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高精度電子秤的技能
來源: 點擊數(shù):1269次 更新時間:2019-02-02 10:30:10

  現(xiàn)在市面上所用的稱量工具,或是結構復雜,或運行不夠可靠,而且成本偏高,精度的穩(wěn)定性不夠,調整時間較長,容易發(fā)生損壞,維修較困難,裝機容量較大,能源消耗大,制造成本偏高。


  但電子秤是綜合計算機技術、數(shù)據(jù)采集技術和信號處理技術等多種科技的新型稱重儀器。由于其方便、快捷與準確等特點,被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)與貿易活動。


  當今,計算機控制技術被廣泛應用,而由計算機控制的稱重工具不斷朝著高效化、精確化和智能化的方向發(fā)展。為此,研究并制造低成本、高性能的簡易電子秤有著十分重要的現(xiàn)實意義。


  1.設計方案本設計主要由 STC89C52 單片機主控芯片、24 位 A/D 芯片 HX711 電路、稱重傳感器、電源系統(tǒng)、矩陣鍵盤和液晶顯示組成。



  2. A/D 轉換模塊A/D 轉換部分是整個設計的關鍵。我們可以選擇 ADC 的種類有傳統(tǒng)的并行、逐次逼近型、積分型 ADC,新發(fā)展起來的∑ -Δ 型和流水線型 ADC。根據(jù)系統(tǒng)的精度要求采用 HX711集成芯片。


  3. 顯示模塊數(shù)據(jù)顯示是電子秤的基本功能,是重要的人機交互組成部分,能夠將測量電路測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過微處理器處理后直觀地顯示出來。因為本次設計的顯示模塊需要顯示多位數(shù)字,若是使用數(shù)碼管顯示,則會占用多個單片機 I/O 口,使得電路復雜化,故選用 LCD1602A 顯示,晶背光電源。


  4. 放大電路因為 HX711 芯片兼有 A/D 轉換與放大電路功能,于是在設計中使用使用 HX711 集成芯片。該芯片與后端 MCU 芯片的接口和編程十分簡單,全部控制信號由管腳驅動,不需對芯片內部寄存器進行編程。




  將系統(tǒng)程序燒錄在 STC89C52 內部的 flash 存儲器中,分為主程序和若干子程序。主程序的功能為系統(tǒng)初始化,管理以及調用每個子程序。


  5. 理論分析與計算電阻應變片為本電子秤設計的重要部件。由應變片產(chǎn)生的電阻變化,然后利用交流全橋測量原理獲得一定大小的輸出電壓,通過電路輸出電壓和標準重量的線性關系,建立具體的數(shù)學模型,即可實現(xiàn)對物品質量的稱重。靈敏系數(shù) K 作為重要參數(shù)。設有一個金屬電阻絲,其長度為 L,橫截面為半徑是 r的圓形,其面積記作 S,其電阻率記作 ρ,這種材料的泊松系數(shù)是 μ。當沒有受外力作用到這根電阻絲時,它的電阻值為 R:R = ρL/S(Ω) ①當金屬電阻絲兩端受到作用力 F 時,將會伸長,說明了金屬電阻絲發(fā)生變形。設其長度變化為 ΔL,那么橫截面積縮小,設其截面圓半徑減少 Δr。而且還可以用實驗證明,金屬電阻絲在變形后,電阻率也發(fā)生了變化,記作 Δρ。對式①求全微分,即求出電阻絲伸長后,其電阻值發(fā)生的改變。



  由于ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 ②用式①去除式②可得ΔR/R = Δρρ + ΔL/L – ΔS/S ③此外,因為導線的橫截面積為 S = πr2,則 Δs =2πr*Δr,所以ΔS/S = 2Δr/r ④由材料力學可知Δr/r = -μΔL/L ⑤其中,負號表示伸長時,半徑方向是縮小的。μ 是表示材料橫向效應泊松系數(shù)。把式④⑤代入③,有ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L=(1 + 2μ(Δρ/ρ)/(ΔL/L))*ΔL/L= K *ΔL/L ⑥其中K = 1 + 2μ +(Δρ/ρ)/(ΔL/L) ⑦式⑥說明了電阻應變片的電阻變化率(電阻相對變化)和電阻絲伸長率(長度相對變化)之間的關系。


  6. 測試方案與測試結果4.1 測試方案為了更全面、更準確地進行電子秤的測試,我們在測試過程中著重對電子秤的精度進行測試。在測試前必須反復檢查,仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同,硬件電路保證無虛焊。


  7. 精度精度是指測量儀器的讀數(shù)(或測量結果)與被測量真值相一致的程度,不光用來測評測量儀器的性能,還是評價測量結果最基本、最主要的指標。精度還可以用精密度、正確度和準確度三個指標加以表征。


  8.信號處理與數(shù)據(jù)校準本過程在整個設計環(huán)節(jié)中至關重要。由于砝碼為標準質量 m,在稱重時表現(xiàn)為模擬信號,由電阻應變片和 A/D 轉換模塊收集并轉化。HX711 芯片在轉換完成后對主控芯片返回值的數(shù)據(jù)與標準質量并不完全匹配,因此需要校正。在本設計中我們多處采用多種不同的數(shù)據(jù)校準方式,以減小數(shù)據(jù)的波動,提高數(shù)據(jù)的線性度。其一,改變HX711 驅動程序中的參數(shù),放大采集到的信號;其二,利Microsoft Excel 軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行處理。



  本過程運用如下公式: ⑧式中,φ標準 為更接近實際質量的重量值,φ當前 為當前采集到的重量值, 為質量為 w2 情況下的對應 AD 值,為質量為 w1 情況下的對應 AD 值。并在不同的質量區(qū)間內分段處理,利用該法能有效校準數(shù)據(jù)。其三,利用強大的數(shù)學工具 Matlab 對測得的數(shù)據(jù)進行線性擬合,經(jīng)觀察,三節(jié)線性擬合已經(jīng)能夠基本完美的實現(xiàn)所需的線性性。其四,我們在程序中加入了滑動濾波(中位值平均濾波)大致功能為通過冒泡排序去掉采樣個數(shù)(程序中采樣個數(shù) N 取 7)的最大值和最小值,再對剩余的數(shù)據(jù)取平均值,通過該算法,有效地濾除了突發(fā)的干擾信號,保證了數(shù)據(jù)的線性性質。
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