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(wàn)分之一的高精密電子秤。該電子秤以16位單片機SPCE061A為核心，藝-AADC為主要稱(chēng)重采集部件；采用了硬 件電路抗干擾和軟件濾波等技術(shù)，以保證整機的精度和穩定性；同時(shí)該系統還為用戶(hù)提供了智能、友 好的用戶(hù)界面和接口。

電子秤（或電子衡器）是配有電子稱(chēng)量裝置的衡器， 它在商業(yè)銷(xiāo)售中廣泛使用。國內從20世紀60年代中 期開(kāi)始模擬指針式電子秤的研制和生產(chǎn)，經(jīng)歷了模擬 式電子秤、數字式電子秤和微機式電子秤三個(gè)階段。精 度從0.1%、0.05%發(fā)展到0.01%。根據目前市場(chǎng)發(fā)布的 產(chǎn)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(dòng)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(lái)說(shuō)，電子秤的發(fā)展呈現出小型化、智能化和 模塊化的特點(diǎn)。根據市場(chǎng)需求，筆者以高精度、小型化 和智能化為目的，以高性能16位單片機為SPCE061A 核心，研發(fā)了 一款最大稱(chēng)重為600g，最小分度為 0.01g，稱(chēng)重精度為0.001 6%(六萬(wàn)分之一）的工業(yè)用高精度電子秤。該產(chǎn)品包含當前臺式電子秤所有的功能且用 戶(hù)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(zhì)量或 力的大小,通過(guò)稱(chēng)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(chēng)重儀表上顯示出來(lái)。電 子秤由稱(chēng)重傳感器、弱信號放大和濾波、高數位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(yōu)異的電阻應變式橋式稱(chēng)重傳感 器，其基本原理為所稱(chēng)重量引起的電阻變化可產(chǎn)生一個(gè) 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(shí)，其滿(mǎn)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(diǎn)。另 一難點(diǎn)則是系統的實(shí)時(shí)反應速度。由于本設計面向商 用，要求系統能夠對稱(chēng)重物體作出快速反應，在穩定與 不穩定狀態(tài)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(chēng)重儀器，友好的用戶(hù)界面和低功耗 設計也是必需的。

根據上述技術(shù)難點(diǎn)的分析和系統指標要求，選取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(tài)內 存，32KB Flash，32個(gè)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(jìn)行數字濾波才能 使系統性能得到提升。SPCE061A的16位字長(cháng)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(lài)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(mǎn) 足要求；32個(gè)通用I/O 口和各種外設資源使系統在擴展 按鍵、LCD顯示、實(shí)時(shí)時(shí)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(chēng)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(gè)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(mǎn)足此要求。系統的A/D轉換器選 取24位Σ-△ ADC芯片CS5460A。CS5460A包含兩個(gè) S-A模-數轉換器（ADC)和一個(gè)串行接口的高度集成 S-A模-數轉換器，兩個(gè)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(hù)功能的響應、稱(chēng) 重數據的采集與處理、軟件濾波、數據校正和稱(chēng)重顯示 等功能。用戶(hù)通過(guò)按鍵錄入、軟件查詢(xún)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(hù)界面的簡(jiǎn) 捷，采用組合鍵錄入。根據用戶(hù)需求，稱(chēng)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(chēng)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(lái)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(huì )產(chǎn)生基線(xiàn)漂移。為此，采用兩路 RC低通濾波電路對兩臂信號同時(shí)進(jìn)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(diǎn)之一。系統通過(guò)穩壓 模塊將各個(gè)電源分開(kāi)，并分離接地，保證來(lái)自不同電路 的地電流之間沒(méi)有交叉耦合，任何一個(gè)電路的地電位只 受這個(gè)電路的地電流和它的地線(xiàn)自身阻抗的影響，各個(gè) 地最后回流到系統鋪設的地上。

3.軟件抗干擾設計

3.1稱(chēng)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(xiàn)性關(guān)系，這就造成稱(chēng) 量的線(xiàn)性度發(fā)生較大的變化；另外由于ADC的線(xiàn)性度 不夠理想，使小稱(chēng)量和大稱(chēng)量區間的線(xiàn)性斜率不一樣。 這兩種情況都會(huì )使稱(chēng)量線(xiàn)性度發(fā)生變化，造成某些點(diǎn)的 稱(chēng)量誤差較大。采用分段校準稱(chēng)重值和分段計算稱(chēng)重 值，可大大減小稱(chēng)重值的相對誤差。

本系統使用了兩種校正方法：線(xiàn)性校正和單點(diǎn)校 正。線(xiàn)性校正取零點(diǎn)A、三分之一量程B、三分之二量程 C和滿(mǎn)量程D為基點(diǎn)得到三條線(xiàn)段BA、CB和DC，使得每段的稱(chēng)量線(xiàn)性度比只有一條線(xiàn)段時(shí)要好。單點(diǎn)校正是 在線(xiàn)性校正的基礎上作小偏移補償，取零點(diǎn)和系統規定 的量程某一點(diǎn)，假設穩定時(shí)的零點(diǎn)值為A，選取量程中 的某一點(diǎn)如200g，在放置標準砝碼200g時(shí)測得的稱(chēng)重 值為m，此時(shí)求得比率值為rate =200/m，稱(chēng)重計算時(shí)用 此rate值來(lái)修正稱(chēng)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(chēng)重 狀態(tài)（穩定和不穩定）的判斷。因為稱(chēng)重數據在相當長(cháng)的 時(shí)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(kāi)，只取 平穩的數據作為有效數據進(jìn)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(chǎn)生的極點(diǎn)去除，然后用中值 濾波法進(jìn)行平均，在稱(chēng)重狀態(tài)判斷的過(guò)程中使用不同的 權值，對數據進(jìn)行權值濾波。這樣就得到了最后要顯示 的數據。

稱(chēng)重狀態(tài)判斷要處理三個(gè)問(wèn)題：（1)是否有重量變 化；（2)若無(wú)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(shí)反應并顯示出來(lái)。 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(gè)求均值的次數，當次數到達時(shí)，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(jìn)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(shí)候，若最小感量的值降低，則此方 法就無(wú)法保證稱(chēng)重值的穩定顯示。本系統 解決辦法是將測量值轉化為實(shí)際顯示的 稱(chēng)重值，如果稱(chēng)重值沒(méi)有變化，則認為沒(méi) 有變化；如果稱(chēng)重值有變化但沒(méi)有超出 3/2個(gè)最小感量，還是認為稱(chēng)重值沒(méi)有變 化；如果超出了，則要進(jìn)行一系列的比較 才能確定是否有新的重量加入。經(jīng)實(shí)際測試驗證，此方法有效地避免了稱(chēng)重顯示值的來(lái)回跳動(dòng)。

4.系統測試結果

4.1稱(chēng)重數據測試

本系統性能的提高關(guān)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(jīng)過(guò)任何處理、只經(jīng)過(guò)硬件處理和同時(shí)經(jīng)過(guò) 硬件與軟件處理的稱(chēng)重數據波形。每幅圖上的粗 線(xiàn)代表了數據變化的趨勢，即基線(xiàn)。從圖5可看 出，未經(jīng)過(guò)硬件抗干擾處理的波形基線(xiàn)會(huì )漂移；圖6中， 經(jīng)過(guò)硬件處理后，基線(xiàn)的漂移消失，但局部仍然會(huì )有數 據的波動(dòng)；圖7中再經(jīng)過(guò)軟件濾波處理，數據變化更趨平緩，基線(xiàn)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(xiàn)性測試和重復性測試。 線(xiàn)性測試的步驟是在零點(diǎn)情況下，每次都是100g向上平緩，基線(xiàn)基本不變，有利于得到比較穩定的數據。

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(shù)得到了系統性能的提升。測試結果表明，該產(chǎn)品具 有較優(yōu)異的線(xiàn)性度和重復性，性能指標達到了預期的效果；該產(chǎn)品還具有用戶(hù)界面友好、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。產(chǎn)品性能處于市場(chǎng)領(lǐng)先地位。