可用于電子秤質檢的電磁砝碼設計方案

王贊森，馬維華，趙維亮

(1．南京航空航天大學 計算機科學與技術學院,南京 210016；2. 華南理工大學)

王贊森1，馬維華1，趙維亮2

(1．南京航空航天大學 計算機科學與技術學院,南京 210016；2. 華南理工大學)

本文設計了一種電磁砝碼，由NUC140、螺管式電磁鐵構成，替代標準砝碼。微控制器產生PWM信號，通過外圍電路放大后驅動電磁鐵產生電磁力，不同的PWM信號可以模擬出不同質量的砝碼。電磁砝碼可安裝于電子秤內部，實現高效、方便、自動化的質檢。

電磁鐵；電磁砝碼；NUC140；電子秤；質檢

引 言

本文提出了一種電磁砝碼的設計方案，將推拉式電磁鐵安裝在電子秤內，對電子秤托盤產生向下的電磁力，替代標準砝碼的重力，利用微控制器和驅動電路控制電磁鐵中的電流，產生不同大小的電磁力，達到模擬不同質量砝碼的效果。

1 電子秤的特性

電子秤用于測量物體的質量，主要由承重系統(如秤盤、秤體)、傳力轉換系統(如杠桿傳力系統、傳感器)和示值系統(如刻度盤、電子顯示儀表)三部分組成。按結構原理可分為機械秤、電子秤、機電結合秤三大類。

本文中的電子秤指的是一般商用電子秤，由托盤、秤體、重力傳感器、示數系統組成，如圖1所示。使用時物品放置在托盤上，托盤與重力傳感器直接相連且沒有別的結構支撐，物品重力會借助托盤直接作用在重力傳感器上，重力傳感器將壓力轉化為電流值，通過示數系統轉化為質量示數并顯示在示數牌上。

圖1 商用電子秤總體結構圖

商用電子秤中采用的重力傳感器一般是電阻應變式重力傳感器，由彈性體、電阻應變片、測量電路組成。其中，彈性體由金屬材料制成，在受到外力的情況下會發生微小的形變，如圖2所示，這種形變非常小，一般只有幾μm，很難觀測到。

圖2 彈性體受力過程圖

為了能夠根據這種微小的形變量推算出物體的質量，首先需要放大形變量，然后再將形變轉化為示數。電阻應變式傳感器是用金屬電阻應變片將彈性體的形變量轉化為電阻，金屬應變片在受到外力拉伸時，電阻會發生改變。常用的金屬應變片有金屬絲式和金屬箔式兩類，如圖3所示。

圖3 兩種電阻應變片示意圖

不管是哪種應變片，都要緊貼在彈性體上，并且成多匝，目的是放大彈性體的形變量。以金屬絲式為例，假設將一根較長的金屬絲彎曲成100段貼在彈性體上，當彈性體發生形變時，每一段金屬絲的形變量是ΔL，那么整個金屬絲的形變量就是100×ΔL，就將彈性體的形變量放大了100倍。通過轉換電路就能得出電阻的變化量，根據電阻變化量可以推算出物品的重力G，物品質量m=G/g。

綜上所述，電子秤稱重是通過重力傳感器實現的，而重力傳感器頂部是彈性體，彈性體貼有電阻應變片，內部中空，放置測量電路，四周及底部均是剛性材料制作的外殼，重力傳感器與電子秤的托盤和底座直接相連。當電子秤稱重時，只有彈性體發生微小形變，電子秤托盤幾乎不會發生位移。

2 電磁砝碼設計

電磁砝碼的設計思路是根據電子秤的基本稱重原理，在電子秤內部安裝一個電磁鐵，通過電磁鐵對托盤(托盤下方會連接鐵質材料)產生向下的電磁力，在電磁力的作用下，托盤會向下壓迫重力傳感器，使重力傳感器中的彈性體發生形變，模擬出在托盤放置砝碼的效果。電磁鐵造價低廉，并且可以利用電子秤托盤不會產生下降位移的特性，只需要控制電磁鐵電流的大小，就可以模擬出各種質量的砝碼，大大簡化了控制電路的設計，降低了成本。

2.1 電磁鐵選型

電磁鐵是通電產生磁性的一種裝置，在鐵芯的外部纏繞線圈，通電后線圈會產生磁場，將線圈內部的鐵芯磁化，磁化后的鐵芯像永磁鐵一樣具有磁力。電磁鐵一般由線圈、靜鐵芯、動鐵芯(銜鐵)三部分構成。電磁鐵的基本結構有3種，如圖4所示。

圖4 電磁鐵基本結構示意圖

① F：電磁鐵鐵芯和銜鐵之間總的吸引力大小。

② B0：銜鐵內部的磁通密度。

③ S：鐵芯和銜鐵吸合部分的面積。

④ u0：真空中的磁導率。

根據電磁鐵的吸引力公式可知，電磁鐵吸引力的大小與吸合面積、銜鐵內部磁通密度有關，吸合面積越大，吸引力越大；銜鐵內部磁通密度越大，吸引力越大。

每一種電磁鐵結構都有其獨特的優點，本文中電磁砝碼選擇電磁鐵結構時，需要考慮的因素有兩個：一個是電磁鐵吸引力，另一個是電磁鐵的體積。為了能夠精確模擬出各種質量的砝碼，需要電磁砝碼能夠提供足夠大的電磁力，因為電磁砝碼需要安裝在商用電子秤中，在不改變電子秤原有結構的前提下，自然要求電磁砝碼越小越好。從吸引力角度考慮，馬蹄形結構和螺管式都可以，但是馬蹄形結構如果兩端靠得太近會導致電磁力急劇減小，很難將體積做小。綜合考慮，選擇螺管式結構。

2.2 螺管式電磁鐵

一般的直流螺管式結構電磁鐵由鐵芯、一個線圈和將鐵芯與線圈全部包裹的銜鐵組成，如圖5所示。螺管式結構受到的電磁力有兩個：一個力是線圈主磁通產生的，力的大小由沿線圈高度方向上單位長度的勵磁安匝IN決定；另一個力是工作氣隙中的漏磁通產生的，力的大小由工作氣隙大小決定。工作氣隙就是圖中鐵芯和銜鐵之間的這段空間，是一個半徑為d、長度為k的圓柱體，當鐵芯和銜鐵完全閉合時，工作氣隙就會消失。工作氣隙一旦產生，線圈產生的部分磁感線會泄露到工作氣隙中，產生漏磁。這部分漏磁也會對鐵芯產生電磁力，工作氣隙的長度k越小，電磁力越大。

圖5 直流螺管式電磁鐵結構圖

螺管式電磁鐵的電磁力大小和很多因素有關，對于這種結構，在不考慮鐵芯磁阻飽和的情況下，可以使用以下的公式來計算電磁力：

其中，I是線圈電流,，N是線圈匝數，h是線圈長度，y為線圈半徑, d是鐵芯半徑，k是工作氣隙長度, x 是鐵芯進入線圈內部的長度。在線圈、銜鐵、鐵芯尺寸全部確定的情況下，螺管式電磁鐵的吸引力完全由工作氣隙長度k和線圈中的電流大小I決定。

2.3 電磁砝碼結構

電磁砝碼是由螺管式電磁鐵、銅軸、連接桿共同構成的，固定在電子秤的底座上，銅軸充當電磁鐵鐵芯與連接桿之間的橋梁，負責將電磁鐵的牽引力傳遞給牽引桿，由牽引桿均勻地作用在電子秤的托盤上，模擬出砝碼重力的效果，如圖6所示。

圖6 電磁砝碼結構圖

在電磁砝碼和電子秤共同構成的系統中，托盤、連接桿、銅軸、電磁鐵鐵芯之間都是剛性連接，可以看成一個整體，電磁鐵的鐵芯會隨著電子秤托盤的移動而移動，鐵芯移動的長度和托盤移動長度一致。而上文分析指出，電子秤稱重時，托盤只會有微小形變，上下位移基本為零，所以電子秤工作過程中電磁鐵鐵芯的上下移動距離可以忽略不計。在線圈、銜鐵、鐵芯尺寸確定的情況下，螺管式電磁鐵吸引力由工作氣隙長度k和線圈中的電流大小I共同決定。本文中鐵芯位置不會改變，即電磁鐵的工作氣隙長度k不變，那么吸引力只由線圈中電流大小I決定，吸引力大小和電流I的平方成正比。只需要給電磁砝碼施加不同大小的電流就可以產生大小不同的電磁力，大大降低了電磁砝碼控制部分的復雜度。

電磁砝碼除了在鐵芯和銜鐵底部之間留有空氣間隙外，鐵芯和銜鐵上部同樣也有一個活動氣隙，上下兩個氣隙可以讓鐵芯小幅度上下移動，這樣既便于安裝，又可以確保托盤的靈活性。

托盤不放置物品時，重力傳感器受到的壓力是托盤、承重軸、連接桿、銅軸、鐵芯這5者重力之和F0，重力傳感器電阻值是R0，這時若給線圈中通入大小為I1的電流，產生向下、大小為F1的電磁力，則托盤受到的合力是F0+F1，相當于在托盤上放置一個質量為F1/g的砝碼，重力傳感器的電阻值將會變化ΔR，質檢時只需給線圈中通入大小為I1的電流，并檢測重力傳感器電阻值是否變化了ΔR，如果變化量不是ΔR,說明電子秤稱量不準確。

實際使用時，重力傳感器的電阻值R會通過電子秤內部轉換電路轉化為示數X，X=k×R+p(k是比例系數，p是人工設定的值)。未安裝電磁砝碼前，重力傳感器受到的壓力只是托盤、承重軸的重力，電阻值是Rr，控制系統中設置參數p的值，使得X=k×Rr+p=0(方便用戶使用)，在安裝了電磁砝碼后，受到的壓力增加了，電阻值變化為R0，示數X=k×R0+p將不再為零。為了讀數方便，需要重新設置p值，使得X仍然為0。

2.4 外圍電路

為了能夠控制電磁砝碼線圈中的電流大小，需要外接一個微控制器，本文選用ARM Cortex-M0內核32位微控制器NUC140，采用控制輸出電壓占空比的方式，控制線圈的平均電壓，達到控制電流大小的目的?？刂齐娐啡鐖D7所示，線圈需要的驅動電壓較大，不能由微控制器直接提供，需要外接一個穩壓電源V+給線圈供電，微控制器的PWM口輸出PWM波形，PWM口有電壓時，光電耦合器導通，V+電壓加載在線圈上，PWM口無電壓時，光電耦合器截止，線圈兩端無電壓。通過調節PWM的占空比，可以控制線圈兩端的平均電壓，由于線圈的阻抗保持不變，線圈電流也和線圈兩端平均電壓成正比。

圖7 外圍控制電路示意圖

3 電磁砝碼質量控制

假設電磁砝碼A，在電流I的作用下產生了電磁力F，對于標準砝碼M(質量為m)，如果m=F/g，那么電磁力F的效果等同于標準砝碼M的重力，即電磁砝碼A模擬出了質量為m的標準砝碼的重力，所以稱m為電磁砝碼A模擬出的標準砝碼的質量，在不引起歧義的情況下，簡稱為電磁砝碼質量。

在質檢過程中，往往需要檢測不同質量下電子秤是否都能夠準確測量，所以需要根據實際情況調節電磁砝碼質量，由電磁砝碼吸引力公式可知，電磁砝碼的質量為：

在電磁砝碼規格確定的情況下，由電磁砝碼中的電流大小I決定。本文中電磁砝碼采用以下的規格為線圈匝數N為1000 匝;鐵芯半徑d為0.01 m;線圈長度h為0.05 m;工作氣隙長度k為0.002 m;鐵芯進入線圈內部的長度x為0.048 m;線圈半徑y為0.005 m。

那么電磁砝碼質量m=4.5607×I2(單位為kg，當g取9.8/s2時)，線圈中的導線采用直徑為1 mm的銅質漆包線，導線中最大可通電電流為2.36 A。安全起見，設定電磁砝碼有效工作電流大小為0～2 A，電磁砝碼的質量可以在0～18.242 8 kg之間調整。

電磁砝碼的質量由通過電磁砝碼的電流I控制，I由驅動電路的平均驅動電壓決定，平均驅動電壓由驅動電壓作用在線圈上的時間決定，電壓作用時間由微控制器的PWM波形決定。電磁砝碼質量控制流程如圖8所示。

圖8 電磁砝碼質量控制流程圖

電子秤選用大華SY-A 系列電子收銀秤，根據電子秤量程，選擇0 kg、1 kg、3 kg、5 kg、8 kg、10 kg、13 kg、15 kg這8個刻度檢測電子秤是否標準，而使電磁砝碼呈現上述刻度的質量需要調整PWM值，每個質量所需要的PWM值可以根據公式計算得出，如表1所列。

表1 電磁砝碼質量與理論PWM值對應表

表1中的PWM值只是理論上計算得出的結果，但是本文使用的電磁力公式只是經驗公式，并且由于鐵芯是活動的，電磁砝碼在安裝時工作氣隙長度與理論值有一定偏差，所以表中的PWM值只能作為參考數值，需要在電磁砝碼安裝后進行校準。電磁砝碼質量的校準以表中PWM為初始值，在初始值±10 000內查找實際PWM值，采用二分查找法，校準流程圖略——編者注。

校準算法根據電子秤示數判斷實際PWM值所在區間，區間大小設為10 000，電子秤靈敏度為1 g，則最小PWM變化應該是406，本文中取400，將區間劃分為25段，采用二分查找快速確定實際PWM值所在段，用該段首值或者尾值作為實際PWM值的近似值。

結 語

本文設計的電磁砝碼以螺管式電磁鐵為主體，安裝在電子秤的內部，使用微控制器及驅動電路控制電磁砝碼，可以產生任意大小的吸引力，替代傳統砝碼。能夠在電子秤空閑時間進行開展質檢，不影響商家正常工作，并且實現了完全的自動化質檢，不需要人工干預，測得數據通過物聯網傳送至后臺。

經過試驗，在施加特定的驅動電壓后，電磁砝碼確實能夠在微控制器的控制下產生電子秤量程范圍內的任意吸引力，測試范圍、測試效率都優于傳統人工放置砝碼的方式。

[1] 王贊森, 馬維華. 手機WiFi熱點的電子秤自動質監系統設計[J]. 單片機與嵌入式系統應用, 2014(4):21-24.

[2] 張弛, 魏澤鼎. 一種可精確控制位移量的牽引電磁鐵的研制[J]. 機床與液壓, 2011(8):118-119.

[3] 李達, 張軍, 張道清，等. 直流螺管式電磁鐵吸力經驗公式的修正[J]. 贛南師范學院學報, 2010(6):58-60.

[4] 盧新波, 謝憲旺, 張中明. 電磁鐵相關技術參數的分析[J]. 液壓氣動與密封, 2010(11).

[5] 劉黎明, 史進, 劉慧環. 用89C51和8254-2實現步進式PWM輸出[J]. 單片機與嵌入式系統應用, 2002(10).

Wang Zansen1,Ma Weihua1,Zhao Weiliang2

(1.School of Computer Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China;2.South China University of Technology)

This paper designs an electromagnetic farmar,which consists of NUC140 and electromagnet.The PWM signal is generated by microcontroller,and it will drive electromagnet to produce electromagnetic force after amplified by external driving circuit.Different PWM signals can simulate farmar of different weights,so we can install electromagnetic farmar in the electronic balance to achieve efficient, convenient, automatic quality inspection.

electromagnet;electromagnetic farmar;NUC140;electronic balance;quality inspection

TP36

A

?迪娜

2014-10-21)