基于虛擬儀器技術(shù)的多功能電子 秤，結(jié)合了虛擬儀器、數(shù)據(jù)采集和傳 感器技術(shù)，主要使用LabVEW為軟件 開發(fā)平臺(tái)，采用PC機(jī)為主機(jī)，加上硬 件(傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和信號(hào)調(diào)整 電路）的配置，實(shí)現(xiàn)了電子秤的智能 化。具有成本低、精度高、擴(kuò)展性強(qiáng)的 特點(diǎn)。

0.引言

虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與 儀器技術(shù)深層結(jié)合的產(chǎn)物，是一種充分 利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算、存儲(chǔ)、回放顯示及文 件管理等智能化功能的技術(shù)，同時(shí)把傳統(tǒng) 儀器的專業(yè)功能和面板控件軟件化，使 之與計(jì)算機(jī)結(jié)合構(gòu)成一臺(tái)功能完全與傳 統(tǒng)臺(tái)式儀器相同，同時(shí)又充分利用了計(jì)算 機(jī)軟硬件資源的全新的虛擬儀器系統(tǒng)。與 傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器的最大特點(diǎn)是其 功能由軟件定義，可以由用戶根據(jù)應(yīng)用需 要進(jìn)行軟件的編寫，選擇不同的應(yīng)用軟件 就可以形成不同的虛擬儀器。本文介紹基 于虛擬儀器技術(shù)的多功能電子秤設(shè)計(jì)，其 基本原理是先將應(yīng)變橋所采集到的電壓 數(shù)據(jù)進(jìn)行放大，再通過數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送 到PC機(jī)，再基于PC機(jī)的上層應(yīng)用軟件 LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示操作界面 的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)物體質(zhì)量的精確測 量，其精確精度可精確到小數(shù)點(diǎn)后4位， 測量范圍為0-200g。

系統(tǒng)由硬件電路和軟件兩部分組成， 其中，硬件部分包括雙孔懸臂應(yīng)變梁傳感 器、數(shù)據(jù)采集卡(NI USB- 6251)、儀器運(yùn)算

放大器AD620(用于信號(hào)調(diào)整電路）和PC 機(jī);軟件部分包括LabVIEW編寫數(shù)據(jù)處 理和用戶數(shù)據(jù)顯示界面。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集 及處理的過程如圖1所示：數(shù)據(jù)采集卡先 對(duì)電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后送至PC機(jī)，在 PC機(jī)上使用LabVIEW編寫好的程序?qū)?/span> 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，構(gòu)成基于虛擬儀器 技術(shù)的多功能電子秤。

2.硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)調(diào)整電路的 設(shè)計(jì)和傳感器的選擇兩個(gè)部分。

2. 1信號(hào)調(diào)整電路

信號(hào)調(diào)整電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理 時(shí)需要考慮高精度、低失調(diào)電壓和低失調(diào) 漂移，所以選擇AD620儀器運(yùn)算放大器。 AD620儀器運(yùn)算放大器由傳統(tǒng)的三個(gè)普 通運(yùn)算放大器發(fā)展而成，但一些主要性 能卻優(yōu)于三個(gè)普通運(yùn)算放大器構(gòu)成的儀 表放大器的設(shè)計(jì)，不僅具有高精度（最大 非線性度40 ppm)、低失調(diào)電壓（最大50 (i V)和低失調(diào)漂移（最大0.6 (i V/ C) 特性，并且設(shè)計(jì)體積小，功耗非常低（最 大供電電流僅1.3 mA),因而也適用于低 電壓、低功耗的應(yīng)用場合。信號(hào)調(diào)整電路 如圖2所示。

AD620増益公式如下：

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

2. 2 雙孔懸臂應(yīng)變梁 雙孔懸臂梁式稱重傳感器是電子計(jì)

價(jià)秤中廣泛使用的傳感器。這種傳感器 的彈性體具有上下兩個(gè)平行梁。它的最大 特點(diǎn)就是具有抗偏載的力學(xué)特性:也就是 說彈性體的應(yīng)變量只取決于作用在彈 性體平面內(nèi)且與軸線相垂直的力分量，而 與其他分量無關(guān)。

如圖3(左)所示，對(duì)于雙孔結(jié)構(gòu)，應(yīng)變 梁在力的作用下，R1、R2、R3、R4各電 阻應(yīng)變情況分別為+ ^*、- ￡ +6?、- ￡ ;為力P產(chǎn)生的應(yīng)變，在各貼片處f的數(shù) 值相同其中” +”表示拉應(yīng)變，' ”表示壓 應(yīng)變。

本實(shí)驗(yàn)所用的應(yīng)變梁中，R1、R2串 聯(lián)、對(duì)應(yīng)上表面三根引出線，R3、R4串聯(lián)， 對(duì)應(yīng)下表面三根引出線。如圖（(右)所示。

3.軟件部分

軟件設(shè)計(jì)主要是基于LabVIEW語言 進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。LabVIEW (Laboratory Virt ual Instrument Engineering Workbench)與 C 和Basic類似也是一種通用的編程系統(tǒng)， 使用一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程 序的圖形化編程語言又稱為“G語言”。優(yōu) 點(diǎn)：1、提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器(如示波 器、萬用表)類似的控件，可用來方便地創(chuàng) 建用戶界面，用戶可以根據(jù)自己的需要定 義和制造各種儀器，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù) 據(jù)處理功能，創(chuàng)造出各種功能的儀器。2、 每一個(gè)模塊都相對(duì)獨(dú)立，可以獨(dú)立地進(jìn)行 設(shè)計(jì)，研制，調(diào)試以及修改，從而是復(fù)雜的 工作得到簡化。

軟件部分包括程序框圖設(shè)計(jì)和前面 板設(shè)計(jì)。

3.1LabVIEW程序框圖設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的程序框圖分為兩個(gè)部分：數(shù) 據(jù)采集子程序和數(shù)據(jù)處理子程序。

數(shù)據(jù)采集子程序框圖如圖4所示，， 它負(fù)責(zé)對(duì)被測物體的質(zhì)量進(jìn)行采集然后 以電壓形式輸送到PC機(jī)的程序。在while 循環(huán)里，利用順序結(jié)構(gòu)完成數(shù)據(jù)采集的初 始化、開始、寫入、讀取以及停止，從而實(shí) 現(xiàn)石去碼對(duì)于傳感器所產(chǎn)生電壓讀取的功 能。具體是對(duì)輸入電壓初始化，創(chuàng)建模擬 輸出通道AO通道和模擬輸入通道AI通道，設(shè)置單通道單采樣的寫入通道以及設(shè) 置模擬波形1通道N來采樣，最終停止數(shù) 字輸出任務(wù)，清除通道。在采集好vout數(shù) 據(jù)之后，需要把采集的電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為初 始質(zhì)量。

利用傳感器的公式，可得電壓轉(zhuǎn)化為 質(zhì)量的公式如下：

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)的測量，m-v初始系 數(shù)7.9035E- 7，再根據(jù)公式(2)求得初始質(zhì)量。

由公式(2)可看出，mv系數(shù)的大小 直接影響到質(zhì)量的精準(zhǔn)度，所以需要在后 續(xù)數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)中把初始質(zhì)量與理論質(zhì) 量相比較，對(duì)m-v初始系數(shù)進(jìn)行不斷地微調(diào)，使測得的質(zhì)量接近理論值。

數(shù)據(jù)處理子程序框圖(a) ((b)如圖5 所示，這段程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)于初始質(zhì)量的 微調(diào)功能。其基本原理是：將初始質(zhì)量與 理論值相比，如果差值絕對(duì)值大于0.1，則 將初始m- v系數(shù)7.9035E- 7相加3.6E-8, 得到新的mv系數(shù)，由公式2可得到m-v 系數(shù)微調(diào)之后的質(zhì)量，再循環(huán)比較，不斷 微調(diào)m- v系數(shù)，使最終m- v系數(shù)微調(diào)之 后的質(zhì)量與理論值的誤差小于0.1，輸出 結(jié)果。

3.2LabVIEW前面板設(shè)計(jì)

連接好PC后打開系統(tǒng)LabVIEW程序，進(jìn)入前面板的用戶操作界面，配置好 正確的AO，AO通道及Vout通道，打開圖像可顯示50g砝碼的實(shí)際質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)多 組數(shù)據(jù)的測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，如果有需要， 也可把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel,制作成圖像 進(jìn)行進(jìn)一步分析，實(shí)現(xiàn)電子秤的多功能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)質(zhì)量信 號(hào)的精確采集，通過前面板我們能非常直 觀的看到當(dāng)前所測的物體質(zhì)量并且可以 看出誤差較小，可精確到小數(shù)點(diǎn)后4位， 點(diǎn)擊stop按鈕即可退出系統(tǒng)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 了對(duì)質(zhì)量進(jìn)行精確測量的電子秤功能。

4.結(jié)論

利用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能電子秤功能，具有測量精確，實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)， 該系統(tǒng)的擴(kuò)展性極強(qiáng)，下一步將擴(kuò)展其功 能，如遠(yuǎn)程測量、用戶登錄等，該電子秤可 用于醫(yī)院藥劑稱量，實(shí)驗(yàn)室精密測量等測 控領(lǐng)域。