高精度電子秤傾角檢測與補償系統的設計與實現

1測量系統仿真分析電子秤平臺的平整度和重量的傾斜度對測量結果的精度有很大影響。傳統電子秤水平調節依據氣泡式水平儀進行,完全依賴于手工操作,調節過程繁瑣,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,導致電子秤無法正確調平。文獻提出一種采用雙軸模擬加速度傳感器感測稱重系統的傾角并對傾角產生的誤差進行補償,但只能檢測特定方向的傾角,無法實現任意方向傾角檢測。實際操作中,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法滿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ADuC7060的傾角測量系統的軟、硬件設計與實現方案。對量程為1000g、感量為0.01g的電子秤傾角補償后進行的測試結果表明,在傾角小于1°時,儀器的最大允許誤差MPE<0.05g;當傾角小于15°時,最大允許誤差MPE<0.2g。有效地補償了傾角引起的稱重誤差。2稱重傳感器對電子船的影響分析電子秤稱重傳感器采用電阻應變式稱重傳感器,當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,系統對該信號進行信號調理、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WR1,WR1大小與Wm相等,如式(1)所示。式中:Wm為載荷的重量,WR1為稱重傳感器感測到的力。當電子秤秤體發生傾斜時,設傾斜角為θ,如圖1(b)所示,對圖1(b)中載荷進行受力分析有式中:θ為電子秤秤體與水平面的傾角;WR2為稱重傳感器垂直方向所受應力;WR3為稱重傳感器水平方向所受應力。其中,WR2垂直加載在稱重傳感器上,即傳感器設計的受力方向,具有良好的線性;WR3為平行于稱重傳感器方向的力,秤體傾斜的方向、載荷重量Wm及傾角大小θ會使得稱重傳感器拉伸、扭曲和變形,導致稱重傳感器輸出為非線性;從而有稱重傳感器輸出為式中:WSensor為稱重傳感器的稱重輸出量,f(WR3)表示WR3影響稱重傳感器輸出的非線性函數。由式(1)、式(2)和式(3)可得,電子秤存在傾角時與正常稱重時的誤差為式中:Werror為電子秤傾角為θ時電子秤的稱量誤差。由式(4)可見,當載荷重量一定時,誤差Werror隨著傾角θ的變大而變大。載荷重量Wm越大,稱重誤差Werror變化幅度越大。當載荷重量Wm一定,為了簡化分析忽略非線性函數f(WR3)引起的誤差,當傾角在15°內變化引起的誤差最大可達3.4%Wm,可見,傾角對載荷的稱量準確度存在較大影響。3通過檢測電子秤的傾斜傾斜，并對稱重誤差進行補償3.1結構與加速度的關系采用三軸加速度傳感器測量X、Y、Z3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θ。三軸加速度傳感器可實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,傾角與加速度的關系示意圖;物體與X和Y軸與水平面的傾角分別為α和β,?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=AY=0,Z軸的加速度為AZ=-g;將物體繞X軸傾斜β后,傳感器加速度變化如圖2(b);將物體繞Y軸傾斜α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β和α,此時Z軸與重力加速度的夾角為?。由圖2可推導出三軸加速度傾角的關系: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?。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Ax0、Ay0、Az0,根據式(5)可計算得到傳感器的初始傾角?0,故電子秤實際傾斜角θ為式中:?0為電子秤的初始傾角,θ為電子秤的實際傾角。3.2臨界誤差補償曲線當傾角為θ時,由式(2)和式(3)得到載荷真實重量Wm為式中:WSensor為稱重傳感器的稱重輸出量。考慮到WR3并非稱重傳感器的設計的受力方向,其敏感程度遠低于稱重傳感器垂直方向受力WR2,為簡化模型計算與分析將式(7)變為式中:Wcal為模型的修正值,WSensor為稱重傳感器的輸出。當電子秤存在傾角時,電子秤的最大允許誤差需小于0.2g,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MATLAB7.0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θ變化時,理論稱重誤差Werror=0.1g時的臨界誤差補償曲線;圖中臨界誤差補償曲線以下的區域A最大誤差小于0.1g,即稱重誤差允許范圍內不需補償的區域,臨界誤差補償曲線包絡以外的區域B的傾角引起的稱重誤差都大于0.1g,即為需要進行稱重傾角誤差補償的區域。根據圖3可得曲線關于θ=0°對稱,且在|θ|≤1°時最大誤差不超過0.1g,不需要進行傾角補償;為了簡化式(8)計算,將正割函數secθ進行泰勒分解有式中:Wcal由實驗確定,Radθ為θ的弧度值,即考慮到傾角θ的變化范圍較小,式(9)中括號內的傾角θ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Radθ的4次及以上的高次項忽略。4系統的設計和實現4.1信號放大電路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5Hz以上的高頻噪聲,ADuC7060為系統的信息處理核心,采用ARM7TDMI內核,可提供10MIPS峰值性能;它內部含有兩個獨立的24位的Σ-ΔADC,ADuC7060根據稱重信號、傾角信號、溫度信號進行數據處理和融合得到稱重結果,最后,通過LCD和RS232顯示或傳輸稱重結果。4.2軸加速度傳感器及其接口采用三軸加速度傳感器ADXL345檢測電子秤在X、Y、Z3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字加速度傳感器,采用iMEMS技術,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構,實現了開環加速度測量;可以用于測量振動、動態加速度和靜態加速度,其量程范圍可設定為2/4/8/16g,在靜態重力加速度測量中可提供高達4mg/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內部具有專門的電源管理模塊,可有效的控制系統的功耗,測量模式下低達23μA,空閑模式下低至0.1μA。三軸加速度傳感器ADXL345可通過I2C或SPI接口與微控制器ADuC7060進行數據的通信和控制,其接口電路原理圖如圖5所示,當管腳與高電平DVDD相連,此時,ADXL345與微控制器通過I2C接口進行數據交互,ADXL345的SDA與ADuC7060的P0.1相連,SCL/SCLK與ADuC7060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ADuC7060的IRQ3管腳連接,微控制器在ADXL345的FIFO滿后產生IRQ3中斷,微控制器通過I2C讀取FIFO中的數據。4.3多級濾波預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據的可靠性直接關系到傾角測量的準確性。綜合考慮系統的實時性及精度的要求,將ADXL345的測量范圍配置為±2g,精度為4mg/LSB,數據刷新率為50Hz。本文對加速度傳感器ADXL345的輸出三軸加速度信號進行多級濾波預處理,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時性要求。去極值平均濾波在ADXL345產生FIFO滿中斷后,即ADXL345連續采樣L次,微控制器將采集到的L個數據進行排序,去掉一個最大值,去掉一個最小值,再求余下L-2個采樣值的平均值。即式中:xl為第l次去極值平均濾波器輸出值。將式(11)中的yn不斷地送入長度為N的數據窗口,并對濾波器窗口內的N個數據作均值移動操作,即滑窗均值濾波,其輸出值An為式中:An-1為第n-1次滑窗均值濾波器的輸出值。在第一級去極值平均濾波基礎上增加移動平均濾波,提高了數據的平滑度,降低了隨機干擾。其中,去極值平均濾波程序中L=10,滑窗均值濾波程序流程圖中N=5。4.4確定傾角自動補償電子引導機構系統上電復位后,ADuC7060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,程序進入主循環,不斷的查詢是否存在按鍵操作,若無按鍵按下,ADuC7060對A/D、加速度傳感器的信號進行數據預處理,線性校正,傾角補償和溫度補償,最后顯示稱重結果。傾角自動補償電子秤軟件流程如圖7所示。ADuC7060在讀取稱重數據的同時清空ADXL345內部FIFO,并發出啟動采集加速度信號,設定ADXL345的FIFO工作于觸發模式,當ADXL345內部FIFO數據采集滿時,將在其INT1引腳產生一個下降沿,產生外部中斷,并且在中斷服務程序中設置ADXL345數據準備好標志變量;這樣保證了稱重數據的采樣和數據處理時,ADXL345的三軸加速度數據采樣是同步進行。當程序完成稱重數據的處理后,查詢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)計算存在傾角時電子秤的載荷的真實重量;最后,對系統進行溫度補償。5電子船的傾角補償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個墊腳固定在一塊不銹鋼鋼板上,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果。可見,加載800g載荷,傾角為15度時,補償前的稱重誤差達到了-27.32g,補償后的誤差減小到-0.19g。可見,未進行傾角補償的誤差大,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0.2g以內,很好地滿足了設計要求。根據國家標準《JJG555-1996非自動衡器檢定規程》檢定要求對電子秤的偏載誤差、重復性、示值誤差、線性度等性能進行測試,采用800g的標準砝碼對傾角為0°、5°、10°和15°時電子秤的各項指標,測試結果如表2所示。從表2可以看出:傾角為0°時,電子秤的最大允許誤差0.05g,電子秤的各項性能指標都優于國家標準Ⅱ級秤的標準;傾角小于15°時,電子秤的最大允許誤差為0.2