針對傳統(tǒng)電子秤水平調(diào)節(jié)繁瑣,存在傾角時稱重準確度低等不足,設(shè)計了一種具有傾角自動檢測與稱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的傾角檢測和稱量誤差補償原理,提出并建立了電子秤傾角自動補償模型,給出了基于微處理器ADuC7060的傾角測量系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計與實現(xiàn)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行的測試結(jié)果表明,在傾角小于1°時,儀器的最大允許誤差MPE<0.05 g;當(dāng)傾角小于15°時,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量結(jié)果 準確度有較大的影響。傳統(tǒng)電子秤水平調(diào)節(jié)依據(jù) 氣泡式水平儀進行，完全依賴于手工操作，調(diào)節(jié)過 程繁瑣，且水平度難以保證。此外，部分電子秤的 水平儀在安裝時本身就存在一定的傾斜，導(dǎo)致電子秤無法正確調(diào)平。文獻提出一種采用雙軸模擬 加速度傳感器感測稱重系統(tǒng)的傾角并對傾角產(chǎn)生的 誤差進行補償，但只能檢測特定方向的傾角，無法 實現(xiàn)任意方向傾角檢測。實際操作中，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 無法滿足多自由度傾角測量系統(tǒng)的要求。

為此，本文設(shè)計了一種具有傾角自動檢測與稱 量誤差補償功能的高精度電子秤，通過分析秤臺傾 角對電子秤稱量性能的影響，根據(jù)三軸加速度傳感 器ADXL345的傾角檢測和稱量誤差補償原理，通過 實驗和仿真建立了電子秤傾角自動補償模型，給出 了基于微處理器ADmC7060的傾角測量系統(tǒng)的軟、 硬件設(shè)計與實現(xiàn)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行的測試結(jié)果表明，在傾角小于1°時，儀器的最大允許誤差MPE<0.05 g;當(dāng)傾 角小于15°時，最大允許誤差MPE<0.2 g。有效地補 償了傾角引起的稱重誤差。

2.電子秤傾角對稱量準確度的影響

電子秤稱重傳感器采用電阻應(yīng)變式稱重傳感器， 當(dāng)載荷加載到稱重傳感器時，載荷的重力Wm作用于 稱重傳感器，使得稱重傳感器輸出一個微弱的差分 電壓信號，系統(tǒng)對該信號進行信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換， 最后，微控制器根據(jù)電壓信號處理計算得到載荷的 重量并進行顯示。

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

3.電子秤傾角檢測與稱量誤差補償

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現(xiàn)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，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) 為物體同時繞X和Y軸分別傾斜和《，此時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偏離其初始位置，使得加速 度傳感器在各軸存在一個初始值Wx。、辦。、為，根 據(jù)式(5)可計算得到傳感器的初始傾角%，故電子秤 實際傾斜角沒為

當(dāng)電子秤存在傾角時，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 性誤差，取誤差Werror=0.1g，圖3為采用MATLAB 7.0對式(4)進行仿真獲得的臨界誤差補償曲線。圖3 中橫軸為電子秤的傾角，縱軸為載荷重量的變化; 曲線為載荷重量Wm與傾角0變化時，理論稱重誤差 Werror=0.1 g時的臨界誤差補償曲線；圖中臨界誤差補償曲線以下的區(qū)域A最大誤差小于0.1 g,即稱重 誤差允許范圍內(nèi)不需補償?shù)膮^(qū)域，臨界誤差補償曲 線包絡(luò)以外的區(qū)域B的傾角引起的稱重誤差都大于 0.1 g,即為需要進行稱重傾角誤差補償?shù)膮^(qū)域。

根據(jù)圖3可得曲線關(guān)于0=0°對稱，且在|糾幻° 時最大誤差不超過0.1 g,不需要進行傾角補償；為 了簡化式(8)計算，將正割函數(shù)sec0進行泰勒分解有 

考慮到傾角0的變化范圍較小，式(9)中括號內(nèi) 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(nèi)Rad0的4次及以上的高次項忽略。

4.系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

4.1傾角自動補償電子秤系統(tǒng)工作原理

具有傾角自動補償功能的電子秤由稱重傳感 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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(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) 部含有兩個獨立的24位的S-A ADC，ADmC7060根據(jù) 稱重信號、傾角信號、溫度信號進行數(shù)據(jù)處理和融 合得到稱重結(jié)果，最后，通過LCD和RS232顯示或 傳輸稱重結(jié)果。

4.2傾角檢測硬件電路設(shè)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(shù)字加速度傳 感器，采用/MEMS技術(shù)，在一個硅片上包含了一個 多晶體硅表面微機械傳感器和信號處理電路結(jié)構(gòu)， 實現(xiàn)了開環(huán)加速度測量；可以用于測量振動、動態(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)重力加速度測量中可提供高達4 mg/LSB分辨 率，可在傾斜感測應(yīng)用中能夠分辨0.25°的傾角變化， 可通過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 有專門的電源管理模塊，可有效的控制系統(tǒng)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I2C或SPI 接口與微控制器ADmC7060進行數(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，ADXL345與微控制器通過I2C接 口進行數(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滿后產(chǎn)生 IRQ3中斷，微控制器通過I2C讀取FIFO中的數(shù)據(jù)。 進行多級濾波預(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、隨機干擾；而且保證了系統(tǒng)的實時性要求。

4.3傾角測量數(shù)據(jù)預(yù)處理

電子秤的傾角是通過三軸加速度傳感器測量其 在X、Y、Z軸3個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(shù)據(jù)的可靠性 直接關(guān)系到傾角測量的準確性。綜合考慮系統(tǒng)的實 時去極值平均濾波在ADXL345產(chǎn)生FIFO滿中斷 后，即ADXL345連續(xù)采樣L次，微控制器將采集到 的L個數(shù)據(jù)進行排序，去掉一個最大值，去掉一個最 小值，再求余下LI個采樣值的平均值。即

4.4傾角自動補償電子秤軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電復(fù)位后，ADmC7060對各模塊進行初始 化，并進行故障自檢，若模塊存在故障，則通過LCD 顯示故障部件；如部件無故障，程序進人主循環(huán)，不斷的查詢主程序是否存在按鍵操作，若無按鍵按下，ADmC7060對A/D、加速度傳感器的信號進行數(shù)據(jù)預(yù) 處理，線性校正，傾角補償和溫度補償，最后顯示稱 重結(jié)果。

傾角自動補償電子秤軟件流程如圖7所示。 ADmC7060在讀取稱重數(shù)據(jù)的同時清空ADXL345內(nèi) 部FIFO，并發(fā)出啟動采集加速度信號，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)采集滿時，將在其INT1引腳產(chǎn)生一個 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)準備好標志變量；這樣保證了稱重 數(shù)據(jù)的采樣和數(shù)據(jù)處理時，ADXL345的三軸加速度 數(shù)據(jù)采樣是同步進行。當(dāng)程序完成稱重數(shù)據(jù)的處理 后，查詢ADXL345的數(shù)據(jù)是否準備好，若準備好根 據(jù)式(5)和式(6)計算出電子秤的傾角，再根據(jù)式(9)計 算存在傾角時電子秤的載荷的真實重量；最后，對 系統(tǒng)進行溫度補償。

5.實驗結(jié)果與誤差分析

為了準確提供特定的傾斜角度，設(shè)計了如圖8 所示的測試平臺，將電子秤的3個墊腳固定在一塊 不鎊鋼鋼板上，鋼板長為Lm，鋼板的一端采用活頁 進行固定，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)電子秤的傾角測試系統(tǒng)的角度測量系統(tǒng)的 準確度，測試結(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°時情況 下，電子秤補償前與補償后的稱重測試結(jié)果?？梢姡?加載800 g載荷，傾角為15度時，補償前的稱重誤差 達到了-27.32 g，補償后的誤差減小到-0.19 g。可見， 未進行傾角補償?shù)恼`差大，隨著傾斜度增加，誤差 更大；進行傾角補償后，最大允許誤差控制在0.2 g 以內(nèi)，很好地滿足了設(shè)計要求。