基于MSP430单片机设计简易电子秤，设计悬 臂梁式称重传感装置，在悬臂梁上粘贴电阻 应变片，通过受力改变内部应变片的阻值使 电压发生变化，在TL062CP芯片内部运算放 大器的作用下将小信号进行放大，内置A/D 转换电路进行数据转换，本电子秤具有成本 低，爿精度高等特点。

1.设计方案

数字电子秤的设计可以通过传感器，电压信 号放大，AD采集信号，LCD1602显示，键盘5部分 组成。实际设计电路可从传感器检测电路、信号 放大电路、信号采集电路、显示电路、按键电路， MSP430F149单片机组成。

电阻应变片作为称重传感器，差分放大电路利 用电路参数的对称性和负反馈作用，有效稳定静 态工作点，以放大差模信号抑制共模信号为显著特 征，广泛应用于直接耦合电路和测量电路的输入 级，因此采用差分放大电路，信号采用AD转换芯 片实现，通过MSP430在LCD1602进行显示称重数 值。

2.梁式结构的选择与论证

选用硬度适中的塑料材质作为悬梁臂，便于手 工打孔制作，花费低，灵敏度能够达到实验要求。底 座使用木板，稳定性高，制作简单。

为改善悬臂梁的特性，在提高动特性的同时也 增加灵敏度，将梁做成各种形状，以改变其应力分 布并增强刚度。

方案一

双孔梁的结构如图1所示，在板状梁上有两个 孔,在梁的端部有集中力作用时，孔内承受弯曲变 形。将应变片粘贴在孔的内壁，应变片处于相反的 应力区内，当R1和R4的变形为拉伸时，R2和R3为压 缩变形变片组成差动电桥，输出特性的线性度好。 另外，这种粱的刚度比单梁好，故动态特性好，滞后 小。根据应力分布图可以看出，受力点位置变化时， 一孔的弯矩增加，另一孔的弯矩减小，可在桥路内自 动补偿，从而提高了传感器精度，使用时对力点位置 的要求也有所降低。但是该方案需将应变片粘贴于 圆弧的内壁，容易损坏应变片，且形变范围有限，灵 敏度达不到实验要求。

方案二

基于方案一进行相应的改善，在两个圆之间增 加了椭圆，且使用两片塑料板进行粘连，在粘连体 的上端粘贴R1，R4，下端粘贴R2，R3，通过物体重 量的改变来控制塑料板的形变，提高了传感器精

度。

方案三

基于方案一和方案二，将孔的形状变为1个椭圆 形，通过物体重量的作用，将力全部作用于椭圆上 表面和下表面的中心点，进而转化到应变电阻片上， 进一步提高传感器的精度。综上所述，采用方案三。 方案外观如图2所示。

3.电路模块选择与论证

3.1放大系统选择与论证

电子秤放大系统是把传感器输出的信号进行放 大，从而满足模数转换的要求。为测量准确，放大系 统设计时应保证输入级是高阻，输出级是低阻系统 应具有较高的抑制共模干扰的能力，系统的放大倍 数应根据被测物体的重量对应传感器的输出量，然 后把传感器的输出量安一定的比例相应放大。有以 下3种方案。

采用场效应管或三极管对传感器输出信号 进行放大，对于本方案来说，电路复杂，稳定性差。

使用有自归零和零温漂特性的OPA系列精 密放大器。

采用运算放大器对信号进行放大，集成运 算放大器使用集成工艺制成，具有高增益的直接耦 合多级放大电路。它一般由输入级，中间级，输出级 和偏置电路四部分组成。为了抑制温漂和提高共模 抑制比，常采用差分式放大电路作为输入级；中间 为电压增益级，互补对称电压跟随电路常用作输出 级，电流源电路构成偏置电路和有缘负载电路。故 采用了 TL062CP芯片对信号进行放大。

1脚：输出信号1 □ 8 2脚：反相信号输入1 3脚：正相信号输入1 」7 4脚：电源输入 -I 6 5脚：正相信号输入2 6脚：反相信号输入2 ]5 7脚：输出信号2 8脚：电源输入

图3 TL062CP芯片

3.2显示屏选择与论证

数码管方案数码管具有亮度高，显示大， 驱动电路简单。可是这种方案也有其致命缺陷，如 果数码管较少，则不能同时显示重量、单价、总价等 信息，这是因为数码管本身的缺陷引起的。如果要 同时显示多个信息，就必须在电路中安装大量数码 管，但是这样会大幅增加硬件电路设计的难度。

将数码管换为具有更强大显示能力的 LCD1602液晶显示器。这种不仅加强了人机交互功 能，满足设计要求，而且可以同时显示物体重量，单 价，总价等信息，电路更加简单，设计更加简便。经 过比较，我们可以发现LCD1602液晶显示屏的功能 更加强大，显示效果更好。

3.3 AD数据采集

不同的模数转换器有不同的优缺点，具有各自 的性能。目前，可供选择的模数转换器有以下几种 选择：

并行比较A/D转换器：如ADC0808、ADC0809等。并行比较ADC显著的特点是转换速度 快，但是成本高，功耗较大，且其分辨率一般不高， 因此并行比较式A/D适合于要求高速、低分辨率的 仪器中。

专用型A/D转换器：如HX711。它是专用 型高精度的24位A/D转换器芯片。它有很高的集成 度，有很好的稳定性。最重要的是其内部集成有放 大器，如果选用它来设计电子秤，就可无需额外选 取放大器了。这样就使电路设计的复杂度减小了，同 时减小了制作成本，但由于经济性不高，故舍弃。

采用MSP430模块内置的AD转换电路， 该设计电路简单，使用方便，节约时间与成本。经 比较，可直接采用MSP430单片机内部的AD转换电 路。

4.理论分析与参数计算

4.1电阻应变片的工作原理

电阻应变片是将应变变化量转变成电阻变化量 的转换组件。应变电测法具有感受元件重量轻，体 积小；量测系统信号传递迅速、灵敏度高、可遥感， 便于与计算机连用及实现自动化等优点。其主要缺 点是连续长时间测量会出现漂移，原因在于粘合剂 的不稳定性和对周围环境的敏感性所致。

电阻应变片的工作原理基于它的应变效应.由物 理学定律可知，金属丝的电阻R与其本身长度成正 比，与其横截面积A成反比，用公式表示为：

R=pL/A (1)

其中：

R为电阻丝的电阻值；

P为电阻率；

L为电阻丝的长度；

A为电阻丝的截面面积。

当电阻丝受到拉伸或压缩时，式中的L义p将 发生变化。设变形后其长度变化为A如图1所示，若 此时对式（1)两端同取自然对数，得：

lnR=lnp+ln L-lnA (2)

对式（2)进行求导，则：

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

因为金属电阻线受轴向拉伸（压缩）作用时， dA/A=2dD/D=-2^ (dL/L) (#为电阻丝材料的 泊松比），所以式（3)可写成：

dR/R=dp/p+dL/L+ln (dL/L) (4)

其中，dL/L为应变片轴向应变e。

由式（4)可得：

dR/R/e =dp/p/e+1+2 ^ (5)

令式（5)为k，称为单丝灵敏系数，为一常数。 因应变片由单丝绕成，对于应变片，可推出：

dR/R=Kxe (6)

式（6)表明：应变片的电阻变化率与应变呈线 性关系，即电阻变化率是其应变值的K倍。当应变 片粘贴在被测构件上时，会随构件受力而产生主变

形。

5.电路设计

电阻应变仪的测量电路，一般采用惠斯登电 桥，其作用是测得应变片的电阻变化率，进而测得 构件应变。如图所示，在4个臂上分别接入电阻 R2、R3、R4，R1与之间、R〗与之间分别弓丨出两条 线接至运算放大器；尺工与尺丨之间，尺2与之间分别 引出两条线接电源的正负极。

在实际使用中，按照不同的组桥方式还可分

为：

全桥:艮P4个桥臂上均接有工作片。

半桥：即4个桥臂上只有两个桥臂接有工 作片，剩余两应变片只起连通电路作用，电阻值不发 生变化（应变为0)。

1/4桥：4个桥臂上只有1个桥臂接有工作 片，此时相邻桥臂接温度补偿片。此桥路形式在实际中应用较多。

应变片的种类很多，可按其所用材料、使用的工 作温度以及不同的用途分类。按敏感栅所用材料可 分为金属电阻应变片（金属丝式应变片、箔式应变 片和薄膜应变片）和半导体应变片等；按使用温度 可分为低温、常温、高温等。

采用MSP430模块内置的AD转换电路，该设计 电路简单，使用方便，节约时间与成本。显示器采用 LCD1602液晶显示器。这样不仅加强了人机交互功 能，满足设计要求，而且可以同时显示物体重量，单 价，总价等信息，电路更加简单，设计更加简便。

6.精度与误差分析

实际重量与电压变化值之间的关系如下：

图6实际重量与电压变化值之间的关系

在进行标定的过程中，首先需要1组砝码作为基准。依次增大物体的质量，使物体的重心在传感器 测试区的中心。待显示值稳定后，记下显示值。通过 多次重复测量并记录砝码的实际重量和系统所测 量的值，砝码由轻到重一次连续增加，不要进行中 途撤去砝码。由于应变悬梁式称重传感器灵敏度较 高，为避免装置振动造成的误差，传感器在水平方 向必须固定牢靠。另外，传感器的引线也很灵敏，稍 微触动一下，也会产生误差。由表1测量数据可知，系 统最大相对误差小于0.4。

7.结束语

在实验中，我们发现该装置还可能受到其他因 素的影响，例如悬臂的长度，温度，电磁干扰等影 响，使得装置的精度存在一定的误差，本文采用单 片机技术与传感器技术，设计了电子秤，经测试表 明，系统整体体积小、成本低、精度高等优点，可在 家用、商用和实验室等各种场合推广应用。