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0、引言

小量程高精度電子稱重系統(tǒng)在許多行業(yè)（如生物制藥、珠寶交易、化學(xué)分析等）都有重要的應(yīng)用。傳統(tǒng)上高精度電子稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是將稱重傳感器電橋上產(chǎn)生的微弱信號(hào)經(jīng)濾波放大調(diào)理后接入AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)單片機(jī)處理后得到測(cè)量結(jié)果。這種方法會(huì)有一個(gè)敝病即調(diào)理電路中的分立元器件由于溫度漂移引起的誤差，也會(huì)通過(guò)增益電路被放大，從而影響測(cè)量精度[1]。如何降低誤差、提高精度是學(xué)術(shù)界與工業(yè)界共同關(guān)注的難點(diǎn)。近幾年發(fā)展起來(lái)的高精度Σ-Δ轉(zhuǎn)換器很大程度上簡(jiǎn)化了電橋信號(hào)的調(diào)理電路。如AD7799就是其中一款由美國(guó)模擬器件公司（ADI）最近推出的Σ-Δ型3通道、高精度、寬動(dòng)態(tài)范圍的24位ADC，適用于低頻、高精度工業(yè)級(jí)轉(zhuǎn)換。其內(nèi)置1一128倍增益的低噪聲可編程放大器(PGA)，可直接同稱重傳感器相連，放大自稱重傳感器傳來(lái)的微弱電信號(hào)，對(duì)于低速應(yīng)用中的電阻電橋測(cè)量提供了一個(gè)完美的解決方案[2]。本文介紹了采用高品質(zhì)的Vishay稱重傳感器與24位高精度A／D轉(zhuǎn)換器AD7799的小量程電子稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法。該裝置的稱重范圍是0.3-3kg,稱重精度最高可達(dá)0.0001％(萬(wàn)分之一)。并詳細(xì)論述了比率測(cè)量工作原理，硬件電路抗干擾設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)濾波處理等技術(shù)。另外系統(tǒng)結(jié)合利用PC機(jī)強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，能實(shí)時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行噪聲處理并顯示測(cè)量結(jié)果，用戶可以方便地在視窗軟件中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置與操作，提高了儀器智能化水平。

1、系統(tǒng)組成及原理

電子稱重系統(tǒng)由稱重傳感器、A／D轉(zhuǎn)換器、MCU處理器、基準(zhǔn)電壓源、PC機(jī)五個(gè)功能模塊組成。電子稱重系統(tǒng)的工作原理是將作用在承載器上物體的質(zhì)量，通過(guò)稱重傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后送入AD7799轉(zhuǎn)換器進(jìn)行放大處理并轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。在單片機(jī)系統(tǒng)中，對(duì)采樣方式和采樣結(jié)果進(jìn)行控制和處理。單片機(jī)將采樣得到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串行口傳送給PC機(jī)，PC機(jī)上的應(yīng)用軟件對(duì)信號(hào)作進(jìn)一步處理，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。通過(guò)界面友好，操作方便的視窗軟件設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)稱重系統(tǒng)各項(xiàng)功能要求。

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1稱重傳感器與AD7799轉(zhuǎn)換器

本系統(tǒng)使用臺(tái)灣Vishay公司性能優(yōu)異的電阻應(yīng)變式稱重傳感器。根據(jù)電阻應(yīng)變式傳感器原理，它的四個(gè)應(yīng)變片構(gòu)成全橋電路，在重物（或外力）作用下，彈性應(yīng)變片發(fā)生形變，使附著其上的電阻阻值發(fā)生變化。引起的電阻變化可產(chǎn)生一個(gè)疊加在共模電壓之上的差分電壓。由于電橋輸入的是恒定電壓，輸出的電壓與壓力成正比，據(jù)此實(shí)現(xiàn)重量測(cè)量。該傳感器量程為0.3-3kg，電靈敏度為2mV／V，非線性誤差小于0.0063%FS.。當(dāng)采用5V激勵(lì)電源供電時(shí)，其滿量程輸出為10mV。由于電橋輸出的電壓信號(hào)非常微弱且存在多種干擾信號(hào)，需要先經(jīng)過(guò)濾波,消除干擾信號(hào)后送入AD7799進(jìn)行放大與模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模擬量的數(shù)字化。為達(dá)到高精度設(shè)計(jì)要求，AD轉(zhuǎn)換器選擇非常關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用美國(guó)模擬器件公司（ADI）推出的Σ-Δ型24位轉(zhuǎn)換器AD7799。AD7799是一款高性能的A／D轉(zhuǎn)換芯片，其RMS噪聲（有效值噪聲），在4.13HZ轉(zhuǎn)換率下僅為27nV，在16.7HZ轉(zhuǎn)換率下為65nv。芯片內(nèi)部有一個(gè)極低噪聲的斬波穩(wěn)定儀表放大器,可進(jìn)行1一128倍增益編程放大，可直接同稱重傳感器相連，放大自稱重傳感器傳來(lái)的微弱電信號(hào)[1]。同時(shí)它具有極低非線性度:0.0015%,50Hz和60Hz同步陷波，能消除50Hz和60Hz電源干擾。AD7799帶有校準(zhǔn)功能,可進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn),能有效消除系統(tǒng)通道產(chǎn)生的增益誤差和偏移誤差。

2.2比率式測(cè)量原理

電子稱重系統(tǒng)的電阻應(yīng)變式傳感器一般采用全橋式等臂電橋，在電橋測(cè)量線路中，電橋的激勵(lì)電壓影響稱重傳感器的輸出精度。供橋電壓的不穩(wěn)定將直接導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的誤差，為解決這一問(wèn)題，目前在電子稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中一般采用比率式測(cè)量方法（將稱重系統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓同時(shí)用作傳感器的供橋激勵(lì)電壓）[3]。由于供橋電壓是由測(cè)量?jī)x器的基準(zhǔn)電壓分壓得到，供橋電壓與激勵(lì)電壓成一比例關(guān)系。采用比率式測(cè)量方式即使電橋激勵(lì)電壓產(chǎn)生變化也不會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響[3]。另外比率式測(cè)量方式還可以消除檢測(cè)電路中的溫漂和低頻噪聲對(duì)輸出精度的影響，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用比率式測(cè)量。

2.3單片機(jī)與AD7799接口電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)使用ZILOG公司的Z8F6423，eZ8CPU的主頻達(dá)20MHz，有64KB的主存，基本滿足設(shè)計(jì)要求。AD7799采用四線制SPI通訊方式（數(shù)據(jù)輸入線DIN、數(shù)據(jù)輸出線DOUT、時(shí)鐘信號(hào)線SCLK、片選線CS）。AD7799SPI通訊方式設(shè)置為從模式。ADC_SCLK和ADC_DIN、ADC_DOUT、ADC_CS0與Z8F6423單片機(jī)的相應(yīng)I/O口相連。在SPI通信過(guò)程中，單片機(jī)對(duì)AD7799發(fā)送各種操作指令，數(shù)據(jù)可被同步地接收和發(fā)送。通過(guò)對(duì)AD7799的片內(nèi)24位數(shù)據(jù)寄存器的進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)向數(shù)字量的轉(zhuǎn)化。

2.4電路抗干擾設(shè)計(jì)

由于稱重系統(tǒng)的高精度性，系統(tǒng)的抗干擾性設(shè)計(jì)非常重要。在電路設(shè)計(jì)方面，除了設(shè)計(jì)好信號(hào)調(diào)理電路，還需要注意AD7799的參考電壓以及稱重傳感器的供電電壓的穩(wěn)定性，電壓的穩(wěn)定性直接影響著A／D測(cè)量值的精確性。本系統(tǒng)采用單獨(dú)一套5V電源供電。對(duì)輸入的電流再多次使用ADR421芯片進(jìn)行穩(wěn)壓處理。另外印刷電路板(PCB)的布線對(duì)于抑制噪聲也非常關(guān)鍵。最重要的是接地和電源退耦。在本設(shè)計(jì)中所有地線放在同一層電路板，盡可能減少地線阻抗。使用0.1uF的瓷片電容和10uF的鉭電容對(duì)AVDD和DVDD電源進(jìn)行去耦，這兩個(gè)電容器都應(yīng)放在盡可能靠近AD7799的地方。數(shù)字電路和模擬電路盡可能分開，數(shù)字電路區(qū)、模擬電路區(qū)避免相互交疊。數(shù)字電路不要穿越模擬地，以免噪聲偶合到模擬地上。元件要盡可能多放地線，信號(hào)線盡可能走焊盤面。另外單片機(jī)數(shù)字輸出線存在高頻噪聲，直接與AD相連會(huì)把噪聲引入AD，降低AD轉(zhuǎn)換器的精度，所以系統(tǒng)采用數(shù)字隔離器進(jìn)行隔離[4]。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件濾波

軟件濾波算法不需增加硬件設(shè)備，使用靈活，功能多樣，可靠性高具有許多硬件濾波措施所不具備的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的嵌入式電子稱重系統(tǒng)一般采用單片機(jī)處理采樣數(shù)據(jù)，受制于資源有限，很難進(jìn)行復(fù)雜的大數(shù)據(jù)量運(yùn)算處理。為了提高測(cè)量結(jié)果的精確度，在本設(shè)計(jì)中不僅采用多種電路抗干擾設(shè)計(jì)而且還充分利用PC機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，對(duì)采集的數(shù)據(jù)使用多種軟件濾波算法，抑制干擾。系統(tǒng)中可選擇的濾波算法有（1）中值濾波算法，（2）移動(dòng)均值算法，（3）程序判斷濾波法（4）格拉布斯（GRUBBS）準(zhǔn)則算法[5]。這些算法的使用，大大提高了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

3.2程序設(shè)計(jì)

稱重系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為單片機(jī)數(shù)據(jù)采集部分和PC應(yīng)用軟件部分。在單片機(jī)數(shù)據(jù)采集部分編程中主要是對(duì)AD7799芯片編程。AD779使用9個(gè)片內(nèi)寄存器來(lái)控制AD7799的工作過(guò)程，而且其中有7個(gè)寄存器可以被直接讀寫。通過(guò)對(duì)相關(guān)寄存器的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式、通道選擇、采樣周期、增益設(shè)置、校準(zhǔn)方式等功能[6]。需要注意的是所有對(duì)AD7799的操作必須先對(duì)通信寄存器的寫操作開始。通信寄存器中的數(shù)據(jù)決定對(duì)目標(biāo)寄存器進(jìn)行讀還是寫的操作，然后才能對(duì)目標(biāo)寄存器進(jìn)行操作。由于AD7799是24位轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換需要一定時(shí)間，為了得到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換結(jié)果，每次采樣時(shí)應(yīng)等轉(zhuǎn)換結(jié)束后進(jìn)行，并且等待時(shí)間應(yīng)隨AD7799采樣頻率的變化而有所不同。

3.3實(shí)驗(yàn)分析

線性測(cè)試的步驟是選擇標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試砝碼在系統(tǒng)校準(zhǔn)的情況下，經(jīng)過(guò)七次測(cè)量，記錄結(jié)果，然后取100g向上疊加。從測(cè)試結(jié)果看，系統(tǒng)性能符合設(shè)計(jì)要求。

高精度電子稱重系統(tǒng)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)使用表明，本稱重系統(tǒng)能夠滿足高精度、高穩(wěn)定性的要求。本設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、可靠性高、使用靈活、能滿足不同用戶的需要，其智能化的人機(jī)交互功能以及人性化的數(shù)據(jù)管理功能體現(xiàn)了當(dāng)前電子稱重儀的發(fā)展方向。

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