其內部集成有放 大器，如果選用它來設計電子秤，就可無需額外選 取放大器了。這樣就使電路設計的復雜度減小了，同 時減小了制作成本，但由于經濟性不高，故舍棄。

采用MSP430模塊內置的AD轉換電路， 該設計電路簡單，使用方便，節約時間與成本。經 比較，可直接采用MSP430單片機內部的AD轉換電 路。

4.理論分析與參數計算

4.1電阻應變片的工作原理

電阻應變片是將應變變化量轉變成電阻變化量 的轉換組件。應變電測法具有感受元件重量輕，體 積小；量測系統信號傳遞迅速、靈敏度高、可遙感， 便于與計算機連用及實現自動化等優點。其主要缺 點是連續長時間測量會出現漂移，原因在于粘合劑 的不穩定性和對周圍環境的敏感性所致。

電阻應變片的工作原理基于它的應變效應.由物 理學定律可知，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。

當電阻絲受到拉伸或壓縮時，式中的L義p將 發生變化。設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，得：

lnR=lnp+ln L-lnA (2)

對式（2)進行求導，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為應變片軸向應變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，為一常數。 因應變片由單絲繞成，對于應變片，可推出：

dR/R=Kxe (6)

式（6)表明：應變片的電阻變化率與應變呈線 性關系，即電阻變化率是其應變值的K倍。當應變 片粘貼在被測構件上時，會隨構件受力而產生主變

形。

5.電路設計

電阻應變儀的測量電路，一般采用惠斯登電 橋，其作用是測得應變片的電阻變化率，進而測得 構件應變。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，剩余兩應變片只起連通電路作用，電阻值不發 生變化（應變為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用較多。

應變片的種類很多，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 分為金屬電阻應變片（金屬絲式應變片、箔式應變 片和薄膜應變片）和半導體應變片等；按使用溫度 可分為低溫、常溫、高溫等。

采用MSP430模塊內置的AD轉換電路，該設計 電路簡單，使用方便，節約時間與成本。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系如下：

圖6實際重量與電壓變化值之間的關系

在進行標定的過程中，首先需要1組砝碼作為基準。依次增大物體的質量，使物體的重心在傳感器 測試區的中心。待顯示值穩定后，記下顯示值。通過 多次重復測量并記錄砝碼的實際重量和系統所測 量的值，砝碼由輕到重一次連續增加，不要進行中 途撤去砝碼。由于應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，也會產生誤差。由表1測量數據可知，系 統最大相對誤差小于0.4。

7.結束語

在實驗中，我們發現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 片機技術與傳感器技術，設計了電子秤，經測試表 明，系統整體體積小、成本低、精度高等優點，可在 家用、商用和實驗室等各種場合推廣應用。