现有便携秤的不足与新型便携式电子秤研究

质量论坛

48

质量监督·聪明消费

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1995年1月1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%一60%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已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）已迫在眉睫。

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。

（一）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转换方法有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。

（二）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，则T=kC，当c<100pF时，

[摘　要]　目前，台式电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍，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。

[关键词]　便携秤；电子秤；设计

刘 茹 （扬州市计量测试技术研究所，江苏　扬州 225009）

现有便携秤的不足

与新型便携式电子秤研究

广西质量监督导报

49

质量监督·聪明消费

振荡器输出脉冲周期T与c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 0，则当数据选择切换测量通道(fx，fc)时，555输出脉冲的周期分别为:T rcf =K(Cref+E 0), Tx=K(C x +E 0)；式中，Cref为参考电容；C X 为电容式传感器。参考电容Cref越接近被测电容C x ，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1节1.5V(AA)电池，经DC－DC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用MAx1676芯片。（1）MAX1676。MAX1676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Dc－Dc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DC－DC 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N－MOSFET的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。DC一DC升压型DC一DC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MPLAB一ICD，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2.5V一5.5V，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1/0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4×4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△C 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

（下转５２页）