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摘 要：本文针对户外电子秤精度不够高以及需外带电源提供电力支持的问题，提出了一种高精度微型太阳能电子称的设计，使得传统意义上的电子秤有了更大改善，便于人们生活当中的使用。结果表明，微型太阳能电子称可以精确的称量物体重量，太阳能电池板充放电效率也非常好。
关键词：电子秤；变阻式压力传感器；单片机；太阳能电池
1 引言
1.1国内研究现状
现今社会，无论是在企业、医院交易市场、交易市场，还是小到每个家庭，电子秤可以说是随处可见。它不仅拥有很多种类，而且拥有巨大的市场占有量。从日常生活中的简单的测量重量到工厂里产品的重量的检测，电子秤在越来越多的方面得到应用。随着市场需求的不断变化以及测重技术的飞跃发展，电子秤的技术性能趋向于高可靠性、高效率、高精确度。总的来说，电子秤技术正越来越模块化、集成化以及智能化。
1.2国外研究现状
国际社会上，很多西方发达国家研制出的電子秤准确度高，可靠性高，具有较高准确度、防水、耐腐蚀以及在高气压下正常工作的电子秤。目前，我国已经成功研制出了省电、功耗小以及能够利用光能的电子秤，不仅精度高，而且节能环保。
2 总体设计
2.1 工作原理阐述
根据设计要求，首先要将物体重量这个非电量转化为电量，因此需要传感器模块，传感器输出的的电量与物体的重量有一定的对应关系；但是只依靠这一关系推算出的重量不精确，而且不直观，所以需要对传感器输出的数据进行处理；信号的处理一般选用单片机来进行，但是单片机输入的是数字信号，而传感器的输出是模拟信号，因此在此之前还要对信号进行模/数转换，再输入单片机进行处理；单片机输出的信号可以采用数码管显示，或者是LCD显示，这样得到的结果不仅准确性得到提高，而且比较直观，给用户更好的体验。除了以上功能模块，本设计还加入了报警模块。太阳能电池方面可以为微型电子称提供源源不断的电源，无需备用电池及其它供电设备。
2.2 传感器的选择
数据采集模块电路的作用是将物体的重量这个非电量，转换为电压或者电流这些电量形式，以便后续的处理、输出，因此需要用到压力传感器。
方案一 采用压电式压力传感器 晶体的正压电效应是压电式压力传感器的主要工作原理。正压电效应是指当改变外力的大小时，晶体内部的电极性发生改变，所带的电荷量也发生改变。因此，可以通过测得改变的电荷量的大小，来得到施加的外力的大小。
市场上的压电式传感器种类很多，它们都有体积小，动态性好等优点。但是该传感器的弱点也比较明显：内阻较大、功率偏小，防噪声性能不是很突出，输出特性被严重影响，因此由它输出的能量比较薄弱，需要设计复杂的外接电路进行矫正。
方案二 采用电阻式压力传感器
电阻应变式传感器能够将各种力学物理量转换为电信号，主要是利用电阻应变效应制成的。电阻式压力传感器以电阻应变片为主要部件，这种电阻应变片不仅可以单独用来充当传感器，而且能作为敏感元件构成力学量传感器。电阻式压力传感器是一款常用的传感器，拥有很多的优点。使用比较灵敏，测量精度高，稳定性较好，分辨力高；应用领域比较广泛，许多机械量传感器都可以使用应变片制作而成；体积小，结构简单；操作简单方便，用户体验较好，便于远距离测量和商品化发展；对环境要求不高，可以在恶劣情况下正常工作，适应能力出色，在频率响应方面性能优越。
综合对比分析以上三种传感器的优缺点，再考虑到本次设计的要求为称重范围0～5Kg，误差不大于2g。因此，为了提高设计准确性、精确度以及可靠性，本次设计选用的是第三种方案，即采用电阻式压力传感器。
2.3 放大电路的选择与A/D转换器的选择
方案一 信号放大器采用AD620，A/D转换器芯片采用ADC0832
信号处理的两个部分可以分别由两个模块单独来完成。
信号放大部分一般可以使用AD620。AD620是通过外接电阻来达到放大的效果，增益范围可调，且精度高，成本低。模/数转换部分可采用较为常用的ADC0832。ADC0832是一款双通道，8位分辨率的A/D转换器，采用的是逐次逼近式的转换方法。它的兼容性高，体积小，因此经常被大家使用。将这两个模块连接形成电路，可以完成设计的指标，但是由于需要电路间的连接，所以会产生一些不可避免的误差和干扰，因此不是特别完美。而且ADC0832的精度不算太高，对于需要高精度的电子秤来说，不是最好的选择。
方案二 采用集成的高精度A/D转换器HX711
HX711内部不仅集成了信号放大模块，而且包含了一款高精度的24位A/D转换器。 不仅如此，HX711内部还集成了完成放大和转换功能所需要一些外围电路，比如稳压电源，时钟振荡器等。它的优点是精确度高，成本低，抗干扰能力强卓越且响应迅速。此外，HX711与单片机之间主要是通过管脚来驱动的，接口电路简单，不需要对芯片内的寄存器进行编程。
对比分析以上两种方案的优缺点，可以发现第二种方案更有优势，所以选择使用HX711作为信号处理模块的主要芯片。这样不仅能够节省成本，而且可以大大的提高设计的准确性和可靠性。
3太阳能供电系统设计
3.1 相关计算
（1）太阳能电池板面积验证
太阳能电池的最大功率为Pomp =A（m2）*1000（W/m2）*Elf。式中：A为电池面积，Elf为转换效率。
若最大功率取0.03W，转换效率取值10%，则最大所需面积为200cm2。在日照充足情况下，太阳能电池系统的电池板面积有足够的空间进行设计，满足直接给微型太阳能电子称供电的同时仍然能够给蓄电池进行充电。
（2）蓄电池容量
若采用3V蓄电池系统，计算电流（非工作电流）为0.03W/3=0.1A。蓄电池容量需求=0.1A×12h×2天=2.4AH，12h为连续工作时间，2天为最大运输时间。另外为了防止蓄电池过充和过放，蓄电池一般充电到90%左右；放电余留5%-20%左右。根据负载的不同，测出实际的损耗，实际的工作电流受恒流源、镇流器、线损等影响，预留20%-25%。因此，电池板的输出功率约为0.03W。
4 实验设计及验证
3.1 材料清单
3.2 制作注意要点
硬件电路部分涉及到电路设计的方方面面，不仅要考虑每个模块内部的电路如何搭建，器件如何选择，还要考虑到各模块之间的连接关系，选择最优的布线方式。只有将各个方面都考虑周全，电子秤的精度和可靠性才能够得到保证。
3.3实验测试
通过上述实验可知，该微型太阳能电子称灵敏度较高，太阳能充放电效率较好，适合在户外等发杂环境适用。
5 总结
针对户外电子秤精度不够高以及需外带电源提供电力支持的问题，提出了一种高精度微型太阳能电子称的设计。根据太阳能电池充放电原理，为电子称进行给电。最后，通过对微型太阳能电子称的称重和太阳能电池充放点的效率进行试验证明了该方式的有效性。后续，将对系统设计进行优化。
参考文献
[1] 韩九强，周杏鹏. 传感器与检测技术[M]. 北京：清华大学出版社 2010.
[2] 杨欣、莱？诺克斯（Len D M Nukes）、王玉凤.电子设计从零开始（第2版） [M] 清华大学出版社 2010.
[3] 白云飞.电子秤的发展现状和趋势[J].管理观察 2010，（5）：256.
[4] 戴夫·马修（美国）.衡器的发展[J].衡器，2013，（8）：53～55.
[5] 林志航. 太阳能电子秤设计[N]. 仲恺农业工程学院学报，2013，26（2）：53～55.
关键词：电子秤；变阻式压力传感器；单片机；太阳能电池
1 引言
1.1国内研究现状
现今社会，无论是在企业、医院交易市场、交易市场，还是小到每个家庭，电子秤可以说是随处可见。它不仅拥有很多种类，而且拥有巨大的市场占有量。从日常生活中的简单的测量重量到工厂里产品的重量的检测，电子秤在越来越多的方面得到应用。随着市场需求的不断变化以及测重技术的飞跃发展，电子秤的技术性能趋向于高可靠性、高效率、高精确度。总的来说，电子秤技术正越来越模块化、集成化以及智能化。
1.2国外研究现状
国际社会上，很多西方发达国家研制出的電子秤准确度高，可靠性高，具有较高准确度、防水、耐腐蚀以及在高气压下正常工作的电子秤。目前，我国已经成功研制出了省电、功耗小以及能够利用光能的电子秤，不仅精度高，而且节能环保。
2 总体设计
2.1 工作原理阐述
根据设计要求，首先要将物体重量这个非电量转化为电量，因此需要传感器模块，传感器输出的的电量与物体的重量有一定的对应关系；但是只依靠这一关系推算出的重量不精确，而且不直观，所以需要对传感器输出的数据进行处理；信号的处理一般选用单片机来进行，但是单片机输入的是数字信号，而传感器的输出是模拟信号，因此在此之前还要对信号进行模/数转换，再输入单片机进行处理；单片机输出的信号可以采用数码管显示，或者是LCD显示，这样得到的结果不仅准确性得到提高，而且比较直观，给用户更好的体验。除了以上功能模块，本设计还加入了报警模块。太阳能电池方面可以为微型电子称提供源源不断的电源，无需备用电池及其它供电设备。
2.2 传感器的选择
数据采集模块电路的作用是将物体的重量这个非电量，转换为电压或者电流这些电量形式，以便后续的处理、输出，因此需要用到压力传感器。
方案一 采用压电式压力传感器 晶体的正压电效应是压电式压力传感器的主要工作原理。正压电效应是指当改变外力的大小时，晶体内部的电极性发生改变，所带的电荷量也发生改变。因此，可以通过测得改变的电荷量的大小，来得到施加的外力的大小。
市场上的压电式传感器种类很多，它们都有体积小，动态性好等优点。但是该传感器的弱点也比较明显：内阻较大、功率偏小，防噪声性能不是很突出，输出特性被严重影响，因此由它输出的能量比较薄弱，需要设计复杂的外接电路进行矫正。
方案二 采用电阻式压力传感器
电阻应变式传感器能够将各种力学物理量转换为电信号，主要是利用电阻应变效应制成的。电阻式压力传感器以电阻应变片为主要部件，这种电阻应变片不仅可以单独用来充当传感器，而且能作为敏感元件构成力学量传感器。电阻式压力传感器是一款常用的传感器，拥有很多的优点。使用比较灵敏，测量精度高，稳定性较好，分辨力高；应用领域比较广泛，许多机械量传感器都可以使用应变片制作而成；体积小，结构简单；操作简单方便，用户体验较好，便于远距离测量和商品化发展；对环境要求不高，可以在恶劣情况下正常工作，适应能力出色，在频率响应方面性能优越。
综合对比分析以上三种传感器的优缺点，再考虑到本次设计的要求为称重范围0～5Kg，误差不大于2g。因此，为了提高设计准确性、精确度以及可靠性，本次设计选用的是第三种方案，即采用电阻式压力传感器。
2.3 放大电路的选择与A/D转换器的选择
方案一 信号放大器采用AD620，A/D转换器芯片采用ADC0832
信号处理的两个部分可以分别由两个模块单独来完成。
信号放大部分一般可以使用AD620。AD620是通过外接电阻来达到放大的效果，增益范围可调，且精度高，成本低。模/数转换部分可采用较为常用的ADC0832。ADC0832是一款双通道，8位分辨率的A/D转换器，采用的是逐次逼近式的转换方法。它的兼容性高，体积小，因此经常被大家使用。将这两个模块连接形成电路，可以完成设计的指标，但是由于需要电路间的连接，所以会产生一些不可避免的误差和干扰，因此不是特别完美。而且ADC0832的精度不算太高，对于需要高精度的电子秤来说，不是最好的选择。
方案二 采用集成的高精度A/D转换器HX711
HX711内部不仅集成了信号放大模块，而且包含了一款高精度的24位A/D转换器。 不仅如此，HX711内部还集成了完成放大和转换功能所需要一些外围电路，比如稳压电源，时钟振荡器等。它的优点是精确度高，成本低，抗干扰能力强卓越且响应迅速。此外，HX711与单片机之间主要是通过管脚来驱动的，接口电路简单，不需要对芯片内的寄存器进行编程。
对比分析以上两种方案的优缺点，可以发现第二种方案更有优势，所以选择使用HX711作为信号处理模块的主要芯片。这样不仅能够节省成本，而且可以大大的提高设计的准确性和可靠性。
3太阳能供电系统设计
3.1 相关计算
（1）太阳能电池板面积验证
太阳能电池的最大功率为Pomp =A（m2）*1000（W/m2）*Elf。式中：A为电池面积，Elf为转换效率。
若最大功率取0.03W，转换效率取值10%，则最大所需面积为200cm2。在日照充足情况下，太阳能电池系统的电池板面积有足够的空间进行设计，满足直接给微型太阳能电子称供电的同时仍然能够给蓄电池进行充电。
（2）蓄电池容量
若采用3V蓄电池系统，计算电流（非工作电流）为0.03W/3=0.1A。蓄电池容量需求=0.1A×12h×2天=2.4AH，12h为连续工作时间，2天为最大运输时间。另外为了防止蓄电池过充和过放，蓄电池一般充电到90%左右；放电余留5%-20%左右。根据负载的不同，测出实际的损耗，实际的工作电流受恒流源、镇流器、线损等影响，预留20%-25%。因此，电池板的输出功率约为0.03W。
4 实验设计及验证
3.1 材料清单
3.2 制作注意要点
硬件电路部分涉及到电路设计的方方面面，不仅要考虑每个模块内部的电路如何搭建，器件如何选择，还要考虑到各模块之间的连接关系，选择最优的布线方式。只有将各个方面都考虑周全，电子秤的精度和可靠性才能够得到保证。
3.3实验测试
通过上述实验可知，该微型太阳能电子称灵敏度较高，太阳能充放电效率较好，适合在户外等发杂环境适用。
5 总结
针对户外电子秤精度不够高以及需外带电源提供电力支持的问题，提出了一种高精度微型太阳能电子称的设计。根据太阳能电池充放电原理，为电子称进行给电。最后，通过对微型太阳能电子称的称重和太阳能电池充放点的效率进行试验证明了该方式的有效性。后续，将对系统设计进行优化。
参考文献
[1] 韩九强，周杏鹏. 传感器与检测技术[M]. 北京：清华大学出版社 2010.
[2] 杨欣、莱？诺克斯（Len D M Nukes）、王玉凤.电子设计从零开始（第2版） [M] 清华大学出版社 2010.
[3] 白云飞.电子秤的发展现状和趋势[J].管理观察 2010，（5）：256.
[4] 戴夫·马修（美国）.衡器的发展[J].衡器，2013，（8）：53～55.
[5] 林志航. 太阳能电子秤设计[N]. 仲恺农业工程学院学报，2013，26（2）：53～55.