新型便携式电子秤设计摘 要 本文研究了一种利用变极距电容式传感器实现质量-电量转换、以PIC16F877单片机为信息处理核心的便携式电子秤,论述了仪器的测量原理,介绍了减少变极距电容式传感器质量称量误差的自校准方法,给出了仪器原理框图、单片机单元硬件电路和仪器程序流程图。关键词 电子秤;变极距电容式称重传感器;自校准;PIC16F877单片机0 引言目前,台式电子秤在商业销售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电,不能随身携带,商贩更改不易发现,应用前景受到制约。现有的便携秤为杆秤和弹簧秤,计量误差较大,属国家明令淘汰产品。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(袖珍电子秤)投放市场。为此,本文研究了一种利用变极距电容式传感器实现质量-电量转换、以低功耗单片机PIC16F877为信息处理核心的便携式电子秤。这种新型电子秤体积小,计量准确,快速方便,集质量称量功能与价格计算功能于一体,可以满足贸易商贩和家庭使用需要。仪器的最大称量为15kg,分度值10g,精度等级Ⅲ级,采用电池供电,具有自检、去皮、计价、累计、单价设定、自动休眠、中文提示等智能功能。1 仪器的构成与测量原理1・1 仪器的构成便携式电子秤硬件系统由变极距电容式传感器、高稳定参考电容、定时器、模拟开关、单片机系统、键盘、LCD显示器等组成。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。仪器结构框图如图1所示。图1 仪器结构框图1・2 仪器的测量原理本文研究的便携式电子秤采用变极距电容式传感器,它的电容量很小,仅几十至几百皮法。仪器设计中,将调理电路紧靠传感器的极板,尽量减小信号线分布电容的影响,并利用单片机对电容式传感器的温度特性和非线性特性进行了补偿。变极距电容式传感器由一对距离可变的平行极板构成,其一固定,其二为活动板,两板以弹性元件相连。称量时,被测试样向活动板施加拉力,两极板距离发生变化,平板电容器的电容量发生相应变化。此时,活动板的位移与被测试样的质量成正比:Δd
aΔm (1)式中:a为质量与两极板距离的转换系数;Δm为被测试样的质量。由于两极板的面积很大,而它们之间的距离很小,所以两极板构成的电容只与极距有关,可以忽略极板的边缘效应。两极板间的电容量为:C
ε・S/d (2)式中:ε为极板间介质的介电常数;S为极板的面积;d为极板间的距离。质量称量时,电容极板间距的变化将导致电容量的变化量。但电容的直接测量非常困难。因此,系统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,并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。电容―频率转换框图如图2所示。两路频率分别送入后级处理电路,经数据选择传入单片机系统。1・3 仪器的自校准电容传感器可以利用参考电容进行测量补。
