針對(duì)傳統(tǒng)電子秤水平調(diào)節(jié)繁瑣,存在傾角時(shí)稱(chēng)重準(zhǔn)確度低等不足,設(shè)計(jì)了一種具有傾角自動(dòng)檢測(cè)與稱(chēng)量誤差補(bǔ)償功能的高精度電子秤。分析了秤臺(tái)傾角對(duì)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(cè)和稱(chēng)量誤差補(bǔ)償原理,提出并建立了電子秤傾角自動(dòng)補(bǔ)償模型,給出了基于微處理器ADuC7060的傾角測(cè)量系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。對(duì)量程為1 000 g、感量為0.01 g的電子秤傾角補(bǔ)償后進(jìn)行的測(cè)試結(jié)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(dāng)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(tái)的平整度和秤體傾斜度對(duì)稱(chēng)量結(jié)果 準(zhǔn)確度有較大的影響。傳統(tǒng)電子秤水平調(diào)節(jié)依據(jù) 氣泡式水平儀進(jìn)行，完全依賴(lài)于手工操作，調(diào)節(jié)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(dǎo)致電子秤無(wú)法正確調(diào)平。文獻(xiàn)提出一種采用雙軸模擬 加速度傳感器感測(cè)稱(chēng)重系統(tǒng)的傾角并對(duì)傾角產(chǎn)生的 誤差進(jìn)行補(bǔ)償，但只能檢測(cè)特定方向的傾角，無(wú)法 實(shí)現(xiàn)任意方向傾角檢測(cè)。實(shí)際操作中，由于電子 秤的支撐腳調(diào)節(jié)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(cè)量系統(tǒng)的要求。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種具有傾角自動(dòng)檢測(cè)與稱(chēng) 量誤差補(bǔ)償功能的高精度電子秤，通過(guò)分析秤臺(tái)傾 角對(duì)電子秤稱(chēng)量性能的影響，根據(jù)三軸加速度傳感 器ADXL345的傾角檢測(cè)和稱(chēng)量誤差補(bǔ)償原理，通過(guò) 實(shí)驗(yàn)和仿真建立了電子秤傾角自動(dòng)補(bǔ)償模型，給出 了基于微處理器ADmC7060的傾角測(cè)量系統(tǒng)的軟、 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。對(duì)量程為1 000 g、感量為0.01 g 的電子秤傾角補(bǔ)償后進(jìn)行的測(cè)試結(jié)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(dāng)傾 角小于15°時(shí)，最大允許誤差MPE<0.2 g。有效地補(bǔ) 償了傾角引起的稱(chēng)重誤差。

2.電子秤傾角對(duì)稱(chēng)量準(zhǔn)確度的影響

電子秤稱(chēng)重傳感器采用電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器， 當(dāng)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(hào)，系統(tǒng)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換， 最后，微控制器根據(jù)電壓信號(hào)處理計(jì)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(cè)到的力為 

3.電子秤傾角檢測(cè)與稱(chēng)量誤差補(bǔ)償

3.1傾角測(cè)量

采用三軸加速度傳感器測(cè)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(jì)算Z軸與重力加 速度的夾角得到秤體與秤臺(tái)的傾角O

三軸加速度傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意方向傾斜角度 的測(cè)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(jù)式(5)計(jì)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(jù)式(5)可計(jì)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(dāng)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(duì)式(4)進(jìn)行仿真獲得的臨界誤差補(bǔ)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(bǔ)償曲線(xiàn)；圖中臨界誤差補(bǔ)償曲線(xiàn)以下的區(qū)域A最大誤差小于0.1 g,即稱(chēng)重 誤差允許范圍內(nèi)不需補(bǔ)償?shù)膮^(qū)域，臨界誤差補(bǔ)償曲 線(xiàn)包絡(luò)以外的區(qū)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(bǔ)償?shù)膮^(qū)域。

根據(jù)圖3可得曲線(xiàn)關(guān)于0=0°對(duì)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(bǔ)償；為 了簡(jiǎn)化式(8)計(jì)算，將正割函數(shù)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(hào)內(nèi) 的傾角0的4次及以上的高次項(xiàng)對(duì)于載荷重量Wm的 影響很小，遠(yuǎn)小于電子秤的最大允許誤差，故將式(8) 中括號(hào)內(nèi)Rad0的4次及以上的高次項(xiàng)忽略。

4.系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1傾角自動(dòng)補(bǔ)償電子秤系統(tǒng)工作原理

具有傾角自動(dòng)補(bǔ)償功能的電子秤由稱(chēng)重傳感 器、傾角測(cè)量模塊、溫度傳感器、信號(hào)放大電路、 低通濾波電路、人機(jī)接口模塊、RS232接口等電路 組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。其中，信號(hào)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(tǒng)的信息處理核心，采用 ARM7TDMI內(nèi)核，可提供10 MIPS峰值性能；它內(nèi) 部含有兩個(gè)獨(dú)立的24位的S-A ADC，ADmC7060根據(jù) 稱(chēng)重信號(hào)、傾角信號(hào)、溫度信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和融 合得到稱(chēng)重結(jié)果，最后，通過(guò)LCD和RS232顯示或 傳輸稱(chēng)重結(jié)果。

4.2傾角檢測(cè)硬件電路設(shè)計(jì)

采用三軸加速度傳感器ADXL345檢測(cè)電子秤 在X、Y、Z 3軸上加速度的變化，通過(guò)計(jì)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(shù)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(jī)械傳感器和信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)了開(kāi)環(huán)加速度測(cè)量；可以用于測(cè)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(shè)定為2/4/8/16g， 在靜態(tài)重力加速度測(cè)量中可提供高達(dá)4 mg/LSB分辨 率，可在傾斜感測(cè)應(yīng)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(shù)字量的形式輸 出，內(nèi)部含有32字節(jié)的FIFO;此外，ADXL345內(nèi)部具 有專(zhuān)門(mén)的電源管理模塊，可有效的控制系統(tǒng)的功耗， 測(cè)量模式下低達(dá)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(shù)據(jù)的通信和控制， 其接口電路原理圖如圖5所示，當(dāng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。 進(jìn)行多級(jí)濾波預(yù)處理，采用去極值均值滑窗濾波預(yù) 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(yù)處理算法不僅有效的抑制了 ADXL345的脈沖干 擾、隨機(jī)干擾；而且保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

4.3傾角測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理

電子秤的傾角是通過(guò)三軸加速度傳感器測(cè)量其 在X、Y、Z軸3個(gè)軸的加速度間接計(jì)算得到電子秤 秤體的傾角，所以三軸加速度傳感器數(shù)據(jù)的可靠性 直接關(guān)系到傾角測(cè)量的準(zhǔn)確性。綜合考慮系統(tǒng)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(xù)采樣L次，微控制器將采集到 的L個(gè)數(shù)據(jù)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(bǔ)償電子秤軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電復(fù)位后，ADmC7060對(duì)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(duì)A/D、加速度傳感器的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù) 處理，線(xiàn)性校正，傾角補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償，最后顯示稱(chēng) 重結(jié)果。

傾角自動(dòng)補(bǔ)償電子秤軟件流程如圖7所示。 ADmC7060在讀取稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)的同時(shí)清空ADXL345內(nèi) 部FIFO，并發(fā)出啟動(dòng)采集加速度信號(hào)，設(shè)定 ADXL345的FIFO工作于觸發(fā)模式，當(dāng)ADXL345內(nèi) 部FIFO數(shù)據(jù)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(shè) 置ADXL345數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好標(biāo)志變量；這樣保證了稱(chēng)重 數(shù)據(jù)的采樣和數(shù)據(jù)處理時(shí)，ADXL345的三軸加速度 數(shù)據(jù)采樣是同步進(jìn)行。當(dāng)程序完成稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)的處理 后，查詢(xún)ADXL345的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好，若準(zhǔn)備好根 據(jù)式(5)和式(6)計(jì)算出電子秤的傾角，再根據(jù)式(9)計(jì) 算存在傾角時(shí)電子秤的載荷的真實(shí)重量；最后，對(duì) 系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析

為了準(zhǔn)確提供特定的傾斜角度，設(shè)計(jì)了如圖8 所示的測(cè)試平臺(tái)，將電子秤的3個(gè)墊腳固定在一塊 不鎊鋼鋼板上，鋼板長(zhǎng)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(diào)節(jié)高度b，根據(jù)b 和Lm即可計(jì)算得到電子秤的傾斜角大小。不斷的改 變b調(diào)節(jié)電子秤的傾角測(cè)試系統(tǒng)的角度測(cè)量系統(tǒng)的 準(zhǔn)確度，測(cè)試結(jié)果表明采用文中傾角數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，結(jié)合式(6)和式(7)計(jì)算電子秤的傾角，系統(tǒng)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(bǔ)償前與補(bǔ)償后的稱(chēng)重測(cè)試結(jié)果。可見(jiàn)， 加載800 g載荷，傾角為15度時(shí)，補(bǔ)償前的稱(chēng)重誤差 達(dá)到了-27.32 g，補(bǔ)償后的誤差減小到-0.19 g。可見(jiàn)， 未進(jìn)行傾角補(bǔ)償?shù)恼`差大，隨著傾斜度增加，誤差 更大；進(jìn)行傾角補(bǔ)償后，最大允許誤差控制在0.2 g 以?xún)?nèi)，很好地滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。