提供了一种适合电子爱好者DIY的低成本电子秤的设计方案。此电子秤采用电阻应变片自制称重传感器,借 助三个运放构成的仪表放大器将微小的称重传感器信号放大至单片机AD采样的电压，实现了物体重量的可靠测 量,具有精度高、成本低、便携方便的特点。

引言

作为物品交易市场上的计量器具，秤的种类主 要有天平、杠杆秤、弹簧秤和电子秤等。天平适用于 实验室贵重物品的精确测量,使用前需调节平衡旋 钮,轻拿轻放物品和砝码,对称重环境要求较高。杠 杆秤是利用杠杆原理来称重的简易衡器，由木制的 带有秤星的秤杆、金属秤锤、提纽等组成。经校准的 杠杆秤具有精度稳定、操作方便的特点。电子秤的 出现突破了传统杠杆秤只能单一称重，无法自动去 皮、计算等不足，目前在市场上占据了绝大部分 份额。

电子秤的称重结果显示直观，也存在被内部程 序二次修改而无法察觉的缺点。电子爱好者可以自 制一台简易的电子秤,用于物品称重的校准。

1 .DIY型电子秤总体设计

电子秤的系统框图如图1所示。称重传感器将 被测物体在压力激励下产生的微小电压信号送至信 号调理模块0 ,信号调理电路将把小电压体现的微 弱压力信号转变成适合MCU单元读取的直流电压 信号。AD采样模块采用片外专用AD芯片 AD7991,可实现高精度采样。MCU单元接收键盘信 号,确定相应的测量模块,将计算出的重量通过LCD 屏幕显示出来。蜂鸣器在称重发生异常时进行报 警。调试接口用于设备使用过程中的参数矫正和向 上位机提供检测数据的功能。

2.系统硬件设计

硬件电路包括电源模块、称重传感器模块H、信 号放大模块、电压检测模块、人机接口模块和报警模 块。

系统电源模块如图2所示，选用线性电源芯片 LM78系列和LM79系列，产生±5V电源。

称重传感器模块如图3所示，具有一

定弹性的 铝板以悬臂梁方式安装固定在钢板支架上，在铝板悬臂端上下对称的位置布置两片电阻应变片，构成 惠斯通电桥。等效电路&]如图4所示。

+ EXC和-EXC为激励信号输入端，加载稳定 的输入电压；+SIG和-SIG为信号输出端。理论 上,处于平衡状态的电桥两输出端等电位。当悬臂 结构受力时，电阻应变片发生形变，阻值发生改 变B]。电桥的输出信号如公式（1)所示：

从表1中看出，当被测物体在500g以下时,压 力传感器的输出信号小于3.5mV。图5表明，称重 传感器具有很好的线性度。

信号调理电路的作用是将传感器的微弱电压信 号通过具有高增益、低噪声干扰的仪表放大器转变成线性度较好的AD采样信号。仪表放大器是一种 具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益单 元?。其两个输入端具有较高的输入阻抗，且阻抗 平衡,具有较低的输入偏置电流,具有极低的输出阻 抗,在低频段通常仅有几毫欧（mH)。运算放大器 的闭环增益是由其反向输入端和输出端之间连接的 外部电阻决定的,仪表放大器使用一个与信号输入 端隔离的内部反馈电阻网络。仪表放大器的增益既 可由内部预置,又可通过引脚连接一个内部或者外 部增益电阻器设置，该增益电阻器也与信号输入端 隔离。

仪表放大器主要有一个或多个运算放大器及一 些电阻器构成的分立式结构和单片式结构两大类， 两种结构各有优缺点。通常，分立式结构仪表放大 器成本低,设计灵活,有时能提供单片式结构无法达 到的性能,例如高频带。单片式结构仪表放大器提 供了完整的仪表放大器功能，可以完全达到规定的 技术指标，出厂前经过微调，其DC精度高于分立式 结构。单片式仪表放大器还具有尺寸非常小、简单 易用的优势。本设计采用价格低廉的普通运算放大 器搭建一个仪表放大器，如图6所示。与运算放大 器电路相同,仪表放大器的输入缓冲放大器以单位 增益通过共模信号放大信号电压。来自两个缓冲器 的输出信号连接到仪表放大器的减法器单元，以低 增益或单位增益放大差分信号，从而抑制了共模 电压。

在图6中，R1=R5,R3=R6, R4 = R7。第一级放 大倍数为1 +2R1/R2,第二级放大倍数为R4/R3。总 增益为：

图7所示的AD7991是一种具有12位精度的片 外串行AD芯片,工作电压为3.3V。根据表1测得 的数据,500g砝码在称重传感器上产生的输出信号 为直流3. 3mV。从而本系统的称重精度为：

在公式(3 )中，Va为系统的电源电压，mMM为 称重的上限值，Vsensor为称重传感器的信号输出值, Av为仪表放大电路的总增益,n为AD采样的位数。 实际称重值见公式(4)：

系统组装结构如图8所示,整机包括底座、称重 传感器、托盘、信号处理板、主控板（包括MCU、按键 组件、显示屏等）、用于称重校准的砝码等。

3.软件设计

电子称重仪的软件设计流程图如图9所示。系统开机自检后完成基本初始化操作，无按键按下时, 实时检测与待测物体重量成线性比例的AD采样 值,检测到有按键按下时,根据按键的种类分别进入 各自的按键服务程序。

本系统采用定时查询的方式获取按键按下的信 息。按键1按下时,实现去皮功能,将当前AD采样 值设为重量零点值;按键2按下时，实现设置单价模 式下的当前位数值增加;按键3按下时,实现设置单 价模式下的当前位数值减少;按键4按下，实现设置 单价模式下的设置位左移1位;按键5按下，实现设 置单价模式下的设置位右移1位;按键6按下时,根 据按键的连续按下时间判别按键性质，长按按键6 进入单价设置模式,短按按键6时存储当前设置值, 确认设置结果。

电子称重仪系统能实现检测方式的手动与自 动切换、开机自检、测试校准、接入故障诊断、超限 报警等功能，且能实现LCD显示屏上的实时状态 更新。

4.测试结果与性能分析

本设计的电子称重仪测量范围在0 ~500g,根据 公式(3)可知,精确度为0.122毫克。表2给出了称 重仪测量的一批重量值,根据数据比较,得出电子称 重仪的误差在0. 8%以内，性能良好。

5.结论

本文设计的电子称重仪具有自动量程转换功 能,具有测量精度高、成本低等优点。经测试，该装 置各指标均达到设计要求，是一款性价比较高的低 成本产品。