通過(guò)對已有的各種電子秤的分析，從硬件和軟件兩個(gè)方面，提出提高電子秤測量精度的方法；硬件上采用專(zhuān)門(mén)為高精度設計 的24位A/D轉換芯片11X711，該芯片具有分辨率高、線(xiàn)性度好、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，特別適合低頻高精度的應用場(chǎng)合；軟件上引入樣條函 數，用光滑的參數曲線(xiàn)段逼近折線(xiàn)多邊形，實(shí)現對非線(xiàn)性稱(chēng)重關(guān)系特性曲線(xiàn)的擬合和自校準，達到減小誤差的目的；最后通過(guò)實(shí)驗證明 了該方法的有效性。

0.引言

稱(chēng)重技術(shù)一直以來(lái)就被人們所重視，在人們的生產(chǎn)生活中 發(fā)揮著(zhù)重要作用。作為一種普遍使用的計量手段，稱(chēng)重技術(shù)被 廣泛應用于工農業(yè)、科研、交通、內外貿易等各個(gè)領(lǐng)域，與人 民的生活息息相關(guān)。

在電子秤的設計中，電子秤的測量精度是其中的關(guān)鍵問(wèn) 題。對于提高電子秤的精度，其難點(diǎn)主要在于對傳感器稱(chēng)重信 號的采集和非線(xiàn)性誤差的處理。目前，許多文獻提出了多種誤 差補償的方法，大體可分為硬件電路補償法、分段線(xiàn)性插值法 和基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )非線(xiàn)性誤差補償法等。

硬件電路補償法是應用最廣泛的誤差補償方法，此方法 雖然有效，但補償工藝復雜，硬件成本高。文獻中提出來(lái) 分段線(xiàn)性插值法，實(shí)現了電子秤的非線(xiàn)性誤差校正，但電子秤 精度有待進(jìn)一步提高。文獻運用構建徑向基函數神經(jīng)網(wǎng)絡(luò ) 的方法，完成了電子秤誤差補償網(wǎng)絡(luò )，但該方法運算復雜，泛 化能力低，更適于多變量矯正。

本文將從硬件和軟件兩個(gè)方面入手，提出提高電子秤的精 度設計方法。硬件上采用橋式電路和高精度A/D轉換芯片 HX711，以提高測量精度，減小非線(xiàn)性誤差；軟件上采用樣條 函數，以實(shí)現傳感器信號的非線(xiàn)性擬合。

1.電子秤的硬件設計

電子秤硬件測量系統的關(guān)鍵在于提高被稱(chēng)重物體重量精 度以及減小非線(xiàn)性，本設計以MSP430G2553為信息處理單 元，外加傳感器信號處理電路，A/D轉換電路，矩陣鍵盤(pán)功 能輸入電路，OLED12864液晶顯示電路，以及DC+DC電源 供電電路等，其系統硬件如圖1所示。當物體放置于電子秤 托盤(pán)時(shí)，電阻應變式傳感器經(jīng)惠更斯電橋，產(chǎn)生與載荷近似 成正比的電壓信號，經(jīng)處理電路放大、濾波后將電壓信號通 過(guò)八/D信號轉換電路傳給MSP430G2553單片機，對稱(chēng)重信 號進(jìn)行采集。單片機采集到稱(chēng)量數據后，與內置程序中的樣 條曲線(xiàn)進(jìn)行比對，將其轉換成為重量信息并通過(guò)顯示電路顯 示出 來(lái)。

1. 1芯片選型

MSP430系列單片機是一款16位高速處理單片機，為高 整合、高精度的單芯片系統，采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC)結 構，具有簡(jiǎn)潔的27條內核指令以及豐富的尋址方式，系統工 作相對穩定，處理能力強。相比于51系列單片機，MSP430 單片機具有超低的功耗，其系統中共有一種活動(dòng)模式（am) 和五種低功耗模式（LPM0 — LPM4)，在實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式下，工 作電流為2 5 ^八，在RAM保持模式下，最低工作電流可達 0. 1卩八，非常適合電子秤之類(lèi)的小型電子產(chǎn)品。另夕卜， MSP430單片機具有豐富的片內外設，為系統的單片機解決方 案提供了極大的方便，在利用時(shí)減少了外設空間體積，故選用 MSP430G2553單片機為主控芯片。

1.2電子秤的A/D轉換電路設計

目前市面上的電子秤大多采用分離的A/D轉換器和放大 器組成的信號采集電路，對稱(chēng)重傳感器的模擬信號進(jìn)行處理， 但是這樣不僅增加了電路的復雜性，增大制作成本，而且降低 了電路的穩定性，容易受到外界環(huán)境的干擾。尤其是對于高精 度電子秤來(lái)說(shuō)，這樣的電路復雜度增大了稱(chēng)量的不確定性，降 低了電子秤的稱(chēng)量穩定度。

電子秤一般要求測量范圍廣，而電阻式稱(chēng)量傳感器線(xiàn)性范 圍小，為了盡可能提高測量精度，本設計最終采用HX711為 A/D轉換芯片，HX711具有海芯科技集成電路專(zhuān)利技術(shù)，是 —款專(zhuān)為高精度電子秤而設計的24位A/D轉換器芯片。與其 它同類(lèi)型芯片相比，該芯片集成了放大器，穩壓電源和片內時(shí) 鐘振蕩器，無(wú)需另加外圍電路，具有分辨率高、線(xiàn)性度好、抗 干擾性強、功耗低等特點(diǎn)。降低了電子秤的生產(chǎn)成本和電路的 復雜度，提高了電子秤的穩定性，特別適合低頻、高精度應用 場(chǎng)合的模擬前端。HXH1所有控制信號均由管腳驅動(dòng)，無(wú)需 對芯片內部的寄存器編程，輸入選擇開(kāi)關(guān)可任意選取通道八 或通道B，通道A的可編程增益為128或64，對應的滿(mǎn)額度 差分輸入信號幅值分別為或。通道B則為固定的64增益，用 于系統參數檢測。

本設計中傳感器靈敏度為1 mV/V，在5 V供電電壓下， 其最大差分信號輸出電壓為20 mV，可選擇通道八，經(jīng)128倍 增益放大為2 560 mV，經(jīng)八/D轉換后輸出為數字量，AD采 集電路如圖3所示。

1.3 OLED顯示電路

OLED，即有機發(fā)光二極管，又稱(chēng)為有機電激光顯示，其 顯示技術(shù)與傳統的LCD顯示方式不同，無(wú)需背光源，而是采 用很薄的有機材料涂層和玻璃基板，當電流流過(guò)時(shí)，有機材料 自己發(fā)光，相比傳統LCD顯示屏，其更輕更薄，可視角更大， 柔軟環(huán)保且更省電。且由于OLED是固態(tài)、非真空器件，具 有抗震蕩、耐低溫（一40)等特性，可作為坦克、飛機等武器 的顯示終端，故本設計采用OLED為顯示接口電路。

如圖4所示，本顯示屏采用SPI通信方式，DC對應SPI 總線(xiàn)的MOSI信號，D1對應SPI總線(xiàn)的MIMO信號，D0對應 SPI總線(xiàn)的CLK時(shí)鐘信號，第7引腳為CS片選引腳，本電路 默認設置是CS通過(guò)軟件配置使用，如果實(shí)際使用中，不需要 使用CS引腳，可在軟件里面將單片機對應IO引腳置低。

2.電子秤的軟件設計

2.1電子秤誤差分析

本設計采用電阻應變片式壓力傳感器將壓力信號轉換為電 信號。其主要由彈性體、電阻應變片、電纜線(xiàn)等組成，內部線(xiàn) 路采用惠更斯電橋，當彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，電阻應變 片（轉換元件）受到拉伸或壓縮應變片變形后，它的阻值將發(fā) 生變化（增大或減?。?，從而使電橋失去平衡，產(chǎn)生相應的差 動(dòng)信號，供后續電路測量和處理。

稱(chēng)重原理如圖2所示。設兩個(gè)電阻應變片阻值分別為Ri， R2；其余兩定值電阻為_R，R“電橋電源電壓為當應變 片不加任何載荷時(shí)，4個(gè)電阻的零點(diǎn)阻值相等，即：

E為彈性體的彈性模量，"為彈性元件的泊松比。由式

可知，稱(chēng)重傳感器的電橋輸出與承受的載荷力(理想情

況下為被測物體的重量）成非線(xiàn)性關(guān)系，Fx越大，稱(chēng)重傳感

器的非線(xiàn)性關(guān)系越明顯，誤差越大。

2 2電子秤的程序流程結構

電子秤軟件的主要功能是稱(chēng)量信號采集，非線(xiàn)性補償，系統鍵盤(pán)、顯示管理等。圖5為電子秤程序流程圖，為了方便程序的調試和增強系統的可靠性，程序設計采用自上而下、模塊化、結構化的程序設計方法，把總的編程過(guò)程逐步細分，分解成一個(gè)個(gè)功能模塊，每個(gè)模塊互相獨立，完成一個(gè)明確的任務(wù)，實(shí)現某個(gè)具體的功能，邏輯結構清晰，大大降低了編程難度。電子秤的軟件結構主要包括系統初始化模塊、稱(chēng)量信號采集模塊、數據處理模塊、矩陣功能按鍵檢測模塊以及

OLED12864顯示模塊。

本設計的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境是由丁I公司研發(fā)的高效C編譯器和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CodeComposerStudio，其具有環(huán)境配置、源文件編輯、程序調試、跟蹤和分析等功能，能夠幫助用戶(hù)在一個(gè)軟件環(huán)境下完成編輯、編譯、鏈接、調試和數據分析等工作，是MSP430單片機軟件開(kāi)發(fā)的理想工具。

3基于樣條函數的非線(xiàn)性誤差擬合

3.1樣條函數的引入

早期工程師制圖時(shí)，把富有彈性的細長(cháng)木條（所謂樣條） 用鐵固定在樣點(diǎn)上，在其他地方讓它自由彎曲，然后畫(huà)下長(cháng)條 的曲線(xiàn)，稱(chēng)為樣條曲線(xiàn)[5]。樣條曲線(xiàn)實(shí)際是上是由分段三次曲 線(xiàn)并接而成，在連接點(diǎn)即樣點(diǎn)上要求二階倒數連續，從數學(xué)上 加以概括就得到數學(xué)樣條這一概念。

樣條函數是平面線(xiàn)形設計中簡(jiǎn)單實(shí)用的樣條曲線(xiàn)擬合工 具，具有數學(xué)表達式簡(jiǎn)單統一、線(xiàn)性光滑、良好的保形功能、 擬合選點(diǎn)自由、整體大繞度、局部小繞度等優(yōu)點(diǎn)，將其應用在 電子秤的設計上，具有較大的現實(shí)意義。

3.2樣條函數的擬合原理

在電子秤的應用過(guò)程中，為了達到高準確度的稱(chēng)量要求， 對于非線(xiàn)性的稱(chēng)重關(guān)系需用樣條函數對其進(jìn)行擬合，達到減小 誤差的功能。

以本系統設計量程為500 g的電子秤為實(shí)驗對象，將不同質(zhì)量的砝碼（0 g，5 g，10 g，20 g，40 g，80 g，160 g，320 g，500 g)共9組加載到實(shí)驗對象電子秤上，通過(guò)稱(chēng)重傳感器 采集輸出電壓輸出U”，獲得9組實(shí)驗數據，預處理后即獲得 9組歸一化樣本數據(Mm，UM)，列三次樣條函數方程：

對于上訴三對角矩陣（Trdagonal Matrices)。常用解法 為Thomas八lgadthm，它是一種基于高斯消元法的算法，分 為兩個(gè)階段：向前消元和回代。即可解出三次樣條函數方程。

4.電子秤稱(chēng)量實(shí)驗

根據《JJG1036 — 2008電子天平檢測規程》的檢定要求， 在20°C室溫環(huán)境下，電子秤充分預熱后，本研究采用精度為 0. 001 g的標準砝碼對電子秤的示值誤差進(jìn)行了實(shí)驗測試。

圖6為經(jīng)過(guò)三次樣條擬合前后的電子秤仿真輸出結果比 較，實(shí)線(xiàn)為三次樣條插值，虛線(xiàn)為普通折線(xiàn)插值，比較可知， 普通折線(xiàn)插值在稱(chēng)重曲線(xiàn)基點(diǎn)處導數不連續，失去了原函數的 光滑性，與實(shí)際應用不符，會(huì )產(chǎn)生明顯誤差。采用三次樣條插

值的方法，稱(chēng)重曲線(xiàn)基點(diǎn)處滿(mǎn)足處處有二階導數連續，保證曲 線(xiàn)在基點(diǎn)處實(shí)現光滑過(guò)渡，符合實(shí)際稱(chēng)量情況，對減小稱(chēng)量誤 差有明顯作用。

電子秤示值誤差檢定結果如表1所示。本研究選取了 0g、10 g、 20 g、 50 g、 100 g、 150 g、 200 g、 250 g、 300 g、 350 g、400 g、450 g、500 g等13個(gè)不同的測量點(diǎn)。實(shí)驗方法是： 載荷從零開(kāi)始，逐漸地往上加載，直至加到電子秤的最大稱(chēng) 量，然后逐漸地卸下載荷，直至零載荷為止。由表1可見(jiàn)，在 未引入三次樣條函數之前，隨著(zhù)載荷的增加，電子秤稱(chēng)量誤差呈增大趨勢，且在加載和卸下載荷前后，電子秤的示數波動(dòng)明 顯，稱(chēng)量結果不穩定；而在引入樣條函數后，電子秤稱(chēng)重曲線(xiàn) 經(jīng)樣條函數擬合，電子秤的稱(chēng)量誤差明顯減小，在加載和卸下 載荷時(shí)，電子秤的示數基本保持不變，極大地保證了稱(chēng)量穩定 性，提高了電子秤的品質(zhì)，擬合效果明顯。

5.結論

本文進(jìn)行了對電子秤工作原理的深入研究，找到了電子秤 稱(chēng)量誤差產(chǎn)生的關(guān)鍵，并通過(guò)對市場(chǎng)上電子秤的調研，發(fā)現了 目前電子秤存在的稱(chēng)量精度低，制作成本高的問(wèn)題，因而，本 文設計了一種以MSP430G2553單片機為信息處理單元，利用 三次樣條函數擬合電子秤的稱(chēng)重曲線(xiàn)，對其非線(xiàn)性誤差進(jìn)行補 償，從而完成對電子秤的非線(xiàn)性矯正的新型高精度電子秤，極 大簡(jiǎn)化了電子秤的設計電路，提高了電子秤的穩定性，降低了 制作成本，經(jīng)實(shí)驗證明這種方法可以明顯減少電子秤的非線(xiàn)性 誤差，提高稱(chēng)重準確度，電子秤的實(shí)際測量精度達0. 01g。整 個(gè)實(shí)驗結果達到了預期目標。

但是，由于實(shí)驗材料性能以及算法的原因，本電子秤的稱(chēng) 重測量范圍受到限制，且稱(chēng)量速度慢，等待稱(chēng)量最終結果的時(shí) 間較長(cháng)。在今后的改進(jìn)中，研究者將研究采用性能更好的稱(chēng)重 材料，擴大電子秤的稱(chēng)量范圍，并精簡(jiǎn)電子秤的程序算法，提 高電子秤的稱(chēng)量速度，進(jìn)一步提高電子秤的稱(chēng)量品質(zhì)。