引言

本文提出了一种电磁砝码的设计方案，将推拉式电磁铁安装在电子秤内，对电子秤托盘产生向下的电磁力，替代标准砝码的重力，利用微控制器和驱动电路控制电磁铁中的电流，产生不同大小的电磁力，达到模拟不同质量砝码的效果。

1 电子秤的特性

电子秤用于测量物体的质量，主要由承重系统（如秤盘、秤体）、传力转换系统（如杠杆传力系统、传感器）和示值系统（如刻度盘、电子显示仪表）三部分组成。按结构原理可分为机械秤、电子秤、机电结合秤三大类。

本文中的电子秤指的是一般商用电子秤，由托盘、秤体、重力传感器、示数系统组成，如图1所示。使用时物品放置在托盘上，托盘与重力传感器直接相连且没有别的结构支撑，物品重力会借助托盘直接作用在重力传感器上，重力传感器将压力转化为电流值，通过示数系统转化为质量示数并显示在示数牌上。

图1 商用电子秤总体结构图

商用电子秤中采用的重力传感器一般是电阻应变式重力传感器，由弹性体、电阻应变片、测量电路组成。其中，弹性体由金属材料制成，在受到外力的情况下会发生微小的形变，如图2所示，这种形变非常小，一般只有几μm，很难观测到。

图2 弹性体受力过程图

为了能够根据这种微小的形变量推算出物体的质量，首先需要放大形变量，然后再将形变转化为示数。电阻应变式传感器是用金属电阻应变片将弹性体的形变量转化为电阻，金属应变片在受到外力拉伸时，电阻会发生改变。常用的金属应变片有金属丝式和金属箔式两类，如图3所示。

图3 两种电阻应变片示意图

不管是哪种应变片，都要紧贴在弹性体上，并且成多匝，目的是放大弹性体的形变量。以金属丝式为例，假设将一根较长的金属丝弯曲成100段贴在弹性体上，当弹性体发生形变时，每一段金属丝的形变量是ΔL，那么整个金属丝的形变量就是100×ΔL，就将弹性体的形变量放大了100倍。通过转换电路就能得出电阻的变化量，根据电阻变化量可以推算出物品的重力G，物品质量m=G/g。

综上所述，电子秤称重是通过重力传感器实现的，而重力传感器顶部是弹性体，弹性体贴有电阻应变片，内部中空，放置测量电路，四周及底部均是刚性材料制作的外壳，重力传感器与电子秤的托盘和底座直接相连。当电子秤称重时，只有弹性体发生微小形变，电子秤托盘几乎不会发生位移。

2 电磁砝码设计

电磁砝码的设计思路是根据电子秤的基本称重原理，在电子秤内部安装一个电磁铁，通过电磁铁对托盘（托盘下方会连接铁质材料）产生向下的电磁力，在电磁力的作用下，托盘会向下压迫重力传感器，使重力传感器中的弹性体发生形变，模拟出在托盘放置砝码的效果。电磁铁造价低廉，并且可以利用电子秤托盘不会产生下降位移的特性，只需要控制电磁铁电流的大小，就可以模拟出各种质量的砝码，大大简化了控制电路的设计，降低了成本。

2.1 电磁铁选型

电磁铁是通电产生磁性的一种装置，在铁芯的外部缠绕线圈，通电后线圈会产生磁场，将线圈内部的铁芯磁化，磁化后的铁芯像永磁铁一样具有磁力。电磁铁一般由线圈、静铁芯、动铁芯（衔铁）三部分构成。电磁铁的基本结构有3种，如图4所示。

图4 电磁铁基本结构示意图

电磁铁的吸引力F=B202u0×S，其中：

① F：电磁铁铁芯和衔铁之间总的吸引力大小。

② B0：衔铁内部的磁通密度。

③ S：铁芯和衔铁吸合部分的面积。

④ u0：真空中的磁导率。

根据电磁铁的吸引力公式可知，电磁铁吸引力的大小与吸合面积、衔铁内部磁通密度有关，吸合面积越大，吸引力越大；衔铁内部磁通密度越大，吸引力越大。

每一种电磁铁结构都有其独特的优点，本文中电磁砝码选择电磁铁结构时，需要考虑的因素有两个：一个是电磁铁吸引力，另一个是电磁铁的体积。为了能够精确模拟出各种质量的砝码，需要电磁砝码能够提供足够大的电磁力，因为电磁砝码需要安装在商用电子秤中，在不改变电子秤原有结构的前提下，自然要求电磁砝码越小越好。从吸引力角度考虑，马蹄形结构和螺管式都可以，但是马蹄形结构如果两端靠得太近会导致电磁力急剧减小，很难将体积做小。综合考虑，选择螺管式结构。

2.2 螺管式电磁铁

一般的直流螺管式结构电磁铁由铁芯、一个线圈和将铁芯与线圈全部包裹的衔铁组成，如图5所示。螺管式结构受到的电磁力有两个：一个力是线圈主磁通产生的，力的大小由沿线圈高度方向上单位长度的励磁安匝IN决定；另一个力是工作气隙中的漏磁通产生的，力的大小由工作气隙大小决定。工作气隙就是图中铁芯和衔铁之间的这段空间，是一个半径为d、长度为k的圆柱体，当铁芯和衔铁完全闭合时，工作气隙就会消失。工作气隙一旦产生，线圈产生的部分磁感线会泄露到工作气隙中，产生漏磁。这部分漏磁也会对铁芯产生电磁力，工作气隙的长度k越小，电磁力越大。

图5 直流螺管式电磁铁结构图

螺管式电磁铁的电磁力大小和很多因素有关，对于这种结构，在不考虑铁芯磁阻饱和的情况下，可以使用以下的公式来计算电磁力：

其中，I是线圈电流,，N是线圈匝数，h是线圈长度，y为线圈半径, d是铁芯半径，k是工作气隙长度, x 是铁芯进入线圈内部的长度。在线圈、衔铁、铁芯尺寸全部确定的情况下，螺管式电磁铁的吸引力完全由工作气隙长度k和线圈中的电流大小I决定。

2.3 电磁砝码结构

电磁砝码是由螺管式电磁铁、铜轴、连接杆共同构成的，固定在电子秤的底座上，铜轴充当电磁铁铁芯与连接杆之间的桥梁，负责将电磁铁的牵引力传递给牵引杆，由牵引杆均匀地作用在电子秤的托盘上，模拟出砝码重力的效果，如图6所示。

图6 电磁砝码结构图

在电磁砝码和电子秤共同构成的系统中，托盘、连接杆、铜轴、电磁铁铁芯之间都是刚性连接，可以看成一个整体，电磁铁的铁芯会随着电子秤托盘的移动而移动，铁芯移动的长度和托盘移动长度一致。而上文分析指出，电子秤称重时，托盘只会有微小形变，上下位移基本为零，所以电子秤工作过程中电磁铁铁芯的上下移动距离可以忽略不计。在线圈、衔铁、铁芯尺寸确定的情况下，螺管式电磁铁吸引力由工作气隙长度k和线圈中的电流大小I共同决定。本文中铁芯位置不会改变，即电磁铁的工作气隙长度k不变，那么吸引力只由线圈中电流大小I决定，吸引力大小和电流I的平方成正比。只需要给电磁砝码施加不同大小的电流就可以产生大小不同的电磁力，大大降低了电磁砝码控制部分的复杂度。

电磁砝码除了在铁芯和衔铁底部之间留有空气间隙外，铁芯和衔铁上部同样也有一个活动气隙，上下两个气隙可以让铁芯小幅度上下移动，这样既便于安装，又可以确保托盘的灵活性。

托盘不放置物品时，重力传感器受到的压力是托盘、承重轴、连接杆、铜轴、铁芯这5者重力之和F0，重力传感器电阻值是R0，这时若给线圈中通入大小为I1的电流，产生向下、大小为F1的电磁力，则托盘受到的合力是F0+F1，相当于在托盘上放置一个质量为F1/g的砝码，重力传感器的电阻值将会变化ΔR，质检时只需给线圈中通入大小为I1的电流，并检测重力传感器电阻值是否变化了ΔR，如果变化量不是ΔR,说明电子秤称量不准确。

实际使用时，重力传感器的电阻值R会通过电子秤内部转换电路转化为示数X，X=k×R+p（k是比例系数，p是人工设定的值）。未安装电磁砝码前，重力传感器受到的压力只是托盘、承重轴的重力，电阻值是Rr，控制系统中设置参数p的值，使得X=k×Rr+p=0（方便用户使用），在安装了电磁砝码后，受到的压力增加了，电阻值变化为R0，示数X=k×R0+p将不再为零。为了读数方便，需要重新设置p值，使得X仍然为0。

2.4 外围电路

为了能够控制电磁砝码线圈中的电流大小，需要外接一个微控制器，本文选用ARM CortexM0内核32位微控制器NUC140，采用控制输出电压占空比的方式，控制线圈的平均电压，达到控制电流大小的目的。控制电路如图7所示，线圈需要的驱动电压较大，不能由微控制器直接提供，需要外接一个稳压电源V+给线圈供电，微控制器的PWM口输出PWM波形，PWM口有电压时，光电耦合器导通，V+电压加载在线圈上，PWM口无电压时，光电耦合器截止，线圈两端无电压。通过调节PWM的占空比，可以控制线圈两端的平均电压，由于线圈的阻抗保持不变，线圈电流也和线圈两端平均电压成正比。

图7 外围控制电路示意图

3 电磁砝码质量控制

假设电磁砝码A，在电流I的作用下产生了电磁力F，对于标准砝码M（质量为m），如果m=F/g，那么电磁力F的效果等同于标准砝码M的重力，即电磁砝码A模拟出了质量为m的标准砝码的重力，所以称m为电磁砝码A模拟出的标准砝码的质量，在不引起歧义的情况下，简称为电磁砝码质量。图9电磁砝码质量校准流程图

在质检过程中，往往需要检测不同质量下电子秤是否都能够准确测量，所以需要根据实际情况调节电磁砝码质量，由电磁砝码吸引力公式可知，电磁砝码的质量为：

在电磁砝码规格确定的情况下，由电磁砝码中的电流大小I决定。本文中电磁砝码采用以下的规格为线圈匝数N为1000 匝;铁芯半径d为0.01 m;线圈长度h为0.05 m;工作气隙长度k为0.002 m;铁芯进入线圈内部的长度x为0.048 m;线圈半径y为0.005 m。

那么电磁砝码质量m=4.5607×I2（单位为kg，当g取9.8/s2时），线圈中的导线采用直径为1 mm的铜质漆包线，导线中最大可通电电流为2.36 A。安全起见，设定电磁砝码有效工作电流大小为0～2 A，电磁砝码的质量可以在0～18.242 8 kg之间调整。

电磁砝码的质量由通过电磁砝码的电流I控制，I由驱动电路的平均驱动电压决定，平均驱动电压由驱动电压作用在线圈上的时间决定，电压作用时间由微控制器的PWM波形决定。电磁砝码质量控制流程如图8所示。

图8 电磁砝码质量控制流程图

控制流程中最关键的部分是如何根据需要的质量查找对应的PWM数值，使得电磁砝码质量符合需要。在本文的电磁砝码规格下，电磁砝码质量m=4.560 7×I2 kg，所用漆包线的长度为94.2 m，可以计算得出漆包线的电阻为2.1 Ω，要达到最大质量范围，需要施加的电压是4.2 V，为了留有调整空间，设定最大电压为5 V。本文选用的NUC140微控制器使用16位寄存器控制PWM波形，可以得出，电磁砝码质量m=4.560 7×UR2=4.560 7×52.1×PWM2162（单位为kg）。

电子秤选用大华SYA 系列电子收银秤，根据电子秤量程，选择0 kg、1 kg、3 kg、5 kg、8 kg、10 kg、13 kg、15 kg这8个刻度检测电子秤是否标准，而使电磁砝码呈现上述刻度的质量需要调整PWM值，每个质量所需要的PWM值可以根据公式计算得出，如表1所列。

表1 电磁砝码质量与理论PWM值对应表

表1中的PWM值只是理论上计算得出的结果，但是本文使用的电磁力公式只是经验公式，并且由于铁芯是活动的，电磁砝码在安装时工作气隙长度与理论值有一定偏差，所以表中的PWM值只能作为参考数值，需要在电磁砝码安装后进行校准。电磁砝码质量的校准以表中PWM为初始值，在初始值±10 000内查找实际PWM值，采用二分查找法，校准流程图略——编者注。

校准算法根据电子秤示数判断实际PWM值所在区间，区间大小设为10 000，电子秤灵敏度为1 g，则最小PWM变化应该是406，本文中取400，将区间划分为25段，采用二分查找快速确定实际PWM值所在段，用该段首值或者尾值作为实际PWM值的近似值。

结语

本文设计的电磁砝码以螺管式电磁铁为主体，安装在电子秤的内部，使用微控制器及驱动电路控制电磁砝码，可以产生任意大小的吸引力，替代传统砝码。能够在电子秤空闲时间进行开展质检，不影响商家正常工作，并且实现了完全的自动化质检，不需要人工干预，测得数据通过物联网传送至后台。