本文简要介绍了节能的重要性，并着重介绍了称重仪表中节能的几种实现方式。

一、简介

目前，我国的能源利用率仅为33%,与世界 先进水平相差10%,单位产品的能耗是世界先进 水平的两倍，主要产品的能耗比世界先进水平高 出40%。为此，国家“十一五”规划到2010年实 现万元GDP能耗降低20%,并减少10%的有害排 放。由此可见，节能减排是我国工业企业面临的 重大课题。

对于称重仪表而言，节能不仅仅响应了国家 号召，为社会做出一份贡献，而且也为自己的产 品增加了亮点。

我们可以把节能看成：

利用天然能源，如太阳能等。

仪表自身降低损耗及提高电能利用率。

二、天然能源一太阳能

太阳能电池系一种利用太阳光直接发电的光 电半导体薄片，只要一照到光，瞬间就可输出电 压及电流。太阳能电池的发电能源来自于光的波 长，阳光或白炽灯的波长较为适用。属于“室内 型的非晶”太阳能电池如果长期拿到户外曝晒， 有可能导致其损坏；反之，如果适合室外的太阳 能电池如果用于室内，也不能达到期望的效果， 所以在选择太阳能电池时，要根据应用环境而定。

太阳能板的规格除了外形尺寸之外，另有一 些特性数据，其中Voc=开路电压，Isc=短路电流， Vmp(Vop)=最大工作电压，Imp(Iop)=最大工作电 流，Vmpx Imp=W瓦/(最大)功率。这些参数都是 在特定条件下测得的，实际应用中达不到标定值, 并且还要考虑天气、季节等因素。所以，实际应 用一般用蓄电池作为备份电源。

目前在国外已经出现用太阳能供电的称重仪 表及整秤，由于太阳能电池价格偏高及市场实际 需求等因素，目前国内用太阳能供电的称重仪表 及整秤还很少见。

三、仪表自身参数

1.降低器件造成的损耗

选择元器件时，尽可能选择低功耗的元器件。 其它与功耗有关的因素还包括：供电电压和时钟 频率、接口电路以及动态管理等等。

1.1器件供电电压和时钟频率

正如大家所熟知的，在数字集成电路设计中, CMOS电路的总功耗包括：

静态功耗，如晶体管漏电，电路不工作时 也存在，与开关活动无关，与其动态功耗相比基 本可以忽略不计，故暂不考虑；

动态功耗，其粗略估算公式为：

P=CFV2

其中，C为负载电容；F为开关频率；V电源 电压。

可见，电压越高，时钟频率越快，则功率消 耗越大。所以，在能够满足功能正常的前提下, 尽可能选择工作电压低的器件。对于已经选定的器件，尽可能降低供电电压和工作频率。

1.2系统动态管理

所谓动态管理就是在系统运行期间通过对系 统的运行频率或电压的动态控制，以及各种不同 工作模式的切换来达到节省功耗的目的，这种动 态控制是与系统的运行状态密切相关的，这个工 作往往通过软件来实现。

选取合适的工作模式。

控制部分：现在很多CPU都有多种工作模式， 我们可以通过控制CPU进入不同的模式来达到省 电的目的。以Silicon Labs 8051F CPU为例，它有 3种基本的工作模式：第一种是完全工作模式：所 有模块都上电工作；第二种是等待模式：外设工 作,而CPU不工作；第三种：同时对低功耗的电 池供电来说也是最重要的一种，就是停机模式。 停机模式下设备完全停止功耗。假如定义等待模 式和停机模式为空闲模式，则：

I平均=(f工作x I工作+t空闲x I空闲I (f工作+t空闲

可以想象，CPU在全速运行的时候比在等待 或者停机的时候消耗的功率大得多。省电的原则 就是让正常运行模式远比空闲模式少占用时间。 也就是说，我们可以通过设置使CPU尽可能工作 在空闲状态，然后通过相应的中断唤醒CPU,恢 复到正常工作模式，处理响应的事件，然后再进 入空闲模式。

但是，工作在不同模式下，切忌频繁切换。 因为在启动期间，一直到振荡器稳定下来之前， CPU即使是空闲的也会耗能。

其他外设部分：键盘扫描部分正常情况下连 续扫描，在长时间都没有输入时，可以将用较慢 的扫描模式，一旦出现用户输入，系统立即进入 有效扫描模式。同理，显示屏也可以通过动态调 整的方式，适时改变背光、亮度等参数达到省电 的目的。

适时关闭/打开各功能模块或电路部分。一般 来讲，电路各功能模块可能不需要同时工作，将 不同的功能模块分别进行控制，从而动态的控制 各部分供电分配。例如：在不需要串口输出时将 串口芯片电源断电，从而降低一部分功耗；CPU 内部有各种功能模块，像Silicon Labs 8051F提供 了 ADC、DAC等功能模块，但这些模块在设计中 可能不需要同时工作，通过设置寄存器可以有选 择地关闭不需要的功能模块，以达到节省电的目 的，比如适时通过相应寄存器的设置关闭ADC,

则可以节省近1mA的电流，如表1所示。 1.3接口电路的低功耗设计

表 1

接口电路的低功耗设计中，除了考虑选用静 态电流较低的外围芯片外，还应该考虑a.输出引 脚上拉电阻/下拉电阻的配置，例如：在一个 3.3V的系统里用3.3KQ为上拉电阻，当输出为 “0”的时候，其电流消耗就为1mA,所以在能够 正常驱动后级的情况下，应该尽可能选取更大的 阻值。另外，当一个信号在多数情况下时为低的 时候，我们也可以考虑用下拉电阻以节省功耗。b. 由于模拟输入提供了高阻抗状态，消耗电流很小。 所以只要可能，就尽量把复用的I/O引脚配置成模 拟输入。

2.提高仪表电能利用率

2.1电源供给电路

在对功耗要求严格的情况下，就必须仔细考 虑采用何种电压变换方式。通常有：

线性稳压(Linear Regulator)包括 LDO (Low Drop- Out);以及 DC to DC。

对于线性稳压来说，其特点时电路结构简单， 所需元件数量少，但其致命弱点就是效率低，功 耗高。假设采用LM7805,输入12V,输出电压为 5V,压差为7V,输出的电流为0.2A的情况下， 我们可以计算出消费在线性稳压器上的功率为 P=A V x I0UT=7 x 0.2=1.4w,效率仅为 q = 5/12=41.7%,由这个结果我们可以看出，有一大半 功率消耗在IC本身上。

DC to DC电路的特点是效率高，升降压灵 活，但缺点时电路相对复杂，干扰较大。一般常 见的由Boost和Buck两种电路，前者用于升压， 后者用于降压。仍以从12V转换到5V 0.2A负载 为例，选用LINEAR公司LT1776,如下图1所示， 由转换效率图可见，当输入为12v,输出为5v时， 转换效率在80%以上，比线性稳压器转换效率增 加了一倍。

从上面的论述中我们可见，在适当的情况下使用DC-DC的电压转换线路，可以有效地节约能 量，降低整机功耗。

2.2适当改变电源的连接方式 为了使干电池能够充分被利用，笔者曾经做过这 样的电路，用户要求仪表使用干电池，使用时间 500小时以上。我们采用2组3节电池并联供电，当电池电压低于3.3V时，再将两组电池串联起 来，等电池电压再次低于5.6V时，电池基本上没 有电了。由于是小电流放电，串联后还可以增加 几十小时的工作时间。

3.小结

对于称重仪表而言，节能主要表现在：①选取合适的能源；②采用合适的元器件如MCU 及电路工作方式；③选取合适工作电压、系统运 行频率并加以动态管理；④选取合适的电源电路。 当然，这些方式可能以各种组合出现在称重仪表 设计中，从而，让我们的仪表更加节能，更加有亮点。