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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)處理后得到測量結(jié)果。這種方法會有一個(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，也會通過增益電路被放大，從而影響測量精度[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)展起來的高精度Σ-Δ轉(zhuǎn)換器很大程度上簡化了電橋信號的調(diào)理電路。如AD7799就是其中一款由美國模擬器件公司（ADI）最近推出的Σ-Δ型3通道、高精度、寬動態(tài)范圍的24位ADC，適用于低頻、高精度工業(yè)級轉(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的微弱電信號，對于低速應(yīng)用中的電阻電橋測量提供了一個(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％(萬分之一)。并詳細(xì)論述了比率測量工作原理，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)對信號進(jìn)行噪聲處理并顯示測量結(jié)果，用戶可以方便地在視窗軟件中對系統(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，通過稱重傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，信號經(jīng)過濾波后送入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RS232串行口傳送給PC機(jī)，PC機(jī)上的應(yīng)用軟件對信號作進(jìn)一步處理，使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。通過界面友好，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非常微弱且存在多種干擾信號，需要先經(jīng)過濾波,消除干擾信號后送入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的微弱電信號[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，在電橋測量線路中，電橋的激勵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)致測量結(jié)果的誤差，為解決這一問題，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電壓）[3]。由于供橋電壓是由測量儀器的基準(zhǔn)電壓分壓得到，供橋電壓與激勵電壓成一比例關(guān)系。采用比率式測量方式即使電橋激勵電壓產(chǎn)生變化也不會對測量精度產(chǎn)生影響[3]。另外比率式測量方式還可以消除檢測電路中的溫漂和低頻噪聲對輸出精度的影響，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用比率式測量。

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通信過程中，單片機(jī)對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。通過對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測量值的精確性。本系統(tǒng)采用單獨(dú)一套5V電源供電。對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AD7799芯片編程。AD779使用9個(gè)片內(nèi)寄存器來控制AD7799的工作過程，而且其中有7個(gè)寄存器可以被直接讀寫。通過對相關(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AD7799的操作必須先對通信寄存器的寫操作開始。通信寄存器中的數(shù)據(jù)決定對目標(biāo)寄存器進(jìn)行讀還是寫的操作，然后才能對目標(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

線性測試的步驟是選擇標(biāo)準(zhǔn)的測試砝碼在系統(tǒng)校準(zhǔn)的情況下，經(jīng)過七次測量，記錄結(jié)果，然后取100g向上疊加。從測試結(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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