基于虚拟仪器的多功能电子秤设计

基于虚拟仪器技术的多功能电子 秤，结合了虚拟仪器、数据采集和传 感器技术，主要使用LabVEW为软件 开发平台，采用PC机为主机，加上硬 件(传感器、数据采集卡和信号调整 电路）的配置，实现了电子秤的智能 化。具有成本低、精度高、扩展性强的 特点。

0.引言

虚拟仪器技术是现代计算机技术与 仪器技术深层结合的产物，是一种充分 利用计算机的运算、存储、回放显示及文 件管理等智能化功能的技术，同时把传统 仪器的专业功能和面板控件软件化，使 之与计算机结合构成一台功能完全与传 统台式仪器相同，同时又充分利用了计算 机软硬件资源的全新的虚拟仪器系统。与 传统仪器相比，虚拟仪器的最大特点是其 功能由软件定义，可以由用户根据应用需 要进行软件的编写，选择不同的应用软件 就可以形成不同的虚拟仪器。本文介绍基 于虚拟仪器技术的多功能电子秤设计，其 基本原理是先将应变桥所采集到的电压 数据进行放大，再通过数据采集卡发送 到PC机，再基于PC机的上层应用软件 LabVIEW进行数据处理及显示操作界面 的设计。本系统可实现物体质量的精确测 量，其精确精度可精确到小数点后4位， 测量范围为0-200g。

系统由硬件电路和软件两部分组成， 其中，硬件部分包括双孔悬臂应变梁传感 器、数据采集卡(NI USB- 6251)、仪器运算

放大器AD620(用于信号调整电路）和PC 机;软件部分包括LabVIEW编写数据处 理和用户数据显示界面。系统中数据采集 及处理的过程如图1所示：数据采集卡先 对电压数据进行采集，然后送至PC机，在 PC机上使用LabVIEW编写好的程序对 数据进行处理和显示，构成基于虚拟仪器 技术的多功能电子秤。

2.硬件设计

硬件设计主要包括信号调整电路的 设计和传感器的选择两个部分。

2. 1信号调整电路

信号调整电路对信号进行放大处理 时需要考虑高精度、低失调电压和低失调 漂移，所以选择AD620仪器运算放大器。 AD620仪器运算放大器由传统的三个普 通运算放大器发展而成，但一些主要性 能却优于三个普通运算放大器构成的仪 表放大器的设计，不仅具有高精度（最大 非线性度40 ppm)、低失调电压（最大50 (i V)和低失调漂移（最大0.6 (i V/ C) 特性，并且设计体积小，功耗非常低（最 大供电电流仅1.3 mA),因而也适用于低 电压、低功耗的应用场合。信号调整电路 如图2所示。

AD620増益公式如下：

G=49.4k Q/RG+1 (1)

2. 2 双孔悬臂应变梁 双孔悬臂梁式称重传感器是电子计

价秤中广泛使用的传感器。这种传感器 的弹性体具有上下两个平行梁。它的最大 特点就是具有抗偏载的力学特性:也就是 说弹性体的应变量只取决于作用在弹 性体平面内且与轴线相垂直的力分量，而 与其他分量无关。

如图3(左)所示，对于双孔结构，应变 梁在力的作用下，R1、R2、R3、R4各电 阻应变情况分别为+ ^*、- ￡ +6?、- ￡ ;为力P产生的应变，在各贴片处f的数 值相同其中” +”表示拉应变，' ”表示压 应变。

本实验所用的应变梁中，R1、R2串 联、对应上表面三根引出线，R3、R4串联， 对应下表面三根引出线。如图（(右)所示。

3.软件部分

软件设计主要是基于LabVIEW语言 进行编程实现。LabVIEW (Laboratory Virt ual Instrument Engineering Workbench)与 C 和Basic类似也是一种通用的编程系统， 使用一种用图标代替文本行创建应用程 序的图形化编程语言又称为“G语言”。优 点：1、提供很多外观与传统仪器(如示波 器、万用表)类似的控件，可用来方便地创 建用户界面，用户可以根据自己的需要定 义和制造各种仪器，利用计算机强大的数 据处理功能，创造出各种功能的仪器。2、 每一个模块都相对独立，可以独立地进行 设计，研制，调试以及修改，从而是复杂的 工作得到简化。

软件部分包括程序框图设计和前面 板设计。

3.1LabVIEW程序框图设计

本系统的程序框图分为两个部分：数 据采集子程序和数据处理子程序。

数据采集子程序框图如图4所示，， 它负责对被测物体的质量进行采集然后 以电压形式输送到PC机的程序。在while 循环里，利用顺序结构完成数据采集的初 始化、开始、写入、读取以及停止，从而实 现石去码对于传感器所产生电压读取的功 能。具体是对输入电压初始化，创建模拟 输出通道AO通道和模拟输入通道AI通道，设置单通道单采样的写入通道以及设 置模拟波形1通道N来采样，最终停止数 字输出任务，清除通道。在采集好vout数 据之后，需要把采集的电压数据转化为初 始质量。

利用传感器的公式，可得电压转化为 质量的公式如下：

经过多次实验的测量，m-v初始系 数7.9035E- 7，再根据公式(2)求得初始质量。

由公式(2)可看出，mv系数的大小 直接影响到质量的精准度，所以需要在后 续数据处理实验中把初始质量与理论质 量相比较，对m-v初始系数进行不断地微调，使测得的质量接近理论值。

数据处理子程序框图(a) ((b)如图5 所示，这段程序主要实现对于初始质量的 微调功能。其基本原理是：将初始质量与 理论值相比，如果差值绝对值大于0.1，则 将初始m- v系数7.9035E- 7相加3.6E-8, 得到新的mv系数，由公式2可得到m-v 系数微调之后的质量，再循环比较，不断 微调m- v系数，使最终m- v系数微调之 后的质量与理论值的误差小于0.1，输出 结果。

3.2LabVIEW前面板设计

连接好PC后打开系统LabVIEW程序，进入前面板的用户操作界面，配置好 正确的AO，AO通道及Vout通道，打开图像可显示50g砝码的实际质量，实现多 组数据的测量。实验结束后，如果有需要， 也可把实验数据导入Excel,制作成图像 进行进一步分析，实现电子秤的多功能。

实验结果表明：系统实现了对质量信 号的精确采集，通过前面板我们能非常直 观的看到当前所测的物体质量并且可以 看出误差较小，可精确到小数点后4位， 点击stop按钮即可退出系统。本系统实现 了对质量进行精确测量的电子秤功能。

4.结论

利用虚拟仪器技术实现了智能电子秤功能，具有测量精确，实时性强等优点， 该系统的扩展性极强，下一步将扩展其功 能，如远程测量、用户登录等，该电子秤可 用于医院药剂称量，实验室精密测量等测 控领域。