目前，臺式電子秤在商業(yè)貿易中的使用己相當普遍，但存在較大的局限性：體積大、成本高、需要 工頻交流電源供應、攜帶不便、應用場(chǎng)所受到制約?，F有的便攜秤為桿秤或以彈簧壓縮、拉伸變形來(lái)實(shí)現計量的彈 簧秤，居民用戶(hù)使用的是國家己經(jīng)明令淘汰的桿秤。多年來(lái)，人們一直期待測量準確、攜帶方便、價(jià)格低廉的便攜式電子秤投放市場(chǎng)。本文在分析現有便攜秤和電子秤不足的基礎上，嘗試設計一種便攜式電子秤。

一、現有便攜秤和電子秤的不足

現有的便攜秤為桿秤或以彈簧壓縮、拉伸變形來(lái)實(shí)現計量的彈簧秤，居民用戶(hù)使用的基本是桿秤。這種在我國沿襲 了兩千多年的木桿秤，國家工商管理局與國家技術(shù)監督局早在1995年1月1日就已經(jīng)頒布了禁止在全國城鄉農貿市場(chǎng)、固 定攤點(diǎn)使用桿秤的規定。彈簧秤制造工藝要求較高，彈簧的疲勞問(wèn)題無(wú)法徹底解決，一旦超過(guò)彈簧彈性限度，彈簧秤就會(huì ) 產(chǎn)生很大誤差，以至損壞，影響到稱(chēng)重的準確性和可靠性，只是一種暫時(shí)的代用品，也被列入逐漸取消的行列。近年來(lái)， 農貿市場(chǎng)及其它商貿活動(dòng)中被廣泛使用的是彈簧度盤(pán)秤和臺式電子計價(jià)秤。彈簧度盤(pán)秤允許使用于80年代末，具有構造簡(jiǎn) 單、體積小巧和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。作為4級秤，彈簧度盤(pán)秤在準確度、耐用性和防欺騙性等方面都優(yōu)于桿秤，因而被廣泛 地應用于農貿市場(chǎng)。近年來(lái)，彈簧度盤(pán)秤的質(zhì)量問(wèn)題比較突出，幾次監督抽查，產(chǎn)品的抽樣合格率均在40%—60%之間。彈簧度盤(pán)秤產(chǎn)品的問(wèn)題主要是計量精度嚴重超差，面示值不同步，產(chǎn)品強度低，壽命短。與彈簧度盤(pán)秤相比，臺式電子計價(jià) 秤具有反應靈敏、準確度高，功能齊全、顯示直觀(guān)、使用方便等特點(diǎn)，在商業(yè)貿易中的使用己相當普遍但又存在較大的局 限性：體積大、成本高、需要工頻交流電源供應、攜帶不便、應用場(chǎng)所受到制約。而且，目前臺式電子秤行業(yè)混亂、無(wú)序 狀況也引起了國家有關(guān)部門(mén)的高度重視?，F代社會(huì )的發(fā)展，對稱(chēng)重技術(shù)提出了更高的要求，尤其是微處理技術(shù)和傳感技術(shù) 的巨大進(jìn)步，大大加速了這個(gè)進(jìn)程?；诋斍半娮映雍捅銛y秤的現狀和不足，人們高度重視發(fā)展小型化的普及型的便攜式 電子秤，設計一種重量輕、攜帶方便、計量準確、讀數直觀(guān)、價(jià)格低廉的便攜式電子秤（袖珍電子秤）己迫在眉睫。

二、便攜式電子秤的稱(chēng)量原理

影響電子秤測量精度的因素較多。如寄生效應使傳感器電容相對變化量大大降低，導致靈敏度顯著(zhù)下降；質(zhì)量值與 電容變化量不成比例，導致傳感器輸出的非線(xiàn)性；被測電容變化量小，而又要求靈敏度高時(shí)，噪聲影響將很?chē)乐氐?。這些 因素的存在，使電容傳感器特性不穩定，且測量精度不高，嚴重時(shí)甚至無(wú)法工作。因此，保證測量精度除了采用上述材 料、工藝、尺寸設計外，還需采用合適的電容量變化的測量方法。

(一)數字化測量原理。數字化測量首先是將傳感器的電容量變?yōu)轭l率信號，即實(shí)現C—f轉換。常用的C—f轉換方法 有LC振蕩和RC振蕩，線(xiàn)路結構簡(jiǎn)單，受電源等外界因素影響小，振蕩頻率穩定。鑒于儀器測量質(zhì)量只須檢測出電容傳感器 容量的變化量，因此，儀器擬通過(guò)555多諧振蕩器將不易測量的電容變化量轉換成易于測量的頻率信號的變化量。儀器采 用高穩定參考電容生成參考頻率信號，消除系統誤差，實(shí)現高精度測量。

(二)利用參考電容進(jìn)行測量補償。已知555輸出脈沖的周期T為：T=ln2RC,若設K=In2R,貝ljT=kC,當c<100pF時(shí)，振蕩器輸出脈沖周期T與c之間有一定的非線(xiàn)性，T會(huì )受到555端電容 的影響。設儀器的誤差源為E。，則當數據選擇切換測量通道(ft, fc) 時(shí)，555輸出脈沖的周期分別為:Trf=K(Cref+E。)，Tx=K(q_+E。)；式中， Cref為參考電容；CX為電容式傳感器。參考電容Cref越接近被測電容 Cx,相對誤差越小。而且，由于非線(xiàn)關(guān)系、環(huán)境溫度變化、電阻值 變化、555端電容影響等因素引起的系統差也可進(jìn)步消除。

三、新型便攜式電子秤的設計

便攜式智能儀器的硬件設計以輕巧、簡(jiǎn)單、低功耗、低成本為 原則，盡量采用集成化芯片，減小電路規模。本章對便攜式電子秤 的電路設計進(jìn)行介紹，并對幾種主要單元電路分別進(jìn)行詳細論述。 儀器電路設計中，需注意以下幾點(diǎn)：（一）考慮到傳感器的問(wèn)題， 在電路設計上，最大限度的降低對傳感器的精度要求。（二）設計 的電路，在保證質(zhì)量穩定的前提下，追求盡可能低的成本。（三） 盡量采用低功耗、微功耗集成化芯片，減小電路復雜性。（四）充 分兼顧三級電子秤的檢定規程JJG555—96。目前，相當多的電子秤 專(zhuān)用芯片或電路方案活躍在市場(chǎng)上，但其中絕大多數僅考慮電路部 分的廉價(jià)問(wèn)題，沒(méi)有將電路與傳感器作為一個(gè)系統來(lái)考慮;甚至有些 廠(chǎng)家只求廉價(jià)，不惜降低質(zhì)量標準，與國家取消桿秤的初衷不符。

1.便攜式電子秤的構成

便攜式電子秤硬件系統由電容式傳感器、高穩定參考電容、數 據選擇器、單片機系統、鍵盤(pán)/開(kāi)關(guān)、LCD顯示器等組成。

2.電源電路

為使儀器能按照要求正常工作，第一步設計，即精確、穩定 的電源供給設計至關(guān)重要。便攜式電子秤供電電源為1節1. 5V(AA) 電池，經(jīng)DC—DC電源變換后成為各電路單元穩定的5V供電電壓。 在設計上要求電源芯片技術(shù)指標滿(mǎn)足電路要求、耗電省、安全性 好、占空間小、重量輕、性能價(jià)格比高。便攜式電子秤電源設計選 用MAx1676芯片。（1) MAX1676。MAX1676是美國MAXIM公司生產(chǎn)的 集低靜態(tài)電流、高轉換效率、超小型產(chǎn)MAX封裝、輸出電壓可調、 噪聲低于一身的新型升壓型Dc—Dc轉換器。MAX1676可廣泛應用于 便攜式設備、無(wú)繩電話(huà)、醫療器械等產(chǎn)品。MAX1676主要控制特性 為快速關(guān)斷、峰值電流可調的PFM (脈沖頻率調制）升壓型DC—DC 轉換器。該轉換器結合了PFM超低靜態(tài)電流和PWM (脈沖寬度調制） 的高輸出電壓、高轉換效率的優(yōu)點(diǎn)。MAX1676無(wú)內部振蕩器，恒定 的峰值電流的限制使得電路的電感電流能夠在其限制值內連續變 化，小負載時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率由一對單向開(kāi)關(guān)管決定，典型的最小關(guān)斷 時(shí)間為1us,最大導通時(shí)間為4us。而流過(guò)峰值電流的N—MOSFET的 開(kāi)關(guān)頻率則取決于電路負載的大小和輸入電壓值，其最高頻率可達 50kHz,內部N—MOSFET的峰值電流為1A。（2)電源電路設計。儀器 采用MAX1676信號的電源電路。DC—DC升壓型DC—DC轉換芯片構成一 個(gè)提供5V直流升壓轉換電路。MAX1676具有電池欠壓檢測功能，整個(gè) 儀器雖然采取了低功耗設計，但不能避免電池能源的消耗。因此， 儀器利用這一功能，提醒用戶(hù)更換電池。儀器設定在電池電壓低于 1V時(shí)，產(chǎn)生欠壓提示。

3.單片機系統設計

以單片機或嵌入式系統等為主體的便攜式智能儀器可由軟件完成眾多的數據處理和控制任務(wù)。儀器選擇PLC單片機開(kāi)發(fā)應用軟件。PLC系列單片一機是美國Microchip技術(shù)公司的極有代表性的低價(jià)格、高性能單片機。PIC單片機能直接驅動(dòng)液晶顯示器、跳變中斷的輸入端口能方便地接收按鍵輸入、有多級外部及內部中斷、可通過(guò)程序禁止主晶振振蕩而使單片機進(jìn)入低功耗狀態(tài)。這些特征非常適合電池供電、液晶顯示的便攜式智能儀器。（1) PIC16F877單片機。項目選擇可以在線(xiàn)調試和在線(xiàn)編程的PIC16F877單片機開(kāi)發(fā)第一代電子秤產(chǎn)品。借助于專(zhuān)門(mén)的在線(xiàn)調試工具套件MPLAB—ICD, PIC16F877能實(shí)現硬件仿真和程序燒寫(xiě)，比開(kāi)發(fā)其他PIC型號單片機更簡(jiǎn)便易行。PIC16F877單片機采用40引腳的PDPI封裝。電源電壓范圍2.5V—5.5V,時(shí)鐘頻率DC~20MHz;程序計數器PC13位寬；SKxl4bit的片內FLASH程序存儲器，368xsbit的數據SRAM存儲器及同步串行模塊，256字節EEPROM數據存儲器；5組可編程的雙向1/O端口，大部分具有二、三種功能復用；具有TMRO溢出中斷、外部中斷、端口B變化中斷、TMRI中斷等14個(gè)中斷源；8級硬件堆棧；具有看門(mén)狗WDT、上電延時(shí)復位、掉電延時(shí)復位等電路；可在線(xiàn)串行編程。（2)單片機系統的工作流程。上電后，PIC16F877單片機的RB口電平變化中斷檢測4X4矩陣鍵盤(pán)中是否有按鍵按下，鍵值處理由單片機軟件完成。PIC16F877單片機借助數據選擇器SN74HC157控制選擇頻率測量信號的輸入通道，ICM7556再將對應電容量轉換成脈沖頻率信號，即參考電容Cref由555生成fc;電容式傳感器Cx生成fx, Plc16F877軟件解決非線(xiàn)性校正和各類(lèi)補償問(wèn)題，最終實(shí)現傳感器單元的測量。PIC16F877通過(guò)測量脈沖實(shí)現傳感器電容變換量AC的測量，從而計算出被測試樣的質(zhì)量m并將運算結果傳送至LCD顯示。（3)鍵盤(pán)/開(kāi)關(guān)輸入電路。鍵盤(pán)輸入是實(shí)現電子秤人機交互的部分。根據儀器要求的功能，設計了由16個(gè)按鍵（4x4矩陣鍵盤(pán)）和1個(gè)扳鍵開(kāi)關(guān)組成的鍵盤(pán)/開(kāi)關(guān)輸入電路，鍵開(kāi)關(guān)控制儀器電源的通斷；16個(gè)按鍵分別是10個(gè)數字鍵0J、小數點(diǎn)鍵和5個(gè)功能鍵。16個(gè)按鍵按4行4列排列成4x4矩陣鍵盤(pán)。電子秤鍵盤(pán)操作的軟件管理功 能如下：（1)稱(chēng)重過(guò)程。將被稱(chēng)物品垂直吊掛在秤鉤上，穩定后，被稱(chēng)物品重量稱(chēng)好，按“保持”鍵儲存；取下被稱(chēng)物品，顯示屏顯 示物品凈重量數值并自動(dòng)保持（一旦進(jìn)入重量保持狀態(tài)后，只有按“去皮”鍵才能退回到正常稱(chēng)重狀態(tài)）；稱(chēng)重前，若顯示的值不為 0.000,則按“去皮”鍵清除為0.000;若被稱(chēng)物品需用盛器裝載，先將盛器吊掛在秤鉤上，按“去皮”鍵，屏幕顯示為0.000,然后裝入被 稱(chēng)物品進(jìn)行稱(chēng)量。在顯示單價(jià)狀態(tài)下，應先按“轉換”鍵，再按“去皮”鍵，才可進(jìn)入正常稱(chēng)重狀態(tài)，不在顯示單價(jià)狀態(tài)下，直接按“ 去皮”鍵即可。當重量顯示超過(guò)最大秤量值10kg時(shí)，顯示器熄滅，表示儀器處于超載狀態(tài)。電子秤不允許超載使用。（2)單價(jià)輸入及清 除。稱(chēng)重結束取下物品(己在重量保持狀態(tài)下)，再直接按數字鍵輸入單價(jià)。單價(jià)清除按“清除”鍵。（3)顯示金額。當單價(jià)置入后，按 “轉換”鍵，則顯示本次稱(chēng)量的金額；若顯示“E”表示超出計價(jià)范圍。按“去皮”鍵，又可進(jìn)行稱(chēng)量。（4)金額累計。如果需要將幾 種金額累加就得使用“累計”鍵。在每次稱(chēng)完物品顯示金額狀態(tài)下，按“累計”鍵，就把該次金額累加到總額中去。若顯示“E” ,表 示累計總額值超出計價(jià)范圍。（5)校正。按“校正”鍵超過(guò)1分鐘，儀器修正信息處理中擬合函數的系數，完成非線(xiàn)性校正。