通过对已有的各种电子秤的分析，从硬件和软件两个方面，提出提高电子秤测量精度的方法；硬件上采用专门为高精度设计 的24位A/D转换芯片11X711，该芯片具有分辨率高、线性度好、功耗低等优点，特别适合低频高精度的应用场合；软件上引入样条函 数，用光滑的参数曲线段逼近折线多边形，实现对非线性称重关系特性曲线的拟合和自校准，达到减小误差的目的；最后通过实验证明 了该方法的有效性。
0.引言
称重技术一直以来就被人们所重视，在人们的生产生活中 发挥着重要作用。作为一种普遍使用的计量手段，称重技术被 广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人 民的生活息息相关。
在电子秤的设计中，电子秤的测量精度是其中的关键问 题。对于提高电子秤的精度，其难点主要在于对传感器称重信 号的采集和非线性误差的处理。目前，许多文献提出了多种误 差补偿的方法，大体可分为硬件电路补偿法、分段线性插值法 和基于RBF神经网络非线性误差补偿法等。
硬件电路补偿法是应用最广泛的误差补偿方法，此方法 虽然有效，但补偿工艺复杂，硬件成本高。文献中提出来 分段线性插值法，实现了电子秤的非线性误差校正，但电子秤 精度有待进一步提高。文献运用构建径向基函数神经网络 的方法，完成了电子秤误差补偿网络，但该方法运算复杂，泛 化能力低，更适于多变量矫正。
本文将从硬件和软件两个方面入手，提出提高电子秤的精 度设计方法。硬件上采用桥式电路和高精度A/D转换芯片 HX711，以提高测量精度，减小非线性误差；软件上采用样条 函数，以实现传感器信号的非线性拟合。
1.电子秤的硬件设计
电子秤硬件测量系统的关键在于提高被称重物体重量精 度以及减小非线性，本设计以MSP430G2553为信息处理单 元，外加传感器信号处理电路，A/D转换电路，矩阵键盘功 能输入电路，OLED12864液晶显示电路，以及DC+DC电源 供电电路等，其系统硬件如图1所示。当物体放置于电子秤 托盘时，电阻应变式传感器经惠更斯电桥，产生与载荷近似 成正比的电压信号，经处理电路放大、滤波后将电压信号通 过八/D信号转换电路传给MSP430G2553单片机，对称重信 号进行采集。单片机采集到称量数据后，与内置程序中的样 条曲线进行比对，将其转换成为重量信息并通过显示电路显 示出 来。
1. 1芯片选型
MSP430系列单片机是一款16位高速处理单片机，为高 整合、高精度的单芯片系统，采用了精简指令集（RISC)结 构，具有简洁的27条内核指令以及丰富的寻址方式，系统工 作相对稳定，处理能力强。相比于51系列单片机，MSP430 单片机具有超低的功耗，其系统中共有一种活动模式（am) 和五种低功耗模式（LPM0 — LPM4)，在实时时钟模式下，工 作电流为2 5 ^八，在RAM保持模式下，最低工作电流可达 0. 1卩八，非常适合电子秤之类的小型电子产品。另夕卜， MSP430单片机具有丰富的片内外设，为系统的单片机解决方 案提供了极大的方便，在利用时减少了外设空间体积，故选用 MSP430G2553单片机为主控芯片。
1.2电子秤的A/D转换电路设计
目前市面上的电子秤大多采用分离的A/D转换器和放大 器组成的信号采集电路，对称重传感器的模拟信号进行处理， 但是这样不仅增加了电路的复杂性，增大制作成本，而且降低 了电路的稳定性，容易受到外界环境的干扰。尤其是对于高精 度电子秤来说，这样的电路复杂度增大了称量的不确定性，降 低了电子秤的称量稳定度。
电子秤一般要求测量范围广，而电阻式称量传感器线性范 围小，为了尽可能提高测量精度，本设计最终采用HX711为 A/D转换芯片，HX711具有海芯科技集成电路专利技术，是 —款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。与其 它同类型芯片相比，该芯片集成了放大器，稳压电源和片内时 钟振荡器，无需另加外围电路，具有分辨率高、线性度好、抗 干扰性强、功耗低等特点。降低了电子秤的生产成本和电路的 复杂度，提高了电子秤的稳定性，特别适合低频、高精度应用 场合的模拟前端。HXH1所有控制信号均由管脚驱动，无需 对芯片内部的寄存器编程，输入选择开关可任意选取通道八 或通道B，通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度 差分输入信号幅值分别为或。通道B则为固定的64增益，用 于系统参数检测。
本设计中传感器灵敏度为1 mV/V，在5 V供电电压下， 其最大差分信号输出电压为20 mV，可选择通道八，经128倍 增益放大为2 560 mV，经八/D转换后输出为数字量，AD采 集电路如图3所示。
1.3 OLED显示电路
OLED，即有机发光二极管，又称为有机电激光显示，其 显示技术与传统的LCD显示方式不同，无需背光源，而是采 用很薄的有机材料涂层和玻璃基板，当电流流过时，有机材料 自己发光，相比传统LCD显示屏，其更轻更薄，可视角更大， 柔软环保且更省电。且由于OLED是固态、非真空器件，具 有抗震荡、耐低温（一40)等特性，可作为坦克、飞机等武器 的显示终端，故本设计采用OLED为显示接口电路。
如图4所示，本显示屏采用SPI通信方式，DC对应SPI 总线的MOSI信号，D1对应SPI总线的MIMO信号，D0对应 SPI总线的CLK时钟信号，第7引脚为CS片选引脚，本电路 默认设置是CS通过软件配置使用，如果实际使用中，不需要 使用CS引脚，可在软件里面将单片机对应IO引脚置低。
2.电子秤的软件设计
2.1电子秤误差分析
本设计采用电阻应变片式压力传感器将压力信号转换为电 信号。其主要由弹性体、电阻应变片、电缆线等组成，内部线 路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变 片（转换元件）受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发 生变化（增大或减小），从而使电桥失去平衡，产生相应的差 动信号，供后续电路测量和处理。
称重原理如图2所示。设两个电阻应变片阻值分别为Ri， R2；其余两定值电阻为_R，R“电桥电源电压为当应变 片不加任何载荷时，4个电阻的零点阻值相等，即：
E为弹性体的弹性模量，"为弹性元件的泊松比。由式
可知，称重传感器的电桥输出与承受的载荷力(理想情
况下为被测物体的重量）成非线性关系，Fx越大，称重传感
器的非线性关系越明显，误差越大。
2 2电子秤的程序流程结构
电子秤软件的主要功能是称量信号采集，非线性补偿，系统键盘、显示管理等。图5为电子秤程序流程图，为了方便程序的调试和增强系统的可靠性，程序设计采用自上而下、模块化、结构化的程序设计方法，把总的编程过程逐步细分，分解成一个个功能模块，每个模块互相独立，完成一个明确的任务，实现某个具体的功能，逻辑结构清晰，大大降低了编程难度。电子秤的软件结构主要包括系统初始化模块、称量信号采集模块、数据处理模块、矩阵功能按键检测模块以及
OLED12864显示模块。
本设计的软件开发环境是由丁I公司研发的高效C编译器和集成开发环境CodeComposerStudio，其具有环境配置、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等功能，能够帮助用户在一个软件环境下完成编辑、编译、链接、调试和数据分析等工作，是MSP430单片机软件开发的理想工具。
3基于样条函数的非线性误差拟合
3.1样条函数的引入
早期工程师制图时，把富有弹性的细长木条（所谓样条） 用铁固定在样点上，在其他地方让它自由弯曲，然后画下长条 的曲线，称为样条曲线[5]。样条曲线实际是上是由分段三次曲 线并接而成，在连接点即样点上要求二阶倒数连续，从数学上 加以概括就得到数学样条这一概念。
样条函数是平面线形设计中简单实用的样条曲线拟合工 具，具有数学表达式简单统一、线性光滑、良好的保形功能、 拟合选点自由、整体大绕度、局部小绕度等优点，将其应用在 电子秤的设计上，具有较大的现实意义。
3.2样条函数的拟合原理
在电子秤的应用过程中，为了达到高准确度的称量要求， 对于非线性的称重关系需用样条函数对其进行拟合，达到减小 误差的功能。
以本系统设计量程为500 g的电子秤为实验对象，将不同质量的砝码（0 g，5 g，10 g，20 g，40 g，80 g，160 g，320 g，500 g)共9组加载到实验对象电子秤上，通过称重传感器 采集输出电压输出U”，获得9组实验数据，预处理后即获得 9组归一化样本数据(Mm，UM)，列三次样条函数方程：
对于上诉三对角矩阵（Trdagonal Matrices)。常用解法 为Thomas八lgadthm，它是一种基于高斯消元法的算法，分 为两个阶段：向前消元和回代。即可解出三次样条函数方程。
4.电子秤称量实验
根据《JJG1036 — 2008电子天平检测规程》的检定要求， 在20°C室温环境下，电子秤充分预热后，本研究采用精度为 0. 001 g的标准砝码对电子秤的示值误差进行了实验测试。
图6为经过三次样条拟合前后的电子秤仿真输出结果比 较，实线为三次样条插值，虚线为普通折线插值，比较可知， 普通折线插值在称重曲线基点处导数不连续，失去了原函数的 光滑性，与实际应用不符，会产生明显误差。采用三次样条插
值的方法，称重曲线基点处满足处处有二阶导数连续，保证曲 线在基点处实现光滑过渡，符合实际称量情况，对减小称量误 差有明显作用。
电子秤示值误差检定结果如表1所示。本研究选取了 0g、10 g、 20 g、 50 g、 100 g、 150 g、 200 g、 250 g、 300 g、 350 g、400 g、450 g、500 g等13个不同的测量点。实验方法是： 载荷从零开始，逐渐地往上加载，直至加到电子秤的最大称 量，然后逐渐地卸下载荷，直至零载荷为止。由表1可见，在 未引入三次样条函数之前，随着载荷的增加，电子秤称量误差呈增大趋势，且在加载和卸下载荷前后，电子秤的示数波动明 显，称量结果不稳定；而在引入样条函数后，电子秤称重曲线 经样条函数拟合，电子秤的称量误差明显减小，在加载和卸下 载荷时，电子秤的示数基本保持不变，极大地保证了称量稳定 性，提高了电子秤的品质，拟合效果明显。
5.结论
本文进行了对电子秤工作原理的深入研究，找到了电子秤 称量误差产生的关键，并通过对市场上电子秤的调研，发现了 目前电子秤存在的称量精度低，制作成本高的问题，因而，本 文设计了一种以MSP430G2553单片机为信息处理单元，利用 三次样条函数拟合电子秤的称重曲线，对其非线性误差进行补 偿，从而完成对电子秤的非线性矫正的新型高精度电子秤，极 大简化了电子秤的设计电路，提高了电子秤的稳定性，降低了 制作成本，经实验证明这种方法可以明显减少电子秤的非线性 误差，提高称重准确度，电子秤的实际测量精度达0. 01g。整 个实验结果达到了预期目标。
但是，由于实验材料性能以及算法的原因，本电子秤的称 重测量范围受到限制，且称量速度慢，等待称量最终结果的时 间较长。在今后的改进中，研究者将研究采用性能更好的称重 材料，扩大电子秤的称量范围，并精简电子秤的程序算法，提 高电子秤的称量速度，进一步提高电子秤的称量品质。
