設(shè)計了一款最大測量范圍為600g，最小測量分度為0.01g，精度達(dá)到六萬分之一的高精密電子秤。該電子秤以16位單片機SPCE061A為核心，藝-AADC為主要稱重采集部件；采用了硬 件電路抗干擾和軟件濾波等技術(shù)，以保證整機的精度和穩(wěn)定性；同時該系統(tǒng)還為用戶提供了智能、友 好的用戶界面和接口。

電子秤（或電子衡器）是配有電子稱量裝置的衡器， 它在商業(yè)銷售中廣泛使用。國內(nèi)從20世紀(jì)60年代中 期開始模擬指針式電子秤的研制和生產(chǎn)，經(jīng)歷了模擬 式電子秤、數(shù)字式電子秤和微機式電子秤三個階段。精 度從0.1%、0.05%發(fā)展到0.01%。根據(jù)目前市場發(fā)布的 產(chǎn)品，電子秤的精度可分為四級，如表1所示。功能上 包括各種參數(shù)的設(shè)定、自動處理及毛重、凈重、皮重和累 加值的顯示等。為了管理和參數(shù)設(shè)置的方便，還配有與 上位計算機的串行通信接口，如RS-232C等。

總體來說，電子秤的發(fā)展呈現(xiàn)出小型化、智能化和 模塊化的特點。根據(jù)市場需求，筆者以高精度、小型化 和智能化為目的，以高性能16位單片機為SPCE061A 核心，研發(fā)了 一款最大稱重為600g，最小分度為 0.01g，稱重精度為0.001 6%(六萬分之一）的工業(yè)用高精度電子秤。該產(chǎn)品包含當(dāng)前臺式電子秤所有的功能且用 戶界面友好。

1.系統(tǒng)整體方案設(shè)計

電子秤的工作原理是將作用在承載器上的質(zhì)量或 力的大小,通過稱重傳感器轉(zhuǎn)換為與之成正比的電信號, 并且以模擬或數(shù)字量的形式在稱重儀表上顯示出來。電 子秤由稱重傳感器、弱信號放大和濾波、高數(shù)位A/D轉(zhuǎn) 換器、MCU和顯示器組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)采用性能優(yōu)異的電阻應(yīng)變式橋式稱重傳感 器，其基本原理為所稱重量引起的電阻變化可產(chǎn)生一個 疊加在共模電壓之上的差分電壓。該傳感器的電靈敏度 為2mV/V，當(dāng)使用5V激勵電壓時，其滿度輸出電壓為 10mV，在60 000分刻度下，每分刻度的輸出電壓為微伏 級。因此微弱信號的采集是本系統(tǒng)設(shè)計的第一難點。另 一難點則是系統(tǒng)的實時反應(yīng)速度。由于本設(shè)計面向商 用，要求系統(tǒng)能夠?qū)ΨQ重物體作出快速反應(yīng)，在穩(wěn)定與 不穩(wěn)定狀態(tài)間反應(yīng)靈敏，并且判斷準(zhǔn)確。最后，作為智能化、便攜式的電子稱重儀器，友好的用戶界面和低功耗 設(shè)計也是必需的。

根據(jù)上述技術(shù)難點的分析和系統(tǒng)指標(biāo)要求，選取16位單片機SPCE061A為核心控制器件。SPCE061A 最高工作頻率可以達(dá)到49.512MHz，內(nèi)置2KB靜態(tài)內(nèi) 存，32KB Flash，32個通用I/O 口。由于采集到的微弱信 號極易受到干擾，受干擾的信號必須進行數(shù)字濾波才能 使系統(tǒng)性能得到提升。SPCE061A的16位字長和大存儲 容量為數(shù)字濾波提供了有力的支持；數(shù)字信號處理速度 和系統(tǒng)的快速反應(yīng)依賴于主控制器的工作頻率， SPCE061A單片機49.512MHz的工作頻率能夠很好地滿 足要求；32個通用I/O 口和各種外設(shè)資源使系統(tǒng)在擴展 按鍵、LCD顯示、實時時鐘RTC、存儲器EEPROM和上位 機接口上提供了便利。

根據(jù)指標(biāo)要求，電子秤的稱重計數(shù)分辨率為60 000， 要確保外部計數(shù)精度，通常內(nèi)部分辨率必須高于外部分 辨率一個數(shù)量級，因此內(nèi)部計數(shù)必須精確到600 000，這需 要20bit的ADC才能滿足此要求。系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器選 取24位Σ-△ ADC芯片CS5460A。CS5460A包含兩個 S-A模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)和一個串行接口的高度集成 S-A模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，兩個通道都包含可編程增益放大器 和片內(nèi)高速濾波器，共模抑制比大于80dB。高位數(shù)和高 共模抑制比可保證微弱信號的數(shù)字采集準(zhǔn)確。

系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。與上位機的通信可以根 據(jù)需求選配USB接口或RS232接口。

在軟件設(shè)計上，系統(tǒng)主要完成用戶功能的響應(yīng)、稱 重數(shù)據(jù)的采集與處理、軟件濾波、數(shù)據(jù)校正和稱重顯示 等功能。用戶通過按鍵錄入、軟件查詢的方法得到鍵值 后，根據(jù)鍵值完成相應(yīng)的功能；為了保證用戶界面的簡 捷，采用組合鍵錄入。根據(jù)用戶需求，稱重數(shù)據(jù)可以為毛 重、凈重或采樣值。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

2.硬件抗干擾設(shè)計

2.1前置放大和濾波

稱重傳感器的輸出為微弱的低頻差分信號，其電壓 幅度為微伏級。雖然A/D內(nèi)部自帶有50倍增益放大 器，但還不足以將信號放大到與A/D參考電壓相匹配的程度，所以必須加一級前置放大器來提高放大倍數(shù)。 前置放大采用差分放大輸入，這既提高了輸入阻抗，又 能有效抑制共模噪聲。但是如果兩臂的信號出現(xiàn)不平 衡，則采集到的數(shù)據(jù)將會產(chǎn)生基線漂移。為此，采用兩路 RC低通濾波電路對兩臂信號同時進行濾波，兩臂之間 采用共模濾波電容濾波。其原理電路如圖4所示。

2.2電源電路抗干擾處理

由于系統(tǒng)對整機的測量精度要求較高，因此具有抗 干擾的電源電路是系統(tǒng)設(shè)計的重點之一。系統(tǒng)通過穩(wěn)壓 模塊將各個電源分開，并分離接地，保證來自不同電路 的地電流之間沒有交叉耦合，任何一個電路的地電位只 受這個電路的地電流和它的地線自身阻抗的影響，各個 地最后回流到系統(tǒng)鋪設(shè)的地上。

3.軟件抗干擾設(shè)計

3.1稱重校正

由于溫差、沖擊力、浮塵等因素的影響，傳感器承受 載荷與其輸出電壓之間并非成線性關(guān)系，這就造成稱 量的線性度發(fā)生較大的變化；另外由于ADC的線性度 不夠理想，使小稱量和大稱量區(qū)間的線性斜率不一樣。 這兩種情況都會使稱量線性度發(fā)生變化，造成某些點的 稱量誤差較大。采用分段校準(zhǔn)稱重值和分段計算稱重 值，可大大減小稱重值的相對誤差。

本系統(tǒng)使用了兩種校正方法：線性校正和單點校 正。線性校正取零點A、三分之一量程B、三分之二量程 C和滿量程D為基點得到三條線段BA、CB和DC，使得每段的稱量線性度比只有一條線段時要好。單點校正是 在線性校正的基礎(chǔ)上作小偏移補償，取零點和系統(tǒng)規(guī)定 的量程某一點，假設(shè)穩(wěn)定時的零點值為A，選取量程中 的某一點如200g，在放置標(biāo)準(zhǔn)砝碼200g時測得的稱重 值為m，此時求得比率值為rate =200/m，稱重計算時用 此rate值來修正稱量值。

3.2軟件濾波

軟件濾波包含兩部分：數(shù)據(jù)噪聲的濾波及兩種稱重 狀態(tài)（穩(wěn)定和不穩(wěn)定）的判斷。因為稱重數(shù)據(jù)在相當(dāng)長的 時間內(nèi)是穩(wěn)定不變的，而引起數(shù)據(jù)變化的干擾信號則變 化頻繁。軟件濾波的作用就是設(shè)法把兩者區(qū)分開，只取 平穩(wěn)的數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)進行顯示。用于電子秤慢變數(shù) 據(jù)的濾波方法很多，系統(tǒng)綜合采用了權(quán)值濾波、均值濾 波、中值濾波和極值濾波等軟件濾波方法。首先采用極 值濾波將系統(tǒng)因為干擾而產(chǎn)生的極點去除，然后用中值 濾波法進行平均，在稱重狀態(tài)判斷的過程中使用不同的 權(quán)值，對數(shù)據(jù)進行權(quán)值濾波。這樣就得到了最后要顯示 的數(shù)據(jù)。

稱重狀態(tài)判斷要處理三個問題：（1)是否有重量變 化；（2)若無重量變化，顯示值保持穩(wěn)定，保證不受噪聲 干擾；（3)若有重量變化，系統(tǒng)要及時反應(yīng)并顯示出來。 傳統(tǒng)電子秤的處理方法是取一定量的數(shù)據(jù)求均值，規(guī)定 一個求均值的次數(shù)，當(dāng)次數(shù)到達(dá)時，對這些均值再作平 均，如果在設(shè)定的范圍內(nèi)，則認(rèn)為是穩(wěn)定的測量值，反之 則為不穩(wěn)定測量值，還需要再取更多的數(shù)據(jù)進行相似的 處理之后才能知道是否穩(wěn)定。這種方法適 用于均值的范圍集中在1/3 ~2/3最小感 量的時候，若最小感量的值降低，則此方 法就無法保證稱重值的穩(wěn)定顯示。本系統(tǒng) 解決辦法是將測量值轉(zhuǎn)化為實際顯示的 稱重值，如果稱重值沒有變化，則認(rèn)為沒 有變化；如果稱重值有變化但沒有超出 3/2個最小感量，還是認(rèn)為稱重值沒有變 化；如果超出了，則要進行一系列的比較 才能確定是否有新的重量加入。經(jīng)實際測試驗證，此方法有效地避免了稱重顯示值的來回跳動。

4.系統(tǒng)測試結(jié)果

4.1稱重數(shù)據(jù)測試

本系統(tǒng)性能的提高關(guān)鍵在于采用了硬件抗干 擾處理和軟件濾波處理。圖5、圖6、圖7分別描述 了未經(jīng)過任何處理、只經(jīng)過硬件處理和同時經(jīng)過 硬件與軟件處理的稱重數(shù)據(jù)波形。每幅圖上的粗 線代表了數(shù)據(jù)變化的趨勢，即基線。從圖5可看 出，未經(jīng)過硬件抗干擾處理的波形基線會漂移；圖6中， 經(jīng)過硬件處理后，基線的漂移消失，但局部仍然會有數(shù) 據(jù)的波動；圖7中再經(jīng)過軟件濾波處理，數(shù)據(jù)變化更趨平緩，基線基本不變，有利于得到比較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

4.2整機性能測試

表2和表3分別對整機做線性測試和重復(fù)性測試。 線性測試的步驟是在零點情況下，每次都是100g向上平緩，基線基本不變，有利于得到比較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

本文介紹了以高性能16位單片機為控制核心的高精密電子秤的設(shè)計方法。采用硬件抗干擾和軟件濾波等 技術(shù)得到了系統(tǒng)性能的提升。測試結(jié)果表明，該產(chǎn)品具 有較優(yōu)異的線性度和重復(fù)性，性能指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期的效果；該產(chǎn)品還具有用戶界面友好、操作簡單等特點。產(chǎn)品性能處于市場領(lǐng)先地位。