電子稱重系統(tǒng)水平度自補(bǔ)償方法的實(shí)現(xiàn)

馬凱麗，宋輝

(曲阜師范大學(xué) 電氣信息與自動(dòng)化學(xué)院，山東 日照 276826)

0 引言

電子秤由于其結(jié)構(gòu)以及重力等原因必須工作在水平面上，故使用時(shí)要將其放在平坦穩(wěn)固的臺(tái)面上，使用時(shí)一般均需通過(guò)調(diào)節(jié)其引腳才能使其工作在水平面，為此一些精度較高的電子秤重系統(tǒng)還安有水平儀，通過(guò)觀察水平儀內(nèi)部氣泡來(lái)進(jìn)一步精確調(diào)整機(jī)器從而使其工作在水平面上。但在使用過(guò)程中，由于使用者的疏忽、環(huán)境的變化、以及人們的視覺(jué)誤差等，會(huì)造成調(diào)節(jié)次數(shù)的增多以及電子秤工作水平面的偏移，影響計(jì)量的準(zhǔn)確性以及電子秤的使用壽命，進(jìn)一步將影響交易雙方在交易中的公平性[1－2]。MMA745加速度傳感器可通過(guò)測(cè)量三軸的加速度，通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換得出水平面的傾斜角度，與此可以得出一種解決使電子秤重系統(tǒng)工作平面的新方案。

1 電子秤工作面傾斜對(duì)稱量結(jié)果的影響

應(yīng)變稱重傳感器所稱物體的質(zhì)量M與其垂直方向上所受的力G的大小相對(duì)應(yīng)。如圖1(a)中所示，當(dāng)電子秤的工作面水平時(shí)，其測(cè)量值Fn=G;工作在非水平面上如圖1(b)所示，物體所受重力G分解為垂直于工作平面的對(duì)稱重傳感器的壓力Fn1和平行于工作平面的力Fn2，F(xiàn)n1和Fn2均小于G。壓力Fn1垂直作用于稱重傳感器，是稱重傳感器設(shè)計(jì)的受力方向，也即電子秤的輸出值。在允許的范圍內(nèi)由此方向施力于稱重傳感器，電橋輸出具有良好的線性。力Fn2平行于稱重傳感器 根據(jù)系統(tǒng)傾斜方向的不同會(huì)使稱重傳感器發(fā)生整體拉伸、壓縮或扭曲變形，影響電橋輸出非線性而導(dǎo)致測(cè)量誤差。由于稱重結(jié)構(gòu)原因在這個(gè)方向受力發(fā)生變形的敏感程度遠(yuǎn)低于垂直方向，尤其是當(dāng)傾斜角度以及G都很小時(shí)，G在Fn2方向的分量Gsinα更是微乎其微，甚至可以忽略，所以物體的真實(shí)重量可以通過(guò)Fn1以及α的值求得:G=Fn1/cosα，其中，F(xiàn)n1為電子秤所稱物體的數(shù)值，而物體的實(shí)際重量為G，電子秤工作水平面的傾角為 α[3－4]。

圖1 物體在水平面和非水平面的受力情況

2 系統(tǒng)總體的方案設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)臺(tái)(浙江高連的CSY－2000系列傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái))電子秤的基礎(chǔ)上添加一個(gè)AD轉(zhuǎn)換模塊、MMA7455三軸加速度模塊，在單片機(jī)的控制下加以改進(jìn)的。首先利用應(yīng)變式電子秤測(cè)出物體的質(zhì)量m，然后將其通過(guò)AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量d，與此同時(shí)通過(guò) MMA7455將電子秤工作水平面的傾角 α測(cè)出，通過(guò)公式D=d/cosα得出物體真實(shí)重量所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量D的值，然后通過(guò)相應(yīng)的函數(shù)將數(shù)字量值變換與之對(duì)應(yīng)的物體真是重量值 D1，然后由數(shù)碼管顯示出來(lái)，從而得出物體真實(shí)的重量M。

2.1 系統(tǒng)的硬件組成部分

圖2 稱重裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理圖

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2(a)，應(yīng)變式稱重傳感器用于測(cè)量不同工作平面上的物體質(zhì)量，MMA7455加速度傳感器用于傾角測(cè)量。就結(jié)構(gòu)圖分別介紹各部分作用。

應(yīng)變式稱重傳感器，采用圖2(a)所示的雙孔梁式稱重傳感器，等效電路圖如圖2(b)所示，具有如下基本特點(diǎn):(1)同樣載荷情況下梁的應(yīng)變量和電橋的輸出電壓是個(gè)常量且與載荷在秤盤(pán)的位置無(wú)關(guān);(2)梁的應(yīng)變量和電橋的輸出電壓與載荷成正比。雖然載荷在秤盤(pán)的位置和稱重結(jié)果關(guān)系不大，但四角的水平度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響很大所以應(yīng)測(cè)出電子秤工作平面的傾角[5]。

儀用放大器的工作原理圖如圖3所示。由傳感器的A、B端輸出的物體質(zhì)量的測(cè)量值一般為毫伏級(jí)，不能用于直接用于A/D轉(zhuǎn)換需要將其進(jìn)行放大，因此，采用上圖所示的儀用放大器，其放大倍數(shù)為 VIN0=[－R16/R14+R16(R10+R12)(Va－VB)/RW3R14]*(1+R18/R16)可以通過(guò)調(diào)節(jié)RW3的值進(jìn)行調(diào)節(jié)，將毫伏級(jí)電壓轉(zhuǎn)換為0～5 V，而每個(gè)放大器的放大倍數(shù)并不是無(wú)限制的，最大取決于供電電壓的大小，在實(shí)驗(yàn)室中，該電路的供電電壓是有限的，因此其放大倍數(shù)也是有限的，我們需采取多級(jí)放大。放大結(jié)束后將輸出信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換的IN0引腳。

MMA7455[4－5]是一款數(shù)字輸出(I2C/SPI)、低功耗、緊湊型電容式微機(jī)械加速度計(jì)，測(cè)量原理如下:如圖4(a)所示，當(dāng)電子秤工作面水平時(shí)，Z軸的大小即為物體所受重力加速度g的大小，當(dāng)電子秤的工作面不水平即如圖4(b)所示時(shí)，AX=gsinα，AY=gsinβ，AZ=gsinγ;其中，AX、AY、AZ表示在 X、Y、Z 軸上的重力加速度輸出，α、β、γ 表示傾斜后與X、Y、Z坐標(biāo)的傾斜角度，g為重力加速度。

圖3 儀用放大器工作原理圖

從而α=arcsin(AX/g)，β =arcsin(AY/g)，γ =arcsin(AZ/g)，;由圖 4 分析可知:當(dāng)電子秤繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，G=m(AZcosγ ±AYsinβ);當(dāng)電子秤繞 Y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，G=m(AZcosγ ±AXsinα);θ=f(α，β，γ);當(dāng)電子秤傾斜角度較小，即 cosθ?sinθ時(shí)，G也即 cosθ的大小主要取決于 γ 的大小[6]。

圖4 MMA7455角度測(cè)量的原理圖

2.2 系統(tǒng)的軟件部分

圖5 系統(tǒng)的軟件流程圖

系統(tǒng)的軟件流程如圖5所示。首先用現(xiàn)有電子秤測(cè)出物體現(xiàn)有的質(zhì)量m，然后通過(guò)改變儀用放大器電阻 RW3的值進(jìn)行放大倍數(shù)的調(diào)整，從而將m所對(duì)應(yīng)電壓的大小轉(zhuǎn)換為0～5 V，再通過(guò)AD轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可接受的數(shù)字量d，同時(shí)，MMA7455完成對(duì)電子秤傾角θ的測(cè)量。當(dāng)θ的值小于θ1時(shí)，其引起的誤差較小不必進(jìn)行補(bǔ)償;當(dāng)θ的值大于θ2時(shí)，人們就很容易看出電子秤的傾斜，該情況很容易進(jìn)行避免，所以也不需進(jìn)行專門(mén)的補(bǔ)償，只要令蜂鳴器響幾聲作為對(duì)人們的提醒即可;當(dāng)θ1＜θ＜θ2時(shí)，就要對(duì)稱量結(jié)果采取專門(mén)的補(bǔ)償處理措施，利用AD轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量d與傾角θ通過(guò)公式D=d/cosθ進(jìn)行處理，從而得到物體的真實(shí)重量所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量D，轉(zhuǎn)換為真實(shí)質(zhì)量M時(shí)所應(yīng)對(duì)應(yīng)的值后數(shù)碼管輸出顯示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析

表1給出了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)臺(tái)(浙江高連的CSY－2000系列傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái))基礎(chǔ)上傾角補(bǔ)償測(cè)量結(jié)果，并給出了不同傾角的補(bǔ)償前后測(cè)量曲線與真實(shí)曲線差值的的仿真結(jié)果圖如6所示。

表1 不同傾角下補(bǔ)償前后測(cè)量值

圖6 對(duì)不同傾角的補(bǔ)償前后測(cè)量曲線與真實(shí)曲線差值的的仿真

圖6 中所描繪曲線為不同傾斜角度下，矯正前后電子秤的輸出與物體的真實(shí)質(zhì)量的差值。其中:“+”虛線表示角度為0°未矯正時(shí)的輸出誤差;“ⅹ”虛線為傾角為5°未矯正時(shí)的輸出誤差;“◇”虛線為傾角為10o未矯正時(shí)的輸出誤差;“〇”細(xì)實(shí)線為傾角0°矯正后的輸出誤差;“☆”細(xì)實(shí)線為傾角5°矯正后的輸出誤差;“□”細(xì)實(shí)線為傾角10°矯正后的輸出誤差。由圖明顯可以看出，矯正后電子秤的輸出更加接近物體的真實(shí)質(zhì)量。表2給出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)秤標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比看出該電子秤滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)秤標(biāo)準(zhǔn)，而且補(bǔ)償后的數(shù)值比補(bǔ)償前的更加精確，更加接近物體的真實(shí)重量，從而可以有效的減少交易的不公平性。

表2 電子稱重系統(tǒng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)秤標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)束語(yǔ)

在分析傾角對(duì)電子秤系統(tǒng)稱重結(jié)果的影響的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于MMA7455三軸加速度傳感器的電子秤水平度自補(bǔ)償系統(tǒng)。利用MMA7455測(cè)出其工作面的傾斜度，經(jīng)單片機(jī)算法處理，得到物體的真實(shí)重量，具有較好的補(bǔ)償效果。從軟硬件兩方面介紹了系統(tǒng)的組成及各部分作用，基于改裝過(guò)的實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了數(shù)據(jù)測(cè)量并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了仿真。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)有效的補(bǔ)償了電子秤水平工作面傾斜所引起的誤差，達(dá)到了國(guó)家二級(jí)秤標(biāo)準(zhǔn)。

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