通過(guò)對(duì)已有的各種電子秤的分析，從硬件和軟件兩個(gè)方面，提出提高電子秤測(cè)量精度的方法；硬件上采用專門為高精度設(shè)計(jì) 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(diǎn)，特別適合低頻高精度的應(yīng)用場(chǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)證明 了該方法的有效性。

0.引言

稱重技術(shù)一直以來(lái)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(jì)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(gè)領(lǐng)域，與人 民的生活息息相關(guān)。

在電子秤的設(shè)計(jì)中，電子秤的測(cè)量精度是其中的關(guān)鍵問(wèn) 題。對(duì)于提高電子秤的精度，其難點(diǎn)主要在于對(duì)傳感器稱重信 號(hào)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ǎ篌w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(lái) 分段線性插值法，實(shí)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(gè)方面入手，提出提高電子秤的精 度設(shè)計(jì)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(cè)量精度，減小非線性誤差；軟件上采用樣條 函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的非線性擬合。

1.電子秤的硬件設(shè)計(jì)

電子秤硬件測(cè)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(jì)以MSP430G2553為信息處理單 元，外加傳感器信號(hào)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(shí)，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(hào)，經(jīng)處理電路放大、濾波后將電壓信號(hào)通 過(guò)八/D信號(hào)轉(zhuǎn)換電路傳給MSP430G2553單片機(jī)，對(duì)稱重信 號(hào)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(duì)，將其轉(zhuǎn)換成為重量信息并通過(guò)顯示電路顯 示出 來(lái)。

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(jiǎn)指令集（RISC)結(jié) 構(gòu)，具有簡(jiǎn)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(duì)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(dòng)模式（am) 和五種低功耗模式（LPM0 — LPM4)，在實(shí)時(shí)時(shí)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(shí)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(jì)

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(hào)采集電路，對(duì)稱重傳感器的模擬信號(hào)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(duì)于高精 度電子秤來(lái)說(shuō)，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(cè)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(cè)量精度，本設(shè)計(jì)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(jì)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(shí) 鐘振蕩器，無(wú)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(diǎn)。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(chǎng)合的模擬前端。HXH1所有控制信號(hào)均由管腳驅(qū)動(dòng)，無(wú)需 對(duì)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(duì)應(yīng)的滿額度 差分輸入信號(hào)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(cè)。

本設(shè)計(jì)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(hào)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(wú)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(guò)時(shí)，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(jì)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(duì)應(yīng)SPI 總線的MOSI信號(hào)，D1對(duì)應(yīng)SPI總線的MIMO信號(hào)，D0對(duì)應(yīng) SPI總線的CLK時(shí)鐘信號(hào)，第7引腳為CS片選引腳，本電路 默認(rèn)設(shè)置是CS通過(guò)軟件配置使用，如果實(shí)際使用中，不需要 使用CS引腳，可在軟件里面將單片機(jī)對(duì)應(yīng)IO引腳置低。

2.電子秤的軟件設(shè)計(jì)

2.1電子秤誤差分析

本設(shè)計(jì)采用電阻應(yīng)變片式壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電 信號(hào)。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(shí)，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（增大或減小），從而使電橋失去平衡，產(chǎn)生相應(yīng)的差 動(dòng)信號(hào)，供后續(xù)電路測(cè)量和處理。

稱重原理如圖2所示。設(shè)兩個(gè)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(shí)，4個(gè)電阻的零點(diǎn)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(cè)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(hào)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(jì)采用自上而下、模塊化、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，把總的編程過(guò)程逐步細(xì)分，分解成一個(gè)個(gè)功能模塊，每個(gè)模塊互相獨(dú)立，完成一個(gè)明確的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)某個(gè)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(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、矩陣功能按鍵檢測(cè)模塊以及

OLED12864顯示模塊。

本設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)，把富有彈性的細(xì)長(zhǎng)木條（所謂樣條） 用鐵固定在樣點(diǎn)上，在其他地方讓它自由彎曲，然后畫下長(zhǎng)條 的曲線，稱為樣條曲線[5]。樣條曲線實(shí)際是上是由分段三次曲 線并接而成，在連接點(diǎn)即樣點(diǎn)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(jì)中簡(jiǎn)單實(shí)用的樣條曲線擬合工 具，具有數(shù)學(xué)表達(dá)式簡(jiǎn)單統(tǒng)一、線性光滑、良好的保形功能、 擬合選點(diǎn)自由、整體大繞度、局部小繞度等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用在 電子秤的設(shè)計(jì)上，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

3.2樣條函數(shù)的擬合原理

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

以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)量程為500 g的電子秤為實(shí)驗(yàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)對(duì)象電子秤上，通過(guò)稱重傳感器 采集輸出電壓輸出U”，獲得9組實(shí)驗(yàn)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(duì)于上訴三對(duì)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(gè)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(shí)驗(yàn)

根據(jù)《JJG1036 — 2008電子天平檢測(cè)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(duì)電子秤的示值誤差進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

圖6為經(jīng)過(guò)三次樣條擬合前后的電子秤仿真輸出結(jié)果比 較，實(shí)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(diǎn)處導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，失去了原函數(shù)的 光滑性，與實(shí)際應(yīng)用不符，會(huì)產(chǎn)生明顯誤差。采用三次樣條插

值的方法，稱重曲線基點(diǎn)處滿足處處有二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，保證曲 線在基點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)光滑過(guò)渡，符合實(shí)際稱量情況，對(duì)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(gè)不同的測(cè)量點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)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(shì)，且在加載和卸下載荷前后，電子秤的示數(shù)波動(dòng)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(shí)，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(duì)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(guò)對(duì)市場(chǎng)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(wèn)題，因而，本 文設(shè)計(jì)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(duì)其非線性誤差進(jìn)行補(bǔ) 償，從而完成對(duì)電子秤的非線性矯正的新型高精度電子秤，極 大簡(jiǎn)化了電子秤的設(shè)計(jì)電路，提高了電子秤的穩(wěn)定性，降低了 制作成本，經(jīng)實(shí)驗(yàn)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(shí)際測(cè)量精度達(dá)0. 01g。整 個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

但是，由于實(shí)驗(yàn)材料性能以及算法的原因，本電子秤的稱 重測(cè)量范圍受到限制，且稱量速度慢，等待稱量最終結(jié)果的時(shí) 間較長(zhǎng)。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(jiǎn)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)。