《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電子秤非線性自動(dòng)修正方法

2009-04-16
作者:段 紅

  摘 要: 對(duì)電子計(jì)價(jià)秤系統(tǒng)的誤差進(jìn)行分析,采用Z8單片機(jī)技術(shù),用線性插值方法,總結(jié)出一種方便、準(zhǔn)確、有效的非線性修正方法。
  關(guān)鍵詞: 電子秤 單片機(jī) EEPROM 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(kāi)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-PROGRAMMABLE)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(xiě)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(jiàn)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Xmax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=Y(jié)max/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:
  
  這樣一來(lái)就可以得出修正后任一點(diǎn)的值
  Y=Y(jié)n-1+a2(Yn’-Yn-1’);(Yn-1’<Y’<Yn’)
  其中,Y為修正以后的測(cè)量值,Yn-1為對(duì)應(yīng)于Xn-1點(diǎn)處的理論值,且Yx-1=(n-1)ΔY,Y’為任一點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量值。這樣一來(lái)就實(shí)現(xiàn)了分段線性插值,可以根據(jù)不同的精度要求選取n的大小。
3.2 自動(dòng)修正方法的實(shí)現(xiàn)
  根據(jù)以上分析可以看出用線性插值法結(jié)合單片機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)修正。方法如下:
  a)根據(jù)精度及測(cè)量范圍要求,平均分為n段,則每段的值為ΔY=Y(jié)man/n,每段分界點(diǎn)的理論數(shù)值為Y1=ΔY,Y2=2ΔY,…Yn=nΔY。
  b)測(cè)量每段分界點(diǎn)的數(shù)值Y1’,Y2’,Y3’,…Yn’。
  c)計(jì)算每段修正值
  
  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=Y(jié)n-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。
參考文獻(xiàn)
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