針對傳統電子秤水平調節繁瑣,存在傾角時(shí)稱(chēng)重準確度低等不足,設計了一種具有傾角自動(dòng)檢測與稱(chēng)量誤差補償功能的高精度電子秤。分析了秤臺傾角對電子秤稱(chēng)量性能的影響,介紹了基于三軸加速度傳感器ADXL345的傾角檢測和稱(chēng)量誤差補償原理,提出并建立了電子秤傾角自動(dòng)補償模型,給出了基于微處理器ADuC7060的傾角測量系統的軟、硬件設計與實(shí)現方案。對量程為1 000 g、感量為0.01 g的電子秤傾角補償后進(jìn)行的測試結果表明,在傾角小于1°時(shí),儀器的最大允許誤差MPE<0.05 g;當傾角小于15°時(shí),最大允許誤差MPE<0.2 g。 

1.引言

電子秤秤臺的平整度和秤體傾斜度對稱(chēng)量結果 準確度有較大的影響。傳統電子秤水平調節依據 氣泡式水平儀進(jìn)行，完全依賴(lài)于手工操作，調節過(guò) 程繁瑣，且水平度難以保證。此外，部分電子秤的 水平儀在安裝時(shí)本身就存在一定的傾斜，導致電子秤無(wú)法正確調平。文獻提出一種采用雙軸模擬 加速度傳感器感測稱(chēng)重系統的傾角并對傾角產(chǎn)生的 誤差進(jìn)行補償，但只能檢測特定方向的傾角，無(wú)法 實(shí)現任意方向傾角檢測。實(shí)際操作中，由于電子 秤的支撐腳調節的高度不一致，電子秤可能向任意 方向傾斜，采用單軸和雙軸的加速度傳感器均 無(wú)法滿(mǎn)足多自由度傾角測量系統的要求。

為此，本文設計了一種具有傾角自動(dòng)檢測與稱(chēng) 量誤差補償功能的高精度電子秤，通過(guò)分析秤臺傾 角對電子秤稱(chēng)量性能的影響，根據三軸加速度傳感 器ADXL345的傾角檢測和稱(chēng)量誤差補償原理，通過(guò) 實(shí)驗和仿真建立了電子秤傾角自動(dòng)補償模型，給出 了基于微處理器ADmC7060的傾角測量系統的軟、 硬件設計與實(shí)現方案。對量程為1 000 g、感量為0.01 g 的電子秤傾角補償后進(jìn)行的測試結果表明，在傾角小于1°時(shí)，儀器的最大允許誤差MPE<0.05 g;當傾 角小于15°時(shí)，最大允許誤差MPE<0.2 g。有效地補 償了傾角引起的稱(chēng)重誤差。

2.電子秤傾角對稱(chēng)量準確度的影響

電子秤稱(chēng)重傳感器采用電阻應變式稱(chēng)重傳感器， 當載荷加載到稱(chēng)重傳感器時(shí)，載荷的重力Wm作用于 稱(chēng)重傳感器，使得稱(chēng)重傳感器輸出一個(gè)微弱的差分 電壓信號，系統對該信號進(jìn)行信號調理、模數轉換， 最后，微控制器根據電壓信號處理計算得到載荷的 重量并進(jìn)行顯示。

正常稱(chēng)重時(shí)，即電子秤傾角為0°時(shí)，載荷的重 力Wm通過(guò)秤盤(pán)和支柱將其施加到稱(chēng)重傳感器，如圖 1(a)所示，此時(shí)，電子秤稱(chēng)重傳感器感測到的力為 

3.電子秤傾角檢測與稱(chēng)量誤差補償

3.1傾角測量

采用三軸加速度傳感器測量X、Y、Z 3個(gè)軸的 加速度，利用重力加速度與其在三軸加速度傳感器 的X、Y、Z軸的分量關(guān)系，通過(guò)計算Z軸與重力加 速度的夾角得到秤體與秤臺的傾角O

三軸加速度傳感器可實(shí)現對任意方向傾斜角度 的測量，圖2為物體在不同傾斜情況下，傾角與加速 度的關(guān)系示意圖；物體與X和：T軸與水平面的傾角分 別為《和及為Z軸與重力加速度的夾角；圖2(a)為 物體水平放置時(shí)，三軸加速度傳感器在X、Y軸的加 速度Ax=4y=0，Z軸的加速度為Az = -g;將物體繞X 軸傾斜>3后，傳感器加速度變化如圖2(b);將物體繞 Y軸傾斜o后，傳感器的加速度變化如圖2(c);圖2(d) 為物體同時(shí)繞X和Y軸分別傾斜和《，此時(shí)Z軸與 重力加速度的夾角為p。

三軸加速度傳感器采集得到三軸加速度后，根 據式(5)計算得到電子秤的理論傾角卜考慮到PCB 板的平整度和加速度傳感器焊接等多種原因，使得 加速度傳感器在安裝時(shí)偏離其初始位置，使得加速 度傳感器在各軸存在一個(gè)初始值Wx。、辦。、為，根 據式(5)可計算得到傳感器的初始傾角%，故電子秤 實(shí)際傾斜角沒(méi)為

當電子秤存在傾角時(shí)，電子秤的最大允許誤差 需小于0.2 g，考慮到一定的誤差閾量，且忽略非線(xiàn) 性誤差，取誤差Werror=0.1g，圖3為采用MATLAB 7.0對式(4)進(jìn)行仿真獲得的臨界誤差補償曲線(xiàn)。圖3 中橫軸為電子秤的傾角，縱軸為載荷重量的變化; 曲線(xiàn)為載荷重量Wm與傾角0變化時(shí)，理論稱(chēng)重誤差 Werror=0.1 g時(shí)的臨界誤差補償曲線(xiàn)；圖中臨界誤差補償曲線(xiàn)以下的區域A最大誤差小于0.1 g,即稱(chēng)重 誤差允許范圍內不需補償的區域，臨界誤差補償曲 線(xiàn)包絡(luò )以外的區域B的傾角引起的稱(chēng)重誤差都大于 0.1 g,即為需要進(jìn)行稱(chēng)重傾角誤差補償的區域。

根據圖3可得曲線(xiàn)關(guān)于0=0°對稱(chēng)，且在|糾幻° 時(shí)最大誤差不超過(guò)0.1 g,不需要進(jìn)行傾角補償；為 了簡(jiǎn)化式(8)計算，將正割函數sec0進(jìn)行泰勒分解有 

考慮到傾角0的變化范圍較小，式(9)中括號內 的傾角0的4次及以上的高次項對于載荷重量Wm的 影響很小，遠小于電子秤的最大允許誤差，故將式(8) 中括號內Rad0的4次及以上的高次項忽略。

4.系統設計與實(shí)現

4.1傾角自動(dòng)補償電子秤系統工作原理

具有傾角自動(dòng)補償功能的電子秤由稱(chēng)重傳感 器、傾角測量模塊、溫度傳感器、信號放大電路、 低通濾波電路、人機接口模塊、RS232接口等電路 組成。系統結構框圖如圖4所示。其中，信號放大電 路采用儀用放大電路，低通濾波器濾除5 Hz以上的 高頻噪聲，ADmC7060為系統的信息處理核心，采用 ARM7TDMI內核，可提供10 MIPS峰值性能；它內 部含有兩個(gè)獨立的24位的S-A ADC，ADmC7060根據 稱(chēng)重信號、傾角信號、溫度信號進(jìn)行數據處理和融 合得到稱(chēng)重結果，最后，通過(guò)LCD和RS232顯示或 傳輸稱(chēng)重結果。

4.2傾角檢測硬件電路設計

采用三軸加速度傳感器ADXL345檢測電子秤 在X、Y、Z 3軸上加速度的變化，通過(guò)計算得到電子 秤與水平方向的傾角。

ADXL345是一款超低功耗的三軸數字加速度傳 感器，采用/MEMS技術(shù)，在一個(gè)硅片上包含了一個(gè) 多晶體硅表面微機械傳感器和信號處理電路結構， 實(shí)現了開(kāi)環(huán)加速度測量；可以用于測量振動(dòng)、動(dòng)態(tài)加 速度和靜態(tài)加速度，其量程范圍可設定為2/4/8/16g， 在靜態(tài)重力加速度測量中可提供高達4 mg/LSB分辨 率，可在傾斜感測應用中能夠分辨0.25°的傾角變化， 可通過(guò)SPI/I2C將三軸加速度直接與數字量的形式輸 出，內部含有32字節的FIFO;此外，ADXL345內部具 有專(zhuān)門(mén)的電源管理模塊，可有效的控制系統的功耗， 測量模式下低達23 ^A，空閑模式下低至0.1 ^A。

三軸加速度傳感器ADXL345可通過(guò)I2C或SPI 接口與微控制器ADmC7060進(jìn)行數據的通信和控制， 其接口電路原理圖如圖5所示，當CS管腳與高電平 DVDD相連，此時(shí)，ADXL345與微控制器通過(guò)I2C接 口進(jìn)行數據交互，ADXL345的SDA與ADmC7060的 P0.1 相連，SCL/SCLK 與 ADmC7060 的 P0.3 相連；將 ALT與GND相連，此時(shí)ADXL345的I2C通信地址 為 0x53。ADXL345 的 INT1 與 ADmC7060 的 IRQ3 管腳連接，微控制器在ADXL345的FIFO滿(mǎn)后產(chǎn)生 IRQ3中斷，微控制器通過(guò)I2C讀取FIFO中的數據。 進(jìn)行多級濾波預處理，采用去極值均值滑窗濾波預 處理算法，它由去極值均值濾波和滑窗均值濾波兩 部分組成，圖6為去極值均值滑窗濾波算法流程圖。 預處理算法不僅有效的抑制了 ADXL345的脈沖干 擾、隨機干擾；而且保證了系統的實(shí)時(shí)性要求。

4.3傾角測量數據預處理

電子秤的傾角是通過(guò)三軸加速度傳感器測量其 在X、Y、Z軸3個(gè)軸的加速度間接計算得到電子秤 秤體的傾角，所以三軸加速度傳感器數據的可靠性 直接關(guān)系到傾角測量的準確性。綜合考慮系統的實(shí) 時(shí)去極值平均濾波在ADXL345產(chǎn)生FIFO滿(mǎn)中斷 后，即ADXL345連續采樣L次，微控制器將采集到 的L個(gè)數據進(jìn)行排序，去掉一個(gè)最大值，去掉一個(gè)最 小值，再求余下LI個(gè)采樣值的平均值。即

4.4傾角自動(dòng)補償電子秤軟件設計

系統上電復位后，ADmC7060對各模塊進(jìn)行初始 化，并進(jìn)行故障自檢，若模塊存在故障，則通過(guò)LCD 顯示故障部件；如部件無(wú)故障，程序進(jìn)人主循環(huán)，不斷的查詢(xún)主程序是否存在按鍵操作，若無(wú)按鍵按下，ADmC7060對A/D、加速度傳感器的信號進(jìn)行數據預 處理，線(xiàn)性校正，傾角補償和溫度補償，最后顯示稱(chēng) 重結果。

傾角自動(dòng)補償電子秤軟件流程如圖7所示。 ADmC7060在讀取稱(chēng)重數據的同時(shí)清空ADXL345內 部FIFO，并發(fā)出啟動(dòng)采集加速度信號，設定 ADXL345的FIFO工作于觸發(fā)模式，當ADXL345內 部FIFO數據采集滿(mǎn)時(shí)，將在其INT1引腳產(chǎn)生一個(gè) 下降沿，產(chǎn)生外部中斷，并且在中斷服務(wù)程序中設 置ADXL345數據準備好標志變量；這樣保證了稱(chēng)重 數據的采樣和數據處理時(shí)，ADXL345的三軸加速度 數據采樣是同步進(jìn)行。當程序完成稱(chēng)重數據的處理 后，查詢(xún)ADXL345的數據是否準備好，若準備好根 據式(5)和式(6)計算出電子秤的傾角，再根據式(9)計 算存在傾角時(shí)電子秤的載荷的真實(shí)重量；最后，對 系統進(jìn)行溫度補償。

5.實(shí)驗結果與誤差分析

為了準確提供特定的傾斜角度，設計了如圖8 所示的測試平臺，將電子秤的3個(gè)墊腳固定在一塊 不鎊鋼鋼板上，鋼板長(cháng)為Lm，鋼板的一端采用活頁(yè) 進(jìn)行固定，另外一端采用螺絲釘調節高度b，根據b 和Lm即可計算得到電子秤的傾斜角大小。不斷的改 變b調節電子秤的傾角測試系統的角度測量系統的 準確度，測試結果表明采用文中傾角數據預處理方法，結合式(6)和式(7)計算電子秤的傾角，系統的角 度精度優(yōu)于0.25°。

表1為電子秤傾角為0°、5°、10°和15°時(shí)情況 下，電子秤補償前與補償后的稱(chēng)重測試結果?？梢?jiàn)， 加載800 g載荷，傾角為15度時(shí)，補償前的稱(chēng)重誤差 達到了-27.32 g，補償后的誤差減小到-0.19 g。可見(jiàn)， 未進(jìn)行傾角補償的誤差大，隨著(zhù)傾斜度增加，誤差 更大；進(jìn)行傾角補償后，最大允許誤差控制在0.2 g 以?xún)?，很好地滿(mǎn)足了設計要求。