電子秤非線性自動(dòng)修正方法

傳統(tǒng)的電子計(jì)價(jià)秤多采用MCS-51系列單片機(jī)，體積大成本高，加之調(diào)校辦法多采用微調(diào)開關(guān)，這種方法操作繁瑣，附加硬件多，特別在重力加速度差別比較大的地方，還要進(jìn)行重力加速度的修正，給生產(chǎn)制造帶來(lái)很大不便。本文以高性價(jià)比的單片機(jī)Z86E08為核心，通過(guò)與EEPROM接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，用內(nèi)碼自動(dòng)標(biāo)定來(lái)修正誤差，提高了測(cè)量精度，降低了成本，簡(jiǎn)化了調(diào)校過(guò)程。

１ 電子秤系統(tǒng)的組成

電子秤系統(tǒng)由七部分組成（如圖１）。Z86E08單片機(jī)為18只引腳的８位OTP（ONE-TIME-PRO-GRAMMABLE）型單片機(jī)，是系統(tǒng)的核心部分。傳感器，放大器和A/D轉(zhuǎn)換電路組成了系統(tǒng)的重力測(cè)量電路。稱重傳感器為應(yīng)變式傳感器，經(jīng)過(guò)前置放大器OP07把輸入信號(hào)放大，又經(jīng)雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。標(biāo)定數(shù)據(jù)交換電路采用ATMEL公司的串行EEPROM24C01，其特點(diǎn)是基于I2C總線，數(shù)據(jù)一旦寫入可長(zhǎng)年保存，標(biāo)定數(shù)據(jù)保存在其中。鍵盤輸入電路由74HC138與二個(gè)輸入口組成16個(gè)鍵盤，液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路選用NEC公司UPD7225集成電路，可驅(qū)動(dòng)16位8段液晶顯示。

２ 系統(tǒng)靜態(tài)誤差分析

測(cè)量系統(tǒng)按其誤差性質(zhì)分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差是服從大數(shù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律的誤差。測(cè)量的精確度由系統(tǒng)誤差來(lái)表征。在這里只對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行討論。由以上分析可知與測(cè)量精度有關(guān)的電子秤測(cè)量系統(tǒng)組成如圖２所示，由四個(gè)串聯(lián)環(huán)節(jié)組成。設(shè)：δ1為傳感器的相對(duì)誤差，δ2為放大器相對(duì)誤差，δ3為A/D轉(zhuǎn)換電路的相對(duì)誤差，δ4為單片機(jī)數(shù)據(jù)處理相對(duì)誤差，則系統(tǒng)總的相對(duì)誤差 δ=δ1+δ2+δ3+δ4。對(duì)于理想系統(tǒng)δ=0，即δ1+δ2+δ3+δ4=0。由此可見只要調(diào)整δ４的相對(duì)誤差，使δ4=-(δ1+δ2+δ3)就可以消除系統(tǒng)的誤差，也就是說(shuō)可以通過(guò)單片機(jī)軟件處理進(jìn)行修正系統(tǒng)的相對(duì)誤差。

３ 非線性誤差修正方法

3.1 線性插值法

電子秤測(cè)量系統(tǒng)中，傳感器，放大器，A/D轉(zhuǎn)換電路總是存在非線性誤差。通過(guò)硬件很難達(dá)到要求，一般要通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖３所示，被測(cè)量為Ｘ，顯示輸出數(shù)值為Ｙ，用線性插值法可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際曲線與理論曲線的擬合。線性插值的方法如下，把０到滿量程Xman平均分為n段（n的大小由系統(tǒng)測(cè)量的精度不同而定），每段ΔX=Xman/n，相對(duì)于輸出０到Y(jié)man也同樣分為n段，每段為ΔY=Ymax/n。此時(shí)

X1=ΔX,X2=2ΔX,X3=3ΔX,…Xn=nΔX。

Y1=ΔY,Y2=2ΔY,Y3=3ΔY…Yn=nΔY,

圖中Y1,Y2,Y3，…Yn為理論輸出值，Y1’，Y2’，Y3’…Yn’為相對(duì)于理論輸出值的實(shí)際測(cè)量值。

由此可以得出每段的修正值：

ｄ保存修正值a1,a2…an及相對(duì)應(yīng)的每段分界點(diǎn)的數(shù)值Y1’，Y2’，…Yn’。以上四個(gè)步驟通過(guò)單片機(jī)軟件很容易實(shí)現(xiàn)。保存的數(shù)據(jù)可以通過(guò)外接的EEPROM加以保存，在掉電的情況下數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。只需修正一次就可以進(jìn)行工作。在測(cè)試過(guò)程中利用公式：Y=Yn-1+an(Y’-Yn-1’)；Yn-1’＜Y’＜Yn’式中，Yn-1，an，Yn-1’在修正過(guò)程中為已知數(shù)，Y’為當(dāng)前測(cè)量數(shù)值，通過(guò)比較判斷數(shù)值所在的區(qū)段，可以得到修正后的測(cè)量數(shù)值。在測(cè)量計(jì)算中，只用到比較判斷和加減乘除的運(yùn)算，這在單片機(jī)中通過(guò)軟件能非常容易實(shí)現(xiàn)。值得注意的是n取值越大，修正的精度越高，但單片機(jī)的運(yùn)算量增加，運(yùn)算時(shí)間就越長(zhǎng)。

４ 實(shí)例

電子計(jì)價(jià)秤的測(cè)量范圍為0～15Kg，分度值為e=5g，按三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)滿量程誤差小于3.05g即12.25g，如表１所示，從測(cè)量的結(jié)果可以看出滿量程絕對(duì)誤差為30g，必須進(jìn)行修正。取n=4，得出各分界點(diǎn)的數(shù)值Y1,Y2,Y3,Y4及各段的修正值a1,a2,a3,a4。把各點(diǎn)的修正值及數(shù)值保存在EEPROM中，通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在測(cè)試階段，讀出EEPROM中的數(shù)據(jù)，利用公式就可以得出修正后的示值。

對(duì)于電子稱重系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)是對(duì)物體的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，而測(cè)量的方法是通過(guò)重力來(lái)進(jìn)行的，由于重力加速度隨地區(qū)的不同對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。如北京和杭州重力加速度分別為9.8015，9.7936。由于重力加速度不同產(chǎn)生的相對(duì)誤差為：

對(duì)于15kg的重力絕對(duì)誤差為2.099g，這在高精度測(cè)量中是不允許的。用自動(dòng)修正的方法可在不知道當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊那闆r下在當(dāng)?shù)赜庙来a進(jìn)行修正，因?yàn)樽詣?dòng)修正方法是綜合性的調(diào)校，把外部環(huán)境與內(nèi)部因素條件一起進(jìn)行修正。