0 、引言

小量程高精度电子称重系统在许多行业 （如生物制药、珠宝交易、化学分析等）都有重要的应用。 传统上高精度电子称重系统的设计是将称重传感器电桥上产生的微弱信号经滤波放大调理后接入 AD 模数转换器，经单片机处理后得到测量结果。 这种方法会有一个敝病即调理电路中的分立元器件由于温度漂移引起的误差， 也会通过增益电路被放大，从而影响测量精度 [1] 。 如何降低误差、提高精度是学术界与工业界共同关注的难点。 近几年发展起来的高精度 Σ-Δ转换器很大程度上简化了电桥信号的调理电路。 如AD7799 就是其中一款由美国某公司 （ ADI ）最近推出的 Σ-Δ 型 3 通道、高精度、宽动态范围的 24 位ADC ，适用于低频、 高精度工业级转换。 其内置 1 一128 倍增益的低噪声可编程放大器 (PGA) ，可直接同称重传感器相连，放大自称重传感器传来的微弱电信号，对于低速应用中的电阻电桥测量提供了一个完美的解决方案 [2] 。 本文介绍了采用高品质的 Vishay 称重传感器与 24 位高精度 A／D 转换器 AD7799 的小量程电子称重系统的设计及实现方法。 该装置的称重范围是0.3 - 3kg, 称重精度最高可达 0.0001％( 万分之一 ) 。 并详细论述了比率测量工作原理， 硬件电路抗干扰设计和数据滤波处理等技术。 另外系统结合利用 PC 机强大数据处理能力， 能实时对信号进行噪声处理并显示测量结果， 用户可以方便地在视窗软件中对系统进行设置与操作，提高了仪器智能化水平。 

1 、系统组成及原理

电子称重系统由称重传感器、 A／D 转换器、 MCU 处理器、基准电压源、 PC 机五个功能模块组成。 电子称重系统组成框图如图 1 所示。 电子称重系统的工作原理是将作用在承载器上物体的质量 ，通过称重传感器转换为电信号， 信号经过滤波后送入 AD7799 转换器进行放大处理并转化为数字量。在单片机系统中，对采样方式和采样结果进行控制和处理。 单片机将采样得到的数据通过 RS232 串行口传送给 PC 机， PC 机上的应用软件对信号作进一步处理，使测量结果更加准确。通过界面友好，操作方便的视窗软件设计，最终实现称重系统各项功能要求。

2 、系统硬件设计

2.1 称重传感器与 AD7799 转换器

本系统使用台湾某公司性能优异的电阻应变式称重传感器。 根据电阻应变式传感器原理，它的四个应变片构成全桥电路，在重物（或外力）作用下，弹性应变片发生形变，使附着其上的电阻阻值发生变化。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。由于电桥输入的是恒定电压，输出的电压与压力成正比， 据此实现重量测量。 该传感器 量 程 为 0.3-3kg ， 电灵敏度为 2 mV／V ， 非线性误差小于 0.0063%FS. 。 当采用 5V 激励电源供电时， 其满量程输出为10mV 。 由于电桥输出的电压信号非常微弱且存在多种干扰信号， 需要先经过滤波 , 消除干扰信号后送入AD7799 进行放大与模数转换， 实现模拟量的数字化。图 2 为称重传感器与 AD7799 的接 口电路简图。 为达到高精度设计要求， AD 转换器选择非常关键。 本系统采用美国某公司（ ADI ）推出的 Σ-Δ型 24 位转换器 AD7799 。 AD7799 是一款高性能的 A／D 转换芯片，其 RMS 噪声（有效值噪声），在 4.13HZ 转换率下仅为 27nV ，在 16.7HZ 转换率下为 65nv 。 芯片内部有一个极低噪声的斩波稳定仪表放大器 , 可进行 1 一 128倍增益编程放大，可直接同称重传感器相连，放大自称重传感器传来的微弱电信号 [1] 。同时它具有极低非线性度 :0.0015%, 50 Hz 和 60Hz 同步陷波，能消除 50Hz 和60Hz 电源干扰。 AD7799 带有校准功能 , 可进行内部校准和系统校准 , 能有效消除系统通道产生的增益误差和偏移误差。

2.2 比率式测量原理

电子称重系统的电阻应变式传感器一般采用全桥式等臂电桥，在电桥测量线路中，电桥的激励电压影响称重传感器的输出精度。 供桥电压的不稳定将直接导致测量结果的误差，为解决这一问题，目前在电子称重系统的设计中一般采用比率式测量方法 （将称重系统的基准电压同时用作传感器的供桥激励电压） [3] 。 由于供桥电压是由测量仪器的基准电压分压得到， 供桥电压与激励电压成一比例关系。采用比率式测量方式即使电桥激励电压产生变化也不会对测量精度产生影响[3] 。另外比率式测量方式还可以消除检测电路中的温漂和低频噪声对输出精度的影响， 所以本系统设计采用比率式测量。

2.3 单片机与 AD7799 接口电路设计

单片机使用某公司的 Z8F6423 ， eZ8 CPU 的主频达 20 MHz，有64KB 的主存，基本满足设计要求。 AD7799 采用四线制 SPI 通讯方式（数据输入线 DIN 、数据输出线DOUT 、时钟信号线 SCLK 、片选线 CS ）。 AD7799 SPI 通讯方式设置为从模式。 图中 ADC_SCLK 和ADC_DIN 、ADC_DOUT 、 ADC_CS0 与 Z8F6423 单片机的相应 I/O口相连。 在 SPI 通信过程中，单片机对 AD7799 发送各种操作指令， 数据可被同步地接收和发送。 通过对AD7799 的片内 24 位数据寄存器的进行采集， 实现模拟信号向数字量的转化。

2.4 电路抗干扰设计

由于称重系统的高精度性 ， 系统的抗干扰性设计非常重要。 在电路设计方面， 除了设计好信号调理电路， 还需要注意 AD7799 的参考电压以及称重传感器的供电电压的稳定性 ，电压的稳定性直接影响着 A／D测量值的精确性。本系统采用单独一套 5 V 电源供电。对输入的电流再多次使用 ADR421 芯片进行稳压处理。 另外印刷电路板 (PCB) 的布线对于抑制噪声也非常关键。最重要的是接地和电源退耦。在本设计中所有地线放在同一层电路板， 尽可能减少地线阻抗。 使用0.1uF 的瓷片电容和 10uF 的钽电容对 AVDD 和 DVDD电源进行去耦， 这两个电容器都应放在尽可能靠近AD7799 的地方。 数字电路和模拟电路尽可能分开，数字电路区、模拟电路区避免相互交叠。数字电路不要穿越模拟地，以免噪声偶合到模拟地上。元件要尽可能多放地线，信号线尽可能走焊盘面。另外单片机数字输出线存在高频噪声， 直接与 AD 相连会把噪声引入 AD ，降低 AD 转换器的精度， 所以系统采用数字隔离器进行隔离 [4] 。

3 、系统软件设计

3.1 软件滤波

软件滤波算法不需增加硬件设备，使用灵活，功能多样， 可靠性高具有许多硬件滤波措施所不具备的优点。 传统的嵌入式电子称重系统一般采用单片机处理采样数据，受制于资源有限，很难进行复杂的大数据量运算处理。为了提高测量结果的精确度，在本设计中不仅采用多种电路抗干扰设计而且还充分利用 PC 机强大的数据处理能力， 对采集的数据使用多种软件滤波算法，抑制干扰。 系统中可选择的滤波算法有（ 1 ）中值滤波算法，（ 2 ）移动均值算法，（ 3 ）程序判断滤波法（ 4 ）格拉布斯（ GRUBBS ）准则算法 [5] 。 这些算法的使用，大大提高了数据准确性。

3.2 程序设计

称重系统软件设计主要分为单片机数据采集部分和 PC 应用软件部分。 在单片机数据采集部分编程中主要是对 AD7799 芯片编程。 AD779 使用 9 个片内寄存器来控制 AD7799 的工作过程，而且其中有 7 个寄存器可以被直接读写。通过对相关寄存器的设置，可以实现数据格式、通道选择、采样周期、增益设置、校准方式等功能 [6] 。需要注意的是所有对 AD7799 的操作必须先对通信寄存器的写操作开始。通信寄存器中的数据决定对目标寄存器进行读还是写的操作，然后才能对目标寄存器进行操作。 由于 AD7799 是24 位转换器，模数转换需要一定时间，为了得到准确的转换结果，每次采样时应等转换结束后进行，并且等待时间应随AD7799 采样频率的变化而有所不同。图 4描述了 AD7799 测量系统的程序流程。

3.3 实验分析

表 1 对整机做线性测试。 线性测试的步骤是选择标准的测试砝码在系统校准的情况下，经过七次测量，记录结果，然后取 100g 向上叠加。 从测试结果看，系统性能符合设计要求

经实验及现场使用表明， 本称重系统能够满足高精度、高稳定性的要求。 本设计电路简单、 功能强大、可靠性高、 使用灵活、 能满足不同用户的需要，其智能化的人机交互功能以及人性化的数据管理功能体现了当前电子称重仪的发展方向。

 

参考文献：

[1] 美国某公司 . 高性能低成本电子秤的参考设计 [J]. 世界电子元器件， 2006 ， 5 ： 60-63

[2]AD7799 Data Sheet 一 3Channel ， Low Noise ， Low Power ， 16-/24-Bit Sigma-Delta ADC with On-Chip In-Amp[z].Analog Devices Inc.2005

[3] 张安琪， 余柏南。 比率测 量技 术 中应 注 意 的 问题 [J]. 计量技术， 2000 ， 9 ： 21-23

[4] 陈 伟 ，曾 荣 登 . 基于 C S 55 3 2 的高精度自动称重系统设计 [J]. 单片机与嵌入式应用 2008,10:48-51

[5] 郏东耀，杨雷。数字滤波抗干扰技术在 A／D 转换中的应用 [J]半导体技术第， 2003 ， 8 （ 28 ）： 52-54

[6] 余晃晶 , 邱锦明 . 基于 AD7799 的高精度微电信号测试仪的设计与实现 [J] 三明学院学报 ,2008,4 :144-148

 

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