??? 摘? 要: 設計了一款最大測量范圍為600g,最小測量分度為0.01g,精度達到六萬分之一的高精密電子秤。該電子秤以凌陽16位單片機SPCE061A為核心, Σ-ΔADC為主要稱重" title="稱重">稱重采集部件;采用了硬件電路抗干擾和軟件濾波等技術,以保證整機的精度和穩定性;同時該系統還為用戶提供了智能、友好的用戶界面和接口。?
??? 關鍵詞: SPEC061A; 電子秤; Σ-ΔADC; 抗干擾; 軟件濾波
?
??? 電子秤(或電子衡器)是配有電子稱量裝置的衡器,它在商業銷售中廣泛使用。國內從20 世紀60 年代中期開始模擬指針式電子秤的研制和生產, 經歷了模擬式電子秤、數字式電子秤和微機式電子秤三個階段。精度從0.1%、0.05%發展到0.01%。根據目前市場發布的產品,電子秤的精度可分為四級,如表1所示。功能上包括各種參數的設定、自動處理及毛重、凈重、皮重和累加值的顯示等。為了管理和參數設置的方便,還配有與上位計算機的串行通信接口,如RS-232C等。?
?
?
??? 總體來說,電子秤的發展呈現出小型化、智能化和模塊化的特點。根據市場需求,筆者以高精度、小型化和智能化為目的,以高性能16位凌陽單片機SPCE061A為核心,研發了一款最大稱重為600g,最小分度為0.01g,稱重精度為0.001 6%(六萬分之一)的工業用高精度電子秤。該產品包含當前臺式電子秤所有的功能且用戶界面友好。?
1 系統整體方案設計? ?
??? 電子秤的工作原理是將作用在承載器上的質量或力的大小,通過傳感器" title="稱重傳感器">稱重傳感器轉換為與之成正比的電信號,并且以模擬或數字量的形式在稱重儀表上顯示出來。電子秤由稱重傳感器、弱信號放大和濾波、高數位A/D" title="A/D">A/D轉換器、MCU和顯示器組成。系統組成框圖如圖1所示。?
?
?
??? 本系統采用性能優異的電阻應變式橋式稱重傳感器,其基本原理為所稱重量引起的電阻變化可產生一個疊加在共模電壓之上的差分電壓。該傳感器的電靈敏度為2mV/V,當使用5V激勵電壓時,其滿度輸出電壓為10mV,在60 000分刻度下,每分刻度的輸出電壓為微伏級。因此微弱信號的采集是本系統設計的第一難點。另一難點則是系統的實時反應速度。由于本設計面向商用,要求系統能夠對稱重物體作出快速反應,在穩定與不穩定狀態間反應靈敏,并且判斷準確。最后,作為智能化、便攜式的電子稱重儀器,友好的用戶界面和低功耗設計也是必需的。?
??? 根據上述技術難點的分析和系統指標要求,選取凌陽16位單片機SPCE061A為核心控制器件。SPCE061A最高工作頻率可以達到49.512MHz,內置2KB靜態內存,32KB Flash,32個通用I/O口。由于采集到的微弱信號極易受到干擾,受干擾的信號必須進行數字濾波才能使系統性能" title="系統性能">系統性能得到提升。SPCE061A的16位字長和大存儲容量為數字濾波提供了有力的支持;數字信號處理速度和系統的快速反應依賴于主控制器的工作頻率,SPCE061A單片機49.512MHz的工作頻率能夠很好地滿足要求;32個通用I/O口和各種外設資源使系統在擴展按鍵、LCD顯示、實時時鐘RTC、存儲器EEPROM和上位機接口上提供了便利。?
??? 根據指標要求,電子秤的稱重計數分辨率為60 000,要確保外部計數精度,通常內部分辨率必須高于外部分辨率一個數量級,因此內部計數必須精確到600 000,這需要20bit的ADC才能滿足此要求。系統的A/D轉換器選取24位∑-△ADC芯片CS5460A。CS5460A 包含兩個Σ-Δ模-數轉換器(ADC)和一個串行接口的高度集成Σ-Δ模-數轉換器,兩個通道都包含可編程增益放大器和片內高速濾波器,共模抑制比大于80dB。高位數和高共模抑制比可保證微弱信號的數字采集準確。?
??? 系統硬件框圖如圖2所示。與上位機的通信可以根據需求選配USB接口或RS232接口。?
?
?
??? 在軟件設計上,系統主要完成用戶功能的響應、稱重數據的采集與處理、軟件濾波、數據校正和稱重顯示等功能。用戶通過按鍵錄入、軟件查詢的方法得到鍵值后,根據鍵值完成相應的功能;為了保證用戶界面的簡捷,采用組合鍵錄入。根據用戶需求,稱重數據可以為毛重、凈重或采樣值。系統軟件流程圖如圖3所示。?
?
?
2 硬件抗干擾設計?
2.1 前置放大和濾波?
??? 稱重傳感器的輸出為微弱的低頻差分信號,其電壓幅度為微伏級。雖然A/D內部自帶有50倍增益放大器,但還不足以將信號放大到與A/D參考電壓相匹配的程度,所以必須加一級前置放大器來提高放大倍數。前置放大采用差分放大輸入,這既提高了輸入阻抗,又能有效抑制共模噪聲。但是如果兩臂的信號出現不平衡,則采集到的數據將會產生基線漂移。為此,采用兩路RC低通濾波電路對兩臂信號同時進行濾波,兩臂之間采用共模濾波電容濾波。其原理電路如圖4所示。?
?
?
2.2電源電路抗干擾處理?
??? 由于系統對整機的測量精度要求較高,因此具有抗干擾的電源電路是系統設計的重點之一。系統通過穩壓模塊將各個電源分開,并分離接地,保證來自不同電路的地電流之間沒有交叉耦合,任何一個電路的地電位只受這個電路的地電流和它的地線自身阻抗的影響,各個地最后回流到系統鋪設的地上。?
3 軟件抗干擾設計?
3.1 稱重校正?
??? 由于溫差、沖擊力、浮塵等因素的影響, 傳感器承受載荷與其輸出電壓之間并非成線性關系, 這就造成稱量的線性度" title="線性度">線性度發生較大的變化;另外由于ADC的線性度不夠理想,使小稱量和大稱量區間的線性斜率不一樣。這兩種情況都會使稱量線性度發生變化,造成某些點的稱量誤差較大。采用分段校準稱重值和分段計算稱重值,可大大減小稱重值的相對誤差。?
??? 本系統使用了兩種校正方法:線性校正和單點校正。線性校正取零點A、三分之一量程B、三分之二量程C和滿量程D為基點得到三條線段BA、CB和DC,使得每段的稱量線性度比只有一條線段時要好。單點校正是在線性校正的基礎上作小偏移補償,取零點和系統規定的量程某一點,假設穩定時的零點值為A,選取量程中的某一點如200g,在放置標準砝碼200g時測得的稱重值為m,此時求得比率值為rate=200/m,稱重計算時用此rate值來修正稱量值。?
3.2 軟件濾波?
??? 軟件濾波包含兩部分:數據噪聲的濾波及兩種稱重狀態(穩定和不穩定)的判斷。因為稱重數據在相當長的時間內是穩定不變的,而引起數據變化的干擾信號則變化頻繁。軟件濾波的作用就是設法把兩者區分開,只取平穩的數據作為有效數據進行顯示。用于電子秤慢變數據的濾波方法很多,系統綜合采用了權值濾波、均值濾波、中值濾波和極值濾波等軟件濾波方法。首先采用極值濾波將系統因為干擾而產生的極點去除,然后用中值濾波法進行平均,在稱重狀態判斷的過程中使用不同的權值,對數據進行權值濾波。這樣就得到了最后要顯示的數據。?
??? 稱重狀態判斷要處理三個問題: (1)是否有重量變化;(2)若無重量變化,顯示值保持穩定,保證不受噪聲干擾;(3)若有重量變化,系統要及時反應并顯示出來。傳統電子秤的處理方法是取一定量的數據求均值,規定一個求均值的次數,當次數到達時,對這些均值再作平均,如果在設定的范圍內,則認為是穩定的測量值,反之則為不穩定測量值,還需要再取更多的數據進行相似的處理之后才能知道是否穩定。這種方法適用于均值的范圍集中在1/3~2/3最小感量的時候,若最小感量的值降低,則此方法就無法保證稱重值的穩定顯示。本系統解決辦法是將測量值轉化為實際顯示的稱重值,如果稱重值沒有變化,則認為沒有變化;如果稱重值有變化但沒有超出3/2個最小感量,還是認為稱重值沒有變化;如果超出了,則要進行一系列的比較才能確定是否有新的重量加入。經實際測試驗證,此方法有效地避免了稱重顯示值的來回跳動。?
4 系統測試結果?
4.1 稱重數據測試?
??? 本系統性能的提高關鍵在于采用了硬件抗干擾處理和軟件濾波處理。圖5、圖6、圖7分別描述了未經過任何處理、只經過硬件處理和同時經過硬件與軟件處理的稱重數據波形。每幅圖上的粗線代表了數據變化的趨勢,即基線。從圖5可看出,未經過硬件抗干擾處理的波形基線會漂移;圖6中,經過硬件處理后,基線的漂移消失,但局部仍然會有數據的波動;圖7中再經過軟件濾波處理,數據變化更趨平緩,基線基本不變,有利于得到比較穩定的數據。?
?
?
4.2 整機性能測試?
??? 表2和表3分別對整機做線性測試和重復性測試。線性測試的步驟是在零點情況下,每次都是100g向上疊加。從測試結果看,系統性能符合用戶要求。?
?
?
?
??? 本文介紹了以高性能16位單片機為控制核心的高精密電子秤的設計方法。采用硬件抗干擾和軟件濾波等技術得到了系統性能的提升。測試結果表明,該產品具有較優異的線性度和重復性,性能指標達到了預期的效果;該產品還具有用戶界面友好、操作簡單等特點。產品性能處于市場領先地位。?
參考文獻?
[1] 羅亞非.凌陽16位單片機應用基礎[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,2005.?
[2] 王培清.電子系統中噪聲的抑制與衰減技術[M].北京:電子工業出版社,2003.?
[3] 張中平. Σ-Δ模數轉換器的原理及應用[J].電子器件,2003,(12):414-417.?
[4] 趙廣平.電子稱重技術現狀及發展趨勢[J].儀表技術與傳感器,2007,(7):76-77.?
[5] 王亞平.電子秤的抗干擾技術[J]. 儀器儀表與應用,2006,(3):83-85.?
[6] 張海霞.新型便攜式電子秤設計[J].計量技術,2005,(9):6-9. ?