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行业动态

现有便携秤的不足与新型便携式电子秤研究

时间:2017-09-20 11:52 来源: 点击数:

目前,台式电子秤在商业贸易中的使用己相当普遍,但存在较大的局限性:体积大、成本高、需要 工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。现有的便携秤为杆秤或以弹簧压缩、拉伸变形来实现计量的弹 簧秤,居民用户使用的是国家己经明令淘汰的杆秤。多年来人们一直期待测量准确、携带方便、价格低廉的便携式电子秤投放市场。本文在分析现有便携秤和电子秤不足的基础上,尝试设计一种便携式电子秤

一、现有便携秤和电子秤的不足

现有的便携秤为杆秤或以弹簧压缩、拉伸变形来实现计量的弹簧秤,居民用户使用的基本是杆秤。这种在我国沿袭 了两千多年的木杆秤国家工商管理局与国家技术监督局早在199511日就已经颁布了禁止在全国城乡农贸市场、固 定摊点使用杆秤的规定。弹簧秤制造工艺要求较高,弹簧的疲劳问题无法彻底解决,一旦超过弹簧弹性限度,弹簧秤就会 产生很大误差以至损坏,影响到称重的准确性和可靠性,只是一种暂时的代用品,也被列入逐渐取消的行列。近年来 农贸市场及其它商贸活动中被广泛使用的是弹簧度盘秤和台式电子计价秤。弹簧度盘秤允许使用于80年代末具有构造简 单、体积小巧和价格便宜等优点。作为4级秤,弹簧度盘秤在准确度、耐用性和防欺骗性等方面都优于杆秤,因而被广泛 地应用于农贸市场。近年来弹簧度盘秤的质量问题比较突出,几次监督抽查产品的抽样合格率均在40%—60%之间。弹簧度盘秤产品的问题主要是计量精度严重超差,面示值不同步产品强度低,寿命短。与弹簧度盘秤相比,台式电子计价 秤具有反应灵敏、准确度高,功能齐全、显示直观、使用方便等特点,在商业贸易中的使用己相当普遍但又存在较大的局 限性:体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。而且,目前台式电子秤行业混乱、无序 状况也引起了国家有关部门的高度重视。现代社会的发展,对称重技术提出了更高的要求,尤其是微处理技术和传感技术 的巨大进步,大大加速了这个进程。基于当前电子秤和便携秤的现状和不足,人们高度重视发展小型化的普及型的便携式 电子秤设计一种重量轻、携带方便、计量准确、读数直观、价格低廉的便携式电子秤(袖珍电子秤己迫在眉睫。

二、便携式电子秤的称量原理

影响电子秤测量精度的因素较多。如寄生效应使传感器电容相对变化量大大降低,导致灵敏度显著下降;质量值与 电容变化量不成比例导致传感器输出的非线性;被测电容变化量小,而又要求灵敏度高时噪声影响将很严重等。这些 因素的存在,使电容传感器特性不稳定,且测量精度不高,严重时甚至无法工作。因此,保证测量精度除了采用上述材 料、工艺、尺寸设计外,还需采用合适的电容量变化的测量方法。

()数字化测量原理。数字化测量首先是将传感器的电容量变为频率信号,即实现C—f转换。常用的C—f转换方法 LC振荡和RC振荡,线路结构简单受电源等外界因素影响小,振荡频率稳定。鉴于仪器测量质量只须检测出电容传感器 容量的变化量因此,仪器拟通过555多谐振荡器将不易测量的电容变化量转换成易于测量的频率信号的变化量。仪器采 用高稳定参考电容生成参考频率信号,消除系统误差实现高精度测量。

()利用参考电容进行测量补偿。已知555输出脉冲的周期T为:T=ln2RC,若设K=In2R,ljT=kC,c<100pF时,振荡器输出脉冲周期Tc之间有一定的非线性T会受到555端电容 的影响。设仪器的误差源为E。,则当数据选择切换测量通道(ft, fc) 时,555输出脉冲的周期分别为:Trf=K(Cref+E)Tx=K(q_+E)式中, Cref为参考电容;CX为电容式传感器。参考电容Cref越接近被测电容 Cx,相对误差越小。而且,由于非线关系、环境温度变化、电阻值 变化、555端电容影响等因素引起的系统差也可进步消除。

三、新型便携式电子秤的设计

便携式智能仪器的硬件设计以轻巧、简单、低功耗、低成本为 原则,尽量采用集成化芯片减小电路规模。本章对便携式电子秤 的电路设计进行介绍并对几种主要单元电路分别进行详细论述。 仪器电路设计中,需注意以下几点:(一)考虑到传感器的问题 在电路设计上最大限度的降低对传感器的精度要求。(二)设计 的电路在保证质量稳定的前提下,追求尽可能低的成本。(三) 尽量采用低功耗、微功耗集成化芯片,减小电路复杂性。(四)充 分兼顾三级电子秤的检定规程JJG555—96。目前,相当多的电子秤 专用芯片或电路方案活跃在市场上但其中绝大多数仅考虑电路部 分的廉价问题没有将电路与传感器作为一个系统来考虑;甚至有些 厂家只求廉价不惜降低质量标准,与国家取消杆秤的初衷不符。

1.便携式电子秤的构成

便携式电子秤硬件系统由电容式传感器、高稳定参考电容、数 据选择器、单片机系统、键盘/开关、LCD显示器等组成。

2.电源电路

为使仪器能按照要求正常工作,第一步设计,即精确、稳定 的电源供给设计至关重要。便携式电子秤供电电源为11. 5V(AA) 电池,经DCDC电源变换后成为各电路单元稳定的5V供电电压。 在设计上要求电源芯片技术指标满足电路要求、耗电省、安全性 好、占空间小、重量轻、性能价格比高。便携式电子秤电源设计选 MAx1676芯片。1) MAX1676MAX1676是美国MAXIM公司生产的 集低静态电流、高转换效率、超小型产MAX封装、输出电压可调、 噪声低于一身的新型升压型DcDc转换器。MAX1676可广泛应用于 便携式设备、无绳电话、医疗器械等产品。MAX1676主要控制特性 为快速关断、峰值电流可调的PFM (脉冲频率调制)升压型DCDC 转换器。该转换器结合了PFM超低静态电流和PWM (脉冲宽度调制) 的高输出电压、高转换效率的优点。MAX1676无内部振荡器恒定 的峰值电流的限制使得电路的电感电流能够在其限制值内连续变 化,小负载时的开关频率由一对单向开关管决定,典型的最小关断 时间为1us,最大导通时间为4us而流过峰值电流的NMOSFET 开关频率则取决于电路负载的大小和输入电压值其最高频率可达 50kHz,内部N—MOSFET的峰值电流为1A。(2)电源电路设计。仪器 采用MAX1676信号的电源电路。DCDC升压型DCDC转换芯片构成一 个提供5V直流升压转换电路。MAX1676具有电池欠压检测功能,整个 仪器虽然采取了低功耗设计但不能避免电池能源的消耗。因此, 仪器利用这一功能,提醒用户更换电池。仪器设定在电池电压低于 1V时,产生欠压提示。

3.单片机系统设计

以单片机或嵌入式系统等为主体的便携式智能仪器可由软件完成众多的数据处理和控制任务。仪器选择PLC单片机开发应用软件。PLC系列单片一机是美国Microchip技术公司的极有代表性的低价格、高性能单片机。PIC单片机能直接驱动液晶显示器、跳变中断的输入端口能方便地接收按键输入、有多级外部及内部中断、可通过程序禁止主晶振振荡而使单片机进入低功耗状态。这些特征非常适合电池供电、液晶显示的便携式智能仪器。1) PIC16F877单片机。项目选择可以在线调试和在线编程的PIC16F877单片机开发第一代电子秤产品。借助于专门的在线调试工具套件MPLABICD, PIC16F877能实现硬件仿真和程序烧写比开发其他PIC型号单片机更简便易行。PIC16F877单片机采用40引脚的PDPI封装。电源电压范围2.5V5.5V,时钟频率DC~20MHz;程序计数器PC13位宽;SKxl4bit的片内FLASH程序存储器,368xsbit的数据SRAM存储器及同步串行模块,256字节EEPROM数据存储器;5组可编程的双向1/O端口,大部分具有二、三种功能复用;具有TMRO溢出中断、外部中断、端口B变化中断、TMRI中断等14个中断源;8级硬件堆栈;具有看门狗WDT上电延时复位、掉电延时复位等电路;可在线串行编程。2)单片机系统的工作流程。上电后PIC16F877单片机的RB口电平变化中断检测4X4矩阵键盘中是否有按键按下键值处理由单片机软件完成。PIC16F877单片机借助数据选择器SN74HC157控制选择频率测量信号的输入通道,ICM7556再将对应电容量转换成脉冲频率信号即参考电容Cref由555生成fc;电容式传感器Cx生成fx, Plc16F877软件解决非线性校正和各类补偿问题,最终实现传感器单元的测量。PIC16F877通过测量脉冲实现传感器电容变换量AC的测量从而计算出被测试样的质量m并将运算结果传送至LCD显示。3)键盘/开关输入电路。键盘输入是实现电子秤人机交互的部分。根据仪器要求的功能设计了由16个按键4x4矩阵键盘)和1个扳键开关组成的键盘/开关输入电路键开关控制仪器电源的通断;16个按键分别是10个数字键0J小数点键和5个功能键。16个按键按44列排列成4x4矩阵键盘。电子秤键盘操作的软件管理功 能如下:1)称重过程。将被称物品垂直吊挂在秤钩上,稳定后被称物品重量称好,按“保持”键储存;取下被称物品显示屏显 示物品净重量数值并自动保持(一旦进入重量保持状态后只有按“去皮”键才能退回到正常称重状态);称重前若显示的值不为 0.000,则按“去皮”键清除为0.000;若被称物品需用盛器装载,先将盛器吊挂在秤钩上,按“去皮”键屏幕显示为0.000,然后装入被 称物品进行称量。在显示单价状态下,应先按“转换”键,再按“去皮”键,才可进入正常称重状态,不在显示单价状态下直接按“ 去皮”键即可。当重量显示超过最大秤量值10kg时,显示器熄灭,表示仪器处于超载状态。电子秤不允许超载使用。2)单价输入及清 除。称重结束取下物品(己在重量保持状态下)再直接按数字键输入单价。单价清除按“清除”键。3)显示金额。当单价置入后按 “转换”键,则显示本次称量的金额;若显示“E”表示超出计价范围。按“去皮”键,又可进行称量。4)金额累计。如果需要将几 种金额累加就得使用“累计”键。在每次称完物品显示金额状态下,按“累计”键,就把该次金额累加到总额中去。若显示“E” ,表 示累计总额值超出计价范围。5)校正。按“校正”键超过1分钟,仪器修正信息处理中拟合函数的系数,完成非线性校正。

 


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