高精密称重系统设计

张敏三, 吴海波

(1.湖南大学 电气工程学院，湖南 长沙 410083; 2.湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001)

高精密称重系统设计

张敏三1,2, 吴海波2

(1.湖南大学 电气工程学院，湖南 长沙 410083; 2.湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001)

介绍一种高精密称重系统的设计。在现有高精度称重系统研究现状的基础上，设计了一种高精密的称重系统，对称重系统的软硬件进行了设计，针对现有称重系统中可能存在的误差源进行了分析，并有针对性地进行了硬件和软件去噪处理和系统校正，进行了平台水平检测，经过实验测试，该称重系统测量绝对误差不超过±0.1 g，相对误差不超过0.25 %。

称重系统； 去噪处理； 水平检测; 系统校正

0 引 言

质量是一个重要的物理量，质量的精密测量一直是一个热点的研究问题。目前高精密的称重系统中，由于采样电路电源参考电平的波动、应变片特性的轻微非线性而在处理过程中按线性处理和系统校准不够精确等原因，给系统带来了一定的误差[1,2]。此外,调零电路和微弱信号处理电路的设计不够合理也很容易造成不精确；“去皮”时，托盘可能仍有微小幅度振动或者称重台的水平度同样会对结果造成一定影响[3～5]。

针对上述问题，本文对各种可能带来的干扰进行了分析和优化设计，开发了一种高精密的称重系统，经过测试证明：其精密度高，适应性强，具有良好的市场前景。

1 测试系统的工作原理

系统结构可分为模拟量采集、去噪与放大电路、A/D转换模块、液晶显示、按键输入及外围电路休眠与唤醒等。其中,液晶显示和按键输入均为MSP—EXP430F5529开发板自带设备。通过电阻应变片实现模拟量采集后，经放大器信号放大和去噪后进行A/D转换，最后经数据处理转换后有液晶显示采集结果[6,7]。此外,通过开发板上自带的2个按键和齿轮，另设一个去皮按键，实现去皮、单价输入等功能。在外围电路休眠和唤醒设计中，采用LM311比较器，通过控制单片机IO口输出高低电平来实现外围电路的关断与导通。硬件总体框图如图1所示。

图1 系统硬件框图Fig 1 Block diagram of hardware of system

2 硬件模块设计

2.1 模拟信号采集与放大

模拟信号直接由电阻应变片采集得到，然后输入仪表放大器INA333进行30倍的第一级放大。经30倍放大后将信号输入OPA734放大100倍，最后得到放大1000倍信号。在这一级采用直流偏置的方式，将由于秤盘质量引起的零漂电压抵偿掉，从而扩大了信号范围，提高了测量精度。原理图如图2所示。

图2 模拟信号采集与放大电路Fig 2 Analog signal acquisition and amplifying circuit

2.2 系统微弱信号处理电路

在探测器输出端可以经过微弱信号处理电路来改善电路整体的信噪比。

第一级采用积分与滤波电路和精密整流电路，如图3所示。

图3 积分与滤波电路和精密整流电路图Fig 3 Integral and filtering circuit and precise rectifier circuit diagram

第二级电路采用线性平均值与滤波电路，如图4。

图4 线性平均值与滤波电路Fig 4 Linear average value and filtering circuit

两级电路的特征频率一致，具有良好的选频特性，并且放大电路采取前一级放大倍数较小，后一级放大倍数比较大，这样就更好地消除了噪声的影响。通过计算，还可以得出第一级电路的品质因素为

(1)

第二级放大电路的品质因素为

(2)

因此,本处理电路总的品质因素为

Q″=Q·Q′=0.54×1.31=0.707.

(3)

电路具有最佳的平坦特性。

2.3 外围电路休眠与唤醒

该模块采用模拟比较器LM311，通过IO口高低电平来实现电源的通与断。在经过5 V电源转换前，加入模拟比较器LM 311，其反相输入端通过电阻器分压输入一小于3.3 V电压，而同相输入端输入单片机IO口的高低电平。当同相端输入高电平，即大于反相端电压时，此时因LM 311内置输出反相器而输出低电平，断掉5 V转换的输入电压，切断5 V供电的所有模块；相反，当同相端输入低电平时比较器输出高，此时5 V转换的输入电压高，5 V供电模块上电工作。由此实现外围电路休眠与唤醒功能，电路如图5所示。

图5 外围电路休眠与唤醒Fig 5 Sleep and wake-up of peripheral circuit

3 系统的软件设计

程序实现了去皮、单价设置、总价显示、休眠及唤醒等功能，此外，还设计了判断系统是否放置水平的创新功能[8]。采用MSP—EXP430F5529开发板上CMA3000—D01倾角传感器，在系统上电后，设置了一等待界面，等待内容为“保持水平放置，等待4 s”,然后进入测量界面，开始测试。若系统放置不水平，则始终保持该界面直至放置水平。其软件设计流程图如图6所示。

图6 软件设计流程图Fig 6 Flow chart of software design

利用定时器中断使A/D转换器每隔固定的一段时间进行采样，每10个A/D转换器的采样值求平均算出相应的质量值。可以利用电容按键设置单价，并计算总价。系统有超量程提示，当质量或者价格超过量程时会显示一段警告。

4 系统校正

4.1 扩大信号的动态范围

A/D转换器使用3.3 V作为参考电平，所以,经前级放大调理后的信号应尽量在量程范围内布满0～3.3 V整个区间，才能使AD采样精度最大化，这主要采用2个手段实现：一是使用减法器将1.3 V左右的固有输出拉回到零，这样使原来1.3～3.3 V的动态返回扩大到了0～3.3 V；二是调节同相放大器的电位器改变增益，使输出信号在负重200 g时输出接近3.3 V。实际使用中，可以通过同时调节同相放大器的电位器和减法器的电位器使得测量值尽量接近真实值。

4.2 拟合质量和AD采样值关系曲线

拟合质量和AD采样值，得到如下直线，利用Matlab拟合结果为

Linear model Poly1:

f(x)=p1x+p2

Coefficients(with 95 % confidence bounds):

p1=0.052 65(0.052 61,0.052 69)

p2=-0.305 6(-0.381 7,-0.229 5)

Goodness of fit:

SSE:0.460 5

R-square:1

Adjusted R-square:1

RMSE:0.1282.

可见，质量和AD采样值关系的线性度很好，其中截距可由“去皮”功能消除，将会在下文中提到，斜率0.052 65即可完成AD采样值到质量值的转换。拟合结果如图7所示。

图7 质量和AD采样值关系曲线图Fig 7 Relationship curve of quality and AD sampling value

利用软件“去皮”功能，重新设定“零”质量点，每一次测量时，环境都有所差异，所以，应当每一次测量之前都重新设定零点，这样才能保证测量值与真实值的关系呈正比。如果零点取得不合适，则测量值会全部偏大或者全部偏小。应当等托盘完全稳定后再进行“去皮”，否则，托盘微弱的振动将引起测量的误差。此外，由于A/D转换器采样点的电压不是特别稳定，使AD值有略微波动，所以，需要利用数字滤波来使采样值减少波动。利用软件均值滤波可以使测量值更加稳定，并且可以提高测量精度。

5 实验与数据分析

通过软硬件设计，对本高精密称重系统进行实际测试实验，实验采用标准砝码，测试数据保留2位小数点，其部分实验数据如表1所示。

通过测试，可以得出测量绝对误差不超过±0.1 g，相对误差不超过0.25 %，测量精度高。

表1 称重系统测试数据表Tab 1 Test data sheet of weighing system

6 结 论

本文在分析现有称重系统中误差源的基础上，设计了一种高精密称重系统。针对影响较大的误差源，进行了硬件去噪和软件去噪设计，并对测试结果进行了校正，通过实验测试，测量误差低，测量绝对误差不大于±0.1 g,相对误差不大于0.25 %,具有高精密测量的特点，而且设计成本低，具有良好的市场开发与应用前景。

[1] 范力旻,刘建功.ADS1230在称重系统的应用研究[J].工业仪表及自动化装置,2008 (6)：52-54.

[2] 王雁彬,马国强.基于ADS1234的高精度数字化称重系统的研究与实现[J].微型机与应用,2010，29(22):72-75.

[3] 李牡丹.李丽宏.雷张伟.基于ADuC845的嵌入式配料称重系统设计与实现[J].制造业自动化,2011，32(11):175-177.

[4] 陈 伟.曾荣登,基于CS5532的高精度自动称重系统设计[J].单片机与嵌入式系统设计,2008(10)：48-52.

[5] 黄奕安.基于嵌入式的称重系统的研究与设计[D].北京：北京交通大学，2011.

[6] 葛 亮.李俊兰.胡 泽.等. 基于虚拟技术的高精度称重系统的设计[J].制造业自动化，2011，33(11):154-156.

[7] 邬蓉蓉.滕召胜.谈 旗,等.基于C++.NET的智能化汽车衡称重管理系统[J].仪表技术与传感器，2010(6):50-51.

[8] 张 乐,鲁仁全,徐生林.车辆横自动称重系统的设计与实现[J].浙江大学学报：工学版，2010(7)：45-48.

Design of high-precision weighing system

ZHANG Min-san1,2, WU Hai-bo2

(1.School of Electrical Engineering,Hunan University,Changsha 410083,China；2.Hunan Railway Professional Technology College,Zhuzhou 412001,China)

Introduce design of a high-precision weighing system.On the basis of the existing research status of high-precision weighing system,design a high-precision weighing system,hardware and software design of the weighing system is carried out.Aiming at possible error sources of existing weighing system,analysis is carried out,and hardware and software denoising processing and system correction are carried out.The most important point is the innovation of the platform level detection,after the test,measurement absolute error of this system is less than ±0.1 g,relative error is less than 0.25 %.

weighing system; denoising processing; level detection; system calibration

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0114—03

2014—04—28

TP 334.3

A

1000—9787(2014)12—0114—03

张敏三(1957-)，男，湖南韶山人，高级工程师，主要研究方向为电工电子、自动化控制。