设计了一款最大测量范围为600g，最小测量分度为0.01g，精度达到六万分之一的高精密电子秤。该电子秤以16位单片机SPCE061A为核心，艺-AADC为主要称重采集部件；采用了硬 件电路抗干扰和软件滤波等技术，以保证整机的精度和稳定性；同时该系统还为用户提供了智能、友 好的用户界面和接口。

电子秤（或电子衡器）是配有电子称量装置的衡器， 它在商业销售中广泛使用。国内从20世纪60年代中 期开始模拟指针式电子秤的研制和生产，经历了模拟 式电子秤、数字式电子秤和微机式电子秤三个阶段。精 度从0.1%、0.05%发展到0.01%。根据目前市场发布的 产品，电子秤的精度可分为四级，如表1所示。功能上 包括各种参数的设定、自动处理及毛重、净重、皮重和累 加值的显示等。为了管理和参数设置的方便，还配有与 上位计算机的串行通信接口，如RS-232C等。

总体来说，电子秤的发展呈现出小型化、智能化和 模块化的特点。根据市场需求，笔者以高精度、小型化 和智能化为目的，以高性能16位单片机为SPCE061A 核心，研发了 一款最大称重为600g，最小分度为 0.01g，称重精度为0.001 6%(六万分之一）的工业用高精度电子秤。该产品包含当前台式电子秤所有的功能且用 户界面友好。

1.系统整体方案设计

电子秤的工作原理是将作用在承载器上的质量或 力的大小,通过称重传感器转换为与之成正比的电信号, 并且以模拟或数字量的形式在称重仪表上显示出来。电 子秤由称重传感器、弱信号放大和滤波、高数位A/D转 换器、MCU和显示器组成。系统组成框图如图1所示。

本系统采用性能优异的电阻应变式桥式称重传感 器，其基本原理为所称重量引起的电阻变化可产生一个 叠加在共模电压之上的差分电压。该传感器的电灵敏度 为2mV/V，当使用5V激励电压时，其满度输出电压为 10mV，在60 000分刻度下，每分刻度的输出电压为微伏 级。因此微弱信号的采集是本系统设计的第一难点。另 一难点则是系统的实时反应速度。由于本设计面向商 用，要求系统能够对称重物体作出快速反应，在稳定与 不稳定状态间反应灵敏，并且判断准确。最后，作为智能化、便携式的电子称重仪器，友好的用户界面和低功耗 设计也是必需的。

根据上述技术难点的分析和系统指标要求，选取16位单片机SPCE061A为核心控制器件。SPCE061A 最高工作频率可以达到49.512MHz，内置2KB静态内 存，32KB Flash，32个通用I/O 口。由于采集到的微弱信 号极易受到干扰，受干扰的信号必须进行数字滤波才能 使系统性能得到提升。SPCE061A的16位字长和大存储 容量为数字滤波提供了有力的支持；数字信号处理速度 和系统的快速反应依赖于主控制器的工作频率， SPCE061A单片机49.512MHz的工作频率能够很好地满 足要求；32个通用I/O 口和各种外设资源使系统在扩展 按键、LCD显示、实时时钟RTC、存储器EEPROM和上位 机接口上提供了便利。

根据指标要求，电子秤的称重计数分辨率为60 000， 要确保外部计数精度，通常内部分辨率必须高于外部分 辨率一个数量级，因此内部计数必须精确到600 000，这需 要20bit的ADC才能满足此要求。系统的A/D转换器选 取24位Σ-△ ADC芯片CS5460A。CS5460A包含两个 S-A模-数转换器（ADC)和一个串行接口的高度集成 S-A模-数转换器，两个通道都包含可编程增益放大器 和片内高速滤波器，共模抑制比大于80dB。高位数和高 共模抑制比可保证微弱信号的数字采集准确。

系统硬件框图如图2所示。与上位机的通信可以根 据需求选配USB接口或RS232接口。

在软件设计上，系统主要完成用户功能的响应、称 重数据的采集与处理、软件滤波、数据校正和称重显示 等功能。用户通过按键录入、软件查询的方法得到键值 后，根据键值完成相应的功能；为了保证用户界面的简 捷，采用组合键录入。根据用户需求，称重数据可以为毛 重、净重或采样值。系统软件流程图如图3所示。

2.硬件抗干扰设计

2.1前置放大和滤波

称重传感器的输出为微弱的低频差分信号，其电压 幅度为微伏级。虽然A/D内部自带有50倍增益放大 器，但还不足以将信号放大到与A/D参考电压相匹配的程度，所以必须加一级前置放大器来提高放大倍数。 前置放大采用差分放大输入，这既提高了输入阻抗，又 能有效抑制共模噪声。但是如果两臂的信号出现不平 衡，则采集到的数据将会产生基线漂移。为此，采用两路 RC低通滤波电路对两臂信号同时进行滤波，两臂之间 采用共模滤波电容滤波。其原理电路如图4所示。

2.2电源电路抗干扰处理

由于系统对整机的测量精度要求较高，因此具有抗 干扰的电源电路是系统设计的重点之一。系统通过稳压 模块将各个电源分开，并分离接地，保证来自不同电路 的地电流之间没有交叉耦合，任何一个电路的地电位只 受这个电路的地电流和它的地线自身阻抗的影响，各个 地最后回流到系统铺设的地上。

3.软件抗干扰设计

3.1称重校正

由于温差、冲击力、浮尘等因素的影响，传感器承受 载荷与其输出电压之间并非成线性关系，这就造成称 量的线性度发生较大的变化；另外由于ADC的线性度 不够理想，使小称量和大称量区间的线性斜率不一样。 这两种情况都会使称量线性度发生变化，造成某些点的 称量误差较大。采用分段校准称重值和分段计算称重 值，可大大减小称重值的相对误差。

本系统使用了两种校正方法：线性校正和单点校 正。线性校正取零点A、三分之一量程B、三分之二量程 C和满量程D为基点得到三条线段BA、CB和DC，使得每段的称量线性度比只有一条线段时要好。单点校正是 在线性校正的基础上作小偏移补偿，取零点和系统规定 的量程某一点，假设稳定时的零点值为A，选取量程中 的某一点如200g，在放置标准砝码200g时测得的称重 值为m，此时求得比率值为rate =200/m，称重计算时用 此rate值来修正称量值。

3.2软件滤波

软件滤波包含两部分：数据噪声的滤波及两种称重 状态（稳定和不稳定）的判断。因为称重数据在相当长的 时间内是稳定不变的，而引起数据变化的干扰信号则变 化频繁。软件滤波的作用就是设法把两者区分开，只取 平稳的数据作为有效数据进行显示。用于电子秤慢变数 据的滤波方法很多，系统综合采用了权值滤波、均值滤 波、中值滤波和极值滤波等软件滤波方法。首先采用极 值滤波将系统因为干扰而产生的极点去除，然后用中值 滤波法进行平均，在称重状态判断的过程中使用不同的 权值，对数据进行权值滤波。这样就得到了最后要显示 的数据。

称重状态判断要处理三个问题：（1)是否有重量变 化；（2)若无重量变化，显示值保持稳定，保证不受噪声 干扰；（3)若有重量变化，系统要及时反应并显示出来。 传统电子秤的处理方法是取一定量的数据求均值，规定 一个求均值的次数，当次数到达时，对这些均值再作平 均，如果在设定的范围内，则认为是稳定的测量值，反之 则为不稳定测量值，还需要再取更多的数据进行相似的 处理之后才能知道是否稳定。这种方法适 用于均值的范围集中在1/3 ~2/3最小感 量的时候，若最小感量的值降低，则此方 法就无法保证称重值的稳定显示。本系统 解决办法是将测量值转化为实际显示的 称重值，如果称重值没有变化，则认为没 有变化；如果称重值有变化但没有超出 3/2个最小感量，还是认为称重值没有变 化；如果超出了，则要进行一系列的比较 才能确定是否有新的重量加入。经实际测试验证，此方法有效地避免了称重显示值的来回跳动。

4.系统测试结果

4.1称重数据测试

本系统性能的提高关键在于采用了硬件抗干 扰处理和软件滤波处理。图5、图6、图7分别描述 了未经过任何处理、只经过硬件处理和同时经过 硬件与软件处理的称重数据波形。每幅图上的粗 线代表了数据变化的趋势，即基线。从图5可看 出，未经过硬件抗干扰处理的波形基线会漂移；图6中， 经过硬件处理后，基线的漂移消失，但局部仍然会有数 据的波动；图7中再经过软件滤波处理，数据变化更趋平缓，基线基本不变，有利于得到比较稳定的数据。

4.2整机性能测试

表2和表3分别对整机做线性测试和重复性测试。 线性测试的步骤是在零点情况下，每次都是100g向上平缓，基线基本不变，有利于得到比较稳定的数据。

本文介绍了以高性能16位单片机为控制核心的高精密电子秤的设计方法。采用硬件抗干扰和软件滤波等 技术得到了系统性能的提升。测试结果表明，该产品具 有较优异的线性度和重复性，性能指标达到了预期的效果；该产品还具有用户界面友好、操作简单等特点。产品性能处于市场领先地位。