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高精度电子秤的设计
2018-10-24 14:49:34 来源:http://www.scalesh.com/ 作者:http://www.scalesh.com/ 【 】 浏览:0次 评论:0

现在市面上所用的称量工具,或是结构复杂,或运行不够可靠,而且成本偏高,精度的稳定性不够,调整时间较长,容易发生损坏,维修较困难,装机容量较大,能源消耗大,制造成本偏高。但电子秤是综合计算机技术、数据采集技术和信号处理技术等多种科技的新型称重仪器。由于其方便、快捷与准确等特点,被广泛应用于工业生产与贸易活动。当今,计算机控制技术被广泛应用,而由计算机控制的称重工具不断朝着高效化、精确化和智能化的方向发展。为此,研究并制造低成本、高性能的简易电子秤有着十分重要的现实意义。2 设计方案本设计主要由 STC89C52 单片机主控芯片、24 位 A/D 芯片 HX711 电路、称重传感器、电源系统、矩阵键盘和液晶显示组成。原理框图如图所示。


2.1 A/D 转换模块A/D 转换部分是整个设计的关键。我们可以选择 ADC 的种类有传统的并行、逐次逼近型、积分型 ADC,新发展起来的∑ -Δ 型和流水线型 ADC。根据系统的精度要求采用 HX711集成芯片。2.2 显示模块数据显示是电子秤的基本功能,是重要的人机交互组成部分,能够将测量电路测得的数据经过微处理器处理后直观地显示出来。因为本次设计的显示模块需要显示多位数字,若是使用数码管显示,则会占用多个单片机 I/O 口,使得电路复杂化,故选用 LCD1602A 显示,晶背光电源。2.3 放大电路因为 HX711 芯片兼有 A/D 转换与放大电路功能,于是在设计中使用使用 HX711 集成芯片。该芯片与后端 MCU 芯片的接口和编程十分简单,全部控制信号由管脚驱动,不需对芯片内部寄存器进行编程。


将系统程序烧录在 STC89C52 内部的 flash 存储器中,分为主程序和若干子程序。主程序的功能为系统初始化,管理以及调用每个子程序。如图 2 所示。3 理论分析与计算电阻应变片为本电子秤设计的重要部件。由应变片产生的电阻变化,然后利用交流全桥测量原理获得一定大小的输出电压,通过电路输出电压和标准重量的线性关系,建立具体的数学模型,即可实现对物品质量的称重。灵敏系数 K 作为重要参数。设有一个金属电阻丝,其长度为 L,横截面为半径是 r的圆形,其面积记作 S,其电阻率记作 ρ,这种材料的泊松系数是 μ。当没有受外力作用到这根电阻丝时,它的电阻值为 R:R = ρL/S(Ω) ①当金属电阻丝两端受到作用力 F 时,将会伸长,说明了金属电阻丝发生变形。设其长度变化为 ΔL,那么横截面积缩小,设其截面圆半径减少 Δr。而且还可以用实验证明,金属电阻丝在变形后,电阻率也发生了变化,记作 Δρ。对式①求全微分,即求出电阻丝伸长后,其电阻值发生的改变。


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,因为导线的横截面积为 S = πr2,则 Δs =2πr*Δr,所以ΔS/S = 2Δr/r ④由材料力学可知Δr/r = -μΔL/L ⑤其中,负号表示伸长时,半径方向是缩小的。μ 是表示材料横向效应泊松系数。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说明了电阻应变片的电阻变化率(电阻相对变化)和电阻丝伸长率(长度相对变化)之间的关系。4 测试方案与测试结果4.1 测试方案为了更全面、更准确地进行电子秤的测试,我们在测试过程中着重对电子秤的精度进行测试。在测试前必须反复检查,仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同,硬件电路保证无虚焊。4.1.1 精度精度是指测量仪器的读数(或测量结果)与被测量真值相一致的程度,不光用来测评测量仪器的性能,还是评价测量结果最基本、最主要的指标。精度还可以用精密度、正确度和准确度三个指标加以表征。4.1.2 信号处理与数据校准本过程在整个设计环节中至关重要。由于砝码为标准质量 m,在称重时表现为模拟信号,由电阻应变片和 A/D 转换模块收集并转化。HX711 芯片在转换完成后对主控芯片返回值的数据与标准质量并不完全匹配,因此需要校正。在本设计中我们多处采用多种不同的数据校准方式,以减小数据的波动,提高数据的线性度。其一,改变HX711 驱动程序中的参数,放大采集到的信号;其二,利Microsoft Excel 软件对采集到的数据进行处理。


本过程运用如下公式: ⑧式中,φ标准 为更接近实际质量的重量值,φ当前 为当前采集到的重量值, 为质量为 w2 情况下的对应 AD 值,为质量为 w1 情况下的对应 AD 值。并在不同的质量区间内分段处理,利用该法能有效校准数据。其三,利用强大的数学工具 Matlab 对测得的数据进行线性拟合,经观察,三节线性拟合已经能够基本完美的实现所需的线性性。其四,我们在程序中加入了滑动滤波(中位值平均滤波)大致功能为通过冒泡排序去掉采样个数(程序中采样个数 N 取 7)的最大值和最小值,再对剩余的数据取平均值,通过该算法,有效地滤除了突发的干扰信号,保证了数据的线性性质。


Tags:电子秤 责任编辑:admin
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