针对传统电子秤水平调节繁琐,存在倾角时称重准确度低等不足,设计了一种具有倾角自动检测与称量误差补偿功能的高精度电子秤。分析了秤台倾角对电子秤称量性能的影响,介绍了基于三轴加速度传感器ADXL345的倾角检测和称量误差补偿原理,提出并建立了电子秤倾角自动补偿模型,给出了基于微处理器ADuC7060的倾角测量系统的软、硬件设计与实现方案。对量程为1 000 g、感量为0.01 g的电子秤倾角补偿后进行的测试结果表明,在倾角小于1°时,仪器的最大允许误差MPE<0.05 g;当倾角小于15°时,最大允许误差MPE<0.2 g。
1.引言
电子秤秤台的平整度和秤体倾斜度对称量结果 准确度有较大的影响。传统电子秤水平调节依据 气泡式水平仪进行，完全依赖于手工操作，调节过 程繁琐，且水平度难以保证。此外，部分电子秤的 水平仪在安装时本身就存在一定的倾斜，导致电子秤无法正确调平。文献提出一种采用双轴模拟 加速度传感器感测称重系统的倾角并对倾角产生的 误差进行补偿，但只能检测特定方向的倾角，无法 实现任意方向倾角检测。实际操作中，由于电子 秤的支撑脚调节的高度不一致，电子秤可能向任意 方向倾斜，采用单轴和双轴的加速度传感器均 无法满足多自由度倾角测量系统的要求。
为此，本文设计了一种具有倾角自动检测与称 量误差补偿功能的高精度电子秤，通过分析秤台倾 角对电子秤称量性能的影响，根据三轴加速度传感 器ADXL345的倾角检测和称量误差补偿原理，通过 实验和仿真建立了电子秤倾角自动补偿模型，给出 了基于微处理器ADmC7060的倾角测量系统的软、 硬件设计与实现方案。对量程为1 000 g、感量为0.01 g 的电子秤倾角补偿后进行的测试结果表明，在倾角小于1°时，仪器的最大允许误差MPE<0.05 g;当倾 角小于15°时，最大允许误差MPE<0.2 g。有效地补 偿了倾角引起的称重误差。
2.电子秤倾角对称量准确度的影响
电子秤称重传感器采用电阻应变式称重传感器， 当载荷加载到称重传感器时，载荷的重力Wm作用于 称重传感器，使得称重传感器输出一个微弱的差分 电压信号，系统对该信号进行信号调理、模数转换， 最后，微控制器根据电压信号处理计算得到载荷的 重量并进行显示。
正常称重时，即电子秤倾角为0°时，载荷的重 力Wm通过秤盘和支柱将其施加到称重传感器，如图 1(a)所示，此时，电子秤称重传感器感测到的力为
3.电子秤倾角检测与称量误差补偿
3.1倾角测量
采用三轴加速度传感器测量X、Y、Z 3个轴的 加速度，利用重力加速度与其在三轴加速度传感器 的X、Y、Z轴的分量关系，通过计算Z轴与重力加 速度的夹角得到秤体与秤台的倾角O
三轴加速度传感器可实现对任意方向倾斜角度 的测量，图2为物体在不同倾斜情况下，倾角与加速 度的关系示意图；物体与X和：T轴与水平面的倾角分 别为《和及
三轴加速度传感器采集得到三轴加速度后，根 据式(5)计算得到电子秤的理论倾角卜考虑到PCB 板的平整度和加速度传感器焊接等多种原因，使得 加速度传感器在安装时偏离其初始位置，使得加速 度传感器在各轴存在一个初始值Wx。、办。、為，根 据式(5)可计算得到传感器的初始倾角%，故电子秤 实际倾斜角沒为
当电子秤存在倾角时，电子秤的最大允许误差 需小于0.2 g，考虑到一定的误差阈量，且忽略非线 性误差，取误差Werror=0.1g，图3为采用MATLAB 7.0对式(4)进行仿真获得的临界误差补偿曲线。图3 中横轴为电子秤的倾角，纵轴为载荷重量的变化; 曲线为载荷重量Wm与倾角0变化时，理论称重误差 Werror=0.1 g时的临界误差补偿曲线；图中临界误差补偿曲线以下的区域A最大误差小于0.1 g,即称重 误差允许范围内不需补偿的区域，临界误差补偿曲 线包络以外的区域B的倾角引起的称重误差都大于 0.1 g,即为需要进行称重倾角误差补偿的区域。
根据图3可得曲线关于0=0°对称，且在|糾幻° 时最大误差不超过0.1 g,不需要进行倾角补偿；为 了简化式(8)计算，将正割函数sec0进行泰勒分解有
考虑到倾角0的变化范围较小，式(9)中括号内 的倾角0的4次及以上的高次项对于载荷重量Wm的 影响很小，远小于电子秤的最大允许误差，故将式(8) 中括号内Rad0的4次及以上的高次项忽略。
4.系统设计与实现
4.1倾角自动补偿电子秤系统工作原理
具有倾角自动补偿功能的电子秤由称重传感 器、倾角测量模块、温度传感器、信号放大电路、 低通滤波电路、人机接口模块、RS232接口等电路 组成。系统结构框图如图4所示。其中，信号放大电 路采用仪用放大电路，低通滤波器滤除5 Hz以上的 高频噪声，ADmC7060为系统的信息处理核心，采用 ARM7TDMI内核，可提供10 MIPS峰值性能；它内 部含有两个独立的24位的S-A ADC，ADmC7060根据 称重信号、倾角信号、温度信号进行数据处理和融 合得到称重结果，最后，通过LCD和RS232显示或 传输称重结果。
4.2倾角检测硬件电路设计
采用三轴加速度传感器ADXL345检测电子秤 在X、Y、Z 3轴上加速度的变化，通过计算得到电子 秤与水平方向的倾角。
ADXL345是一款超低功耗的三轴数字加速度传 感器，采用/MEMS技术，在一个硅片上包含了一个 多晶体硅表面微机械传感器和信号处理电路结构， 实现了开环加速度测量；可以用于测量振动、动态加 速度和静态加速度，其量程范围可设定为2/4/8/16g， 在静态重力加速度测量中可提供高达4 mg/LSB分辨 率，可在倾斜感测应用中能够分辨0.25°的倾角变化， 可通过SPI/I2C将三轴加速度直接与数字量的形式输 出，内部含有32字节的FIFO;此外，ADXL345内部具 有专门的电源管理模块，可有效的控制系统的功耗， 测量模式下低达23 ^A，空闲模式下低至0.1 ^A。
三轴加速度传感器ADXL345可通过I2C或SPI 接口与微控制器ADmC7060进行数据的通信和控制， 其接口电路原理图如图5所示，当CS管脚与高电平 DVDD相连，此时，ADXL345与微控制器通过I2C接 口进行数据交互，ADXL345的SDA与ADmC7060的 P0.1 相连，SCL/SCLK 与 ADmC7060 的 P0.3 相连；将 ALT与GND相连，此时ADXL345的I2C通信地址 为 0x53。ADXL345 的 INT1 与 ADmC7060 的 IRQ3 管脚连接，微控制器在ADXL345的FIFO满后产生 IRQ3中断，微控制器通过I2C读取FIFO中的数据。 进行多级滤波预处理，采用去极值均值滑窗滤波预 处理算法，它由去极值均值滤波和滑窗均值滤波两 部分组成，图6为去极值均值滑窗滤波算法流程图。 预处理算法不仅有效的抑制了 ADXL345的脉冲干 扰、随机干扰；而且保证了系统的实时性要求。
4.3倾角测量数据预处理
电子秤的倾角是通过三轴加速度传感器测量其 在X、Y、Z轴3个轴的加速度间接计算得到电子秤 秤体的倾角，所以三轴加速度传感器数据的可靠性 直接关系到倾角测量的准确性。综合考虑系统的实 时去极值平均滤波在ADXL345产生FIFO满中断 后，即ADXL345连续采样L次，微控制器将采集到 的L个数据进行排序，去掉一个最大值，去掉一个最 小值，再求余下LI个采样值的平均值。即
4.4倾角自动补偿电子秤软件设计
系统上电复位后，ADmC7060对各模块进行初始 化，并进行故障自检，若模块存在故障，则通过LCD 显示故障部件；如部件无故障，程序进人主循环，不断的查询主程序是否存在按键操作，若无按键按下，ADmC7060对A/D、加速度传感器的信号进行数据预 处理，线性校正，倾角补偿和温度补偿，最后显示称 重结果。
倾角自动补偿电子秤软件流程如图7所示。 ADmC7060在读取称重数据的同时清空ADXL345内 部FIFO，并发出启动采集加速度信号，设定 ADXL345的FIFO工作于触发模式，当ADXL345内 部FIFO数据采集满时，将在其INT1引脚产生一个 下降沿，产生外部中断，并且在中断服务程序中设 置ADXL345数据准备好标志变量；这样保证了称重 数据的采样和数据处理时，ADXL345的三轴加速度 数据采样是同步进行。当程序完成称重数据的处理 后，查询ADXL345的数据是否准备好，若准备好根 据式(5)和式(6)计算出电子秤的倾角，再根据式(9)计 算存在倾角时电子秤的载荷的真实重量；最后，对 系统进行温度补偿。
5.实验结果与误差分析
为了准确提供特定的倾斜角度，设计了如图8 所示的测试平台，将电子秤的3个垫脚固定在一块 不镑钢钢板上，钢板长为Lm，钢板的一端采用活页 进行固定，另外一端采用螺丝钉调节高度b，根据b 和Lm即可计算得到电子秤的倾斜角大小。不断的改 变b调节电子秤的倾角测试系统的角度测量系统的 准确度，测试结果表明采用文中倾角数据预处理方法，结合式(6)和式(7)计算电子秤的倾角，系统的角 度精度优于0.25°。
表1为电子秤倾角为0°、5°、10°和15°时情况 下，电子秤补偿前与补偿后的称重测试结果。可见， 加载800 g载荷，倾角为15度时，补偿前的称重误差 达到了-27.32 g，补偿后的误差减小到-0.19 g。可见， 未进行倾角补偿的误差大，随着倾斜度增加，误差 更大；进行倾角补偿后，最大允许误差控制在0.2 g 以内，很好地满足了设计要求。
