通過對已有的各種電子秤的分析，從硬件和軟件兩個方面，提出提高電子秤測量精度的方法；硬件上采用專門為高精度設(shè)計 的24位A/D轉(zhuǎn)換芯片11X711，該芯片具有分辨率高、線性度好、功耗低等優(yōu)點，特別適合低頻高精度的應(yīng)用場合；軟件上引入樣條函 數(shù)，用光滑的參數(shù)曲線段逼近折線多邊形，實現(xiàn)對非線性稱重關(guān)系特性曲線的擬合和自校準(zhǔn)，達(dá)到減小誤差的目的；最后通過實驗證明 了該方法的有效性。

0.引言

稱重技術(shù)一直以來就被人們所重視，在人們的生產(chǎn)生活中 發(fā)揮著重要作用。作為一種普遍使用的計量手段，稱重技術(shù)被 廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、科研、交通、內(nèi)外貿(mào)易等各個領(lǐng)域，與人 民的生活息息相關(guān)。

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

硬件電路補(bǔ)償法是應(yīng)用最廣泛的誤差補(bǔ)償方法，此方法 雖然有效，但補(bǔ)償工藝復(fù)雜，硬件成本高。文獻(xiàn)中提出來 分段線性插值法，實現(xiàn)了電子秤的非線性誤差校正，但電子秤 精度有待進(jìn)一步提高。文獻(xiàn)運(yùn)用構(gòu)建徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 的方法，完成了電子秤誤差補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，但該方法運(yùn)算復(fù)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方面入手，提出提高電子秤的精 度設(shè)計方法。硬件上采用橋式電路和高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片 HX711，以提高測量精度，減小非線性誤差；軟件上采用樣條 函數(shù)，以實現(xiàn)傳感器信號的非線性擬合。

1.電子秤的硬件設(shè)計

電子秤硬件測量系統(tǒng)的關(guān)鍵在于提高被稱重物體重量精 度以及減小非線性，本設(shè)計以MSP430G2553為信息處理單 元，外加傳感器信號處理電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，矩陣鍵盤功 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(tǒng)硬件如圖1所示。當(dāng)物體放置于電子秤 托盤時，電阻應(yīng)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 過八/D信號轉(zhuǎn)換電路傳給MSP430G2553單片機(jī)，對稱重信 號進(jìn)行采集。單片機(jī)采集到稱量數(shù)據(jù)后，與內(nèi)置程序中的樣 條曲線進(jìn)行比對，將其轉(zhuǎn)換成為重量信息并通過顯示電路顯 示出 來。

1. 1芯片選型

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

1.2電子秤的A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

目前市面上的電子秤大多采用分離的A/D轉(zhuǎn)換器和放大 器組成的信號采集電路，對稱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(fù)雜性，增大制作成本，而且降低 了電路的穩(wěn)定性，容易受到外界環(huán)境的干擾。尤其是對于高精 度電子秤來說，這樣的電路復(fù)雜度增大了稱量的不確定性，降 低了電子秤的稱量穩(wěn)定度。

電子秤一般要求測量范圍廣，而電阻式稱量傳感器線性范 圍小，為了盡可能提高測量精度，本設(shè)計最終采用HX711為 A/D轉(zhuǎn)換芯片，HX711具有海芯科技集成電路專利技術(shù)，是 —款專為高精度電子秤而設(shè)計的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與其 它同類型芯片相比，該芯片集成了放大器，穩(wěn)壓電源和片內(nèi)時 鐘振蕩器，無需另加外圍電路，具有分辨率高、線性度好、抗 干擾性強(qiáng)、功耗低等特點。降低了電子秤的生產(chǎn)成本和電路的 復(fù)雜度，提高了電子秤的穩(wěn)定性，特別適合低頻、高精度應(yīng)用 場合的模擬前端。HXH1所有控制信號均由管腳驅(qū)動，無需 對芯片內(nèi)部的寄存器編程，輸入選擇開關(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(yīng)的滿額度 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(tǒng)參數(shù)檢測。

本設(shè)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(zhuǎn)換后輸出為數(shù)字量，AD采 集電路如圖3所示。

1.3 OLED顯示電路

OLED，即有機(jī)發(fā)光二極管，又稱為有機(jī)電激光顯示，其 顯示技術(shù)與傳統(tǒng)的LCD顯示方式不同，無需背光源，而是采 用很薄的有機(jī)材料涂層和玻璃基板，當(dāng)電流流過時，有機(jī)材料 自己發(fā)光，相比傳統(tǒng)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(jī)等武器 的顯示終端，故本設(shè)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(yīng)SPI 總線的MOSI信號，D1對應(yīng)SPI總線的MIMO信號，D0對應(yīng) SPI總線的CLK時鐘信號，第7引腳為CS片選引腳，本電路 默認(rèn)設(shè)置是CS通過軟件配置使用，如果實際使用中，不需要 使用CS引腳，可在軟件里面將單片機(jī)對應(yīng)IO引腳置低。

2.電子秤的軟件設(shè)計

2.1電子秤誤差分析

本設(shè)計采用電阻應(yīng)變片式壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換為電 信號。其主要由彈性體、電阻應(yīng)變片、電纜線等組成，內(nèi)部線 路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時，電阻應(yīng)變 片（轉(zhuǎn)換元件）受到拉伸或壓縮應(yīng)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(yīng)的差 動信號，供后續(xù)電路測量和處理。

稱重原理如圖2所示。設(shè)兩個電阻應(yīng)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(dāng)應(yīng)變 片不加任何載荷時，4個電阻的零點阻值相等，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）成非線性關(guān)系，Fx越大，稱重傳感

器的非線性關(guān)系越明顯，誤差越大。

2 2電子秤的程序流程結(jié)構(gòu)

電子秤軟件的主要功能是稱量信號采集，非線性補(bǔ)償，系統(tǒng)鍵盤、顯示管理等。圖5為電子秤程序流程圖，為了方便程序的調(diào)試和增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，程序設(shè)計采用自上而下、模塊化、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法，把總的編程過程逐步細(xì)分，分解成一個個功能模塊，每個模塊互相獨立，完成一個明確的任務(wù)，實現(xiàn)某個具體的功能，邏輯結(jié)構(gòu)清晰，大大降低了編程難度。電子秤的軟件結(jié)構(gòu)主要包括系統(tǒng)初始化模塊、稱量信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、矩陣功能按鍵檢測模塊以及

OLED12864顯示模塊。

本設(shè)計的軟件開發(fā)環(huán)境是由丁I公司研發(fā)的高效C編譯器和集成開發(fā)環(huán)境CodeComposerStudio，其具有環(huán)境配置、源文件編輯、程序調(diào)試、跟蹤和分析等功能，能夠幫助用戶在一個軟件環(huán)境下完成編輯、編譯、鏈接、調(diào)試和數(shù)據(jù)分析等工作，是MSP430單片機(jī)軟件開發(fā)的理想工具。

3基于樣條函數(shù)的非線性誤差擬合

3.1樣條函數(shù)的引入

早期工程師制圖時，把富有彈性的細(xì)長木條（所謂樣條） 用鐵固定在樣點上，在其他地方讓它自由彎曲，然后畫下長條 的曲線，稱為樣條曲線[5]。樣條曲線實際是上是由分段三次曲 線并接而成，在連接點即樣點上要求二階倒數(shù)連續(xù)，從數(shù)學(xué)上 加以概括就得到數(shù)學(xué)樣條這一概念。

樣條函數(shù)是平面線形設(shè)計中簡單實用的樣條曲線擬合工 具，具有數(shù)學(xué)表達(dá)式簡單統(tǒng)一、線性光滑、良好的保形功能、 擬合選點自由、整體大繞度、局部小繞度等優(yōu)點，將其應(yīng)用在 電子秤的設(shè)計上，具有較大的現(xiàn)實意義。

3.2樣條函數(shù)的擬合原理

在電子秤的應(yīng)用過程中，為了達(dá)到高準(zhǔn)確度的稱量要求， 對于非線性的稱重關(guān)系需用樣條函數(shù)對其進(jìn)行擬合，達(dá)到減小 誤差的功能。

以本系統(tǒng)設(shè)計量程為500 g的電子秤為實驗對象，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組加載到實驗對象電子秤上，通過稱重傳感器 采集輸出電壓輸出U”，獲得9組實驗數(shù)據(jù)，預(yù)處理后即獲得 9組歸一化樣本數(shù)據(jù)(Mm，UM)，列三次樣條函數(shù)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 為兩個階段：向前消元和回代。即可解出三次樣條函數(shù)方程。

4.電子秤稱量實驗

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

圖6為經(jīng)過三次樣條擬合前后的電子秤仿真輸出結(jié)果比 較，實線為三次樣條插值，虛線為普通折線插值，比較可知， 普通折線插值在稱重曲線基點處導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，失去了原函數(shù)的 光滑性，與實際應(yīng)用不符，會產(chǎn)生明顯誤差。采用三次樣條插

值的方法，稱重曲線基點處滿足處處有二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，保證曲 線在基點處實現(xiàn)光滑過渡，符合實際稱量情況，對減小稱量誤 差有明顯作用。

電子秤示值誤差檢定結(jié)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個不同的測量點。實驗方法是： 載荷從零開始，逐漸地往上加載，直至加到電子秤的最大稱 量，然后逐漸地卸下載荷，直至零載荷為止。由表1可見，在 未引入三次樣條函數(shù)之前，隨著載荷的增加，電子秤稱量誤差呈增大趨勢，且在加載和卸下載荷前后，電子秤的示數(shù)波動明 顯，稱量結(jié)果不穩(wěn)定；而在引入樣條函數(shù)后，電子秤稱重曲線 經(jīng)樣條函數(shù)擬合，電子秤的稱量誤差明顯減小，在加載和卸下 載荷時，電子秤的示數(shù)基本保持不變，極大地保證了稱量穩(wěn)定 性，提高了電子秤的品質(zhì)，擬合效果明顯。

5.結(jié)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 稱量誤差產(chǎn)生的關(guān)鍵，并通過對市場上電子秤的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)了 目前電子秤存在的稱量精度低，制作成本高的問題，因而，本 文設(shè)計了一種以MSP430G2553單片機(jī)為信息處理單元，利用 三次樣條函數(shù)擬合電子秤的稱重曲線，對其非線性誤差進(jìn)行補(bǔ) 償，從而完成對電子秤的非線性矯正的新型高精度電子秤，極 大簡化了電子秤的設(shè)計電路，提高了電子秤的穩(wěn)定性，降低了 制作成本，經(jīng)實驗證明這種方法可以明顯減少電子秤的非線性 誤差，提高稱重準(zhǔn)確度，電子秤的實際測量精度達(dá)0. 01g。整 個實驗結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

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