电子天平的研究与设计
2021-04-21何风洁曾红
何风洁 曾红
重庆计量质量检测研究院 重庆 401420
1 电子天平概述
这些年来，伴随着存储单元技术的出现以及大型集成电路和微处理技术的出现，电子可扩展性技术得到了迅速的发展，人们在这里更加关注。与杠杆式型电子秤相比，电子秤更耐用、更可靠、机械磨损更少。寿命长、易于维护、质量高、重量轻。目前国内，电子天平已经涉及各个领域。该设计用于精密测量，结构的轻巧和电子设备的低成本，并且主要保存在实验室中供学生练习。具体标准：测量范围0-2Kg，最大误差1g，质量1g。
电子天平工作过程如下：当将物体放在配重托盘上并触摸按钮时，电源将电压提供给恒流源电路，电流电路将为功率传感器供电，然后传感器会将被测物体转换为输出信号。放大器放大来自设备的微弱信号，并将改变后的电压信号从模拟转换为数字，然后将测量值显示在数字显示器上；当物质从吸烟容器中倒空时，延迟时间起着重要作用。延迟几秒钟后，电源将自动关闭以节省电量。总体设计图如图1所示。
2 主要硬件设计
电子天平由六个部分组成：信号采集，高精度传感器，LED显示，AD转换，高精度数字传输和电源。
激励电压为传感器提供工作电压，该工作电压会产生外力信号。滤波后，输出信号被发送到滤波电路模块。并被发送到A/D转换电路模块。电子天平系统的A/D转换电路使用TI制造的ADS1230。信号由ADS1230供电，并转换为数字音量，然后发送至微控制器进行处理。按钮电路模块具有诸如复位，重量减轻，单位换算等功能。当被加权物体的重量大于最大传感器范围时，语音提示电路模块会发出警报。显示模块用于显示重量，价格等。
2.1 传感器
称重传感器是电子测量的核心，其功能是将被测物体的重量转换为相应的电信号。电子天平使用3个进口的切削精度半径传感器，每个传感器的最大测量范围为500公斤。与其他电子测量级别的不同之处在于，该系统不使用测力杆，而是使用直接从传感器接收功率的加重平台结构。这提高了移动位置后称重平台的精度，避免了切换后重新校准杠杆系统的问题。这3个传感器独立连接到3个数字变送器，通常隔离模拟信号以确保数据的准确性和准确性。
应变电阻传感器具有测量范围广，频率响应出色、结构简单、成本低廉、性能可靠稳定的优点。因此，电阻应变计的电阻计被广泛用于称重领域。电阻式称重传感器由三个主要组件组成：耐久性传感器，检测电路和弹性体。其工作原理是基于这样的事实，即弹性体在外力的作用下发生弹性变形，从而使施加在其表面上的阻力力矩变形。
2.2A/D转换及显示器
放大传感器输出后，使用模数转换器将模拟值转换为数字值。它是称重显示器中非常重要的部分，也是模拟系统与数字系统或计算机之间的接口。
电子天平系统中可以使用的模数转换器CC7107的优势在于，只有少量的外部电阻器和电容性元件可用于完成模数转换。其输出可以直接控制标准电子管数码管显示屏的LED。最后显示部分显示0000-1999（g）。
2.3 数字变送器
电子称重系统可以使用自行开发的LD3精密数字变送器，该变送器被发送到微处理器，以通过安全的高速现场总线协议进行处理、稳定、高效的传输数据特点。发送器包括一个前置放大器模块、一个A/D模块和一个MCU。A/D模块使用完全集成24位A/ D转换电路。适用于使用电荷平衡技术的单向/双向弱信号测量。芯片内部是一个非常安静的芯片稳定的仪表放大器和四阶调制器，然后是数字滤波器，可以提供高效、稳定的数字输出，以实现快速、稳定的输出来准确修改模拟信号[1]。
2.4 放大电路设计
电子秤的重量为0-2kg，传感器的相应信号输出约为0-10mV，这是一个小信号，应放大。由于显示电路是一个三位数半的A/D转换电路，输入信号在0至2V之间，因此放大器的输出要求为0-1999mV，等效值为1mV/g，并且扩增是大约200倍，因此选择了获得的两个阶段。在该电路中，选择具有相同特性的运算放大器u4741，并且将引脚1和引脚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，输出信号在此加载。R6是可调电阻，更改R6的值可以轻松调整增益[2]。
2.5A/D软件设计
与传统称重器不同，电子水准仪中的数字发射机使用过采样技术对数字滤波器进行采样和滤波，以获得最终的转换结果。因此，您需要在启动A / D转换器之前设置波特率。芯片上A / D转换模块的波特率可以在7.5至3840Hz之间选择。放大率越低，滤波效果越好。但是响应速度越慢。原始的电子测量设计需要准确而强大的测量结果，并且不需要系统的高响应速率，因此，最小波特率为7.5Hz。仪表放大器由片上斩波器稳定，特别是可以放大模拟信号。它的参数是1X，2X，4X，8X，16X，32X，64X。质量越高，模拟信号的分辨率越高，但是输出信号越不稳定。该系统首先使用64倍放大倍率来确保更高的精度，同时在A/D芯片，先前的中值滤波变送器和仪表上打开模拟信号滤波功能之前才进行接收接收到数据后的数据[3]。
3 结语
开发的电子秤的特点是结构简单，易于使用，可以直接安装在硬件电路上，包括机械零件的开发和制造。它主要由传感器、放大器电路、恒定电源、电路延迟和显示电路组成。它具有很高的线性度和稳定性。
