1 前言
笔者在研制无线遥控 、遥测电子吊秤及单遥测电子吊秤的过程中， 利用单片机的智能特点，对称重传感器出来的微伏直流信号进行自动测量、实时处理。并利用软件的灵活性， 对测量数据消除漂移、排除干扰、采用二次编码技术发送。
二次解码后， 进行准确度调校、标度变换、实时记录显示打印等， 减小了硬件电路。下面主要介绍单遥测电子吊秤。
2 系统设计
2.1 系 统 构 成 及 工 作 原 理
被测量的信号由传感器变换成电信号送到线性放大器放大，经A/ D 转换送到单片机系统实时处理后，通过软件编码技术进行二次编码送到发射机发射测量的信号。地面接收机收到信号后，送到单片机系统进行二次解码，再实时处理、储存、打印， 并送到主计算机联网。
2.2 A/ D 转换器设计
(1)  称重传感器出来的μ v 信号经放大器 （ ICL7650） 放大， 后面的硬件电路构成双积分A/D 转换电路。由于市场的A/D 集成电路转换器转换速率较慢、转换精度较低、转换计数值固定、价格偏高，为此用散件设计了双积分A/D转换电路。由于利用了单片机， 所以上述缺点全部得到了解决。

双积分A/ D 转换电路由电子开关（ 74HC4066 ）、积分器（ 1/ 2LF353 ）、比较器（ 1/2LF353）、与门（74HC08）、计数器（ 89C51的内部计数器） 和控制逻缉（ 89C51） 等组成。它是将未知电压VX 转换成时间值来间接测量的， 所以也叫V-T 型A/D。一次A/D 转换时，单片机的控制逻缉先把电子开关接地（GND），放掉电容上的电荷， 进行系统校零。然后控制逻辑把电子开关接到VX 采样输入到积分器， 积分器从0V 开始进行固定时间T 的正向积分。时间T 到后， 电子开关将与VX 极性相反的基准电压VREF 输入到积分器进行反向积分，到输出为0V时停止反向积分。

由积分器输出波形可以看出，反向积分时积分器的斜率是固定的，VX 越大， 积分器的输出电压越大、反向积分时间越长。计数器在反向积分时间内所记的数值就是与输入电压VX 在时间T 内的平均值对应的数字量。
由于控制逻辑是单片机 、定时器和记数器 ，时钟频率可提高到24MHz，A/D 转换时间相应加快。又因单片机的内部定时器可通过软件调整， 故增加了积分器对VX 采样从0V 开始的正向积分固定时间T， 即提高了双积分A/ D 转换电路的转换精度。以提高固定时间T 来提高转换精度， 是以牺牲时间T 为前提。当时钟频率是24MHz、校零时间为20ms、正向积分的固定时间为40ms 时，双积分A/D 转换电路的转换精度可以达到52 万内码。当VX 最大时， A/ D 转换时间为每秒钟14 次左右。比市场上的A/D 集成电路转换器的转换精度提高了26 倍， A/ D 转换时间提高了4.5 倍（ ICL7135 为2 万码， 转换时间为每秒钟3 次）， 且比市场上同转换精度的
A/ D 集成电路转换器价钱少20 倍左右。
(2) 单 片 机 软 件 设 计
它 是 用 MCS- 51 汇编语言编写的。当程序开始运行时， 首先系统初始化， 然后置P1.5 口线，接通接地电子开关， 调用定时20ms 子程序， 进行系统校零20ms； 清P1.5 口线， 置P1.6 口线，接通VX 电子开关， 调用定时40ms 子程序， 对固定时间T 的正向积分为40ms； 当正向积分时间到后，清P1.6 口线，置P1.7 口线，接通VREF电子开关，对基准电压反向积分； 同时单片机内
部计数器清零， 进行对外部时钟计数， 当INT0口线为低时， 停止记数器计数， 读出计数器数值送到内部读写存储器。至此完成了整个A/D 转换过程，然后再重复以上过程即可。如果嫌A/D转换精度不够高， 可以调用两次定时40ms 子程序， 对固定时间T 的正向积分为80ms， 从而双积分A/D 转换电路的转换精度可以达到100 万内码。也可以任意定时，从而达到所要求的A/D转换器的转换精度。再把数据进行一定的编码，通 过 单 片 机 的 内 部 串 行 口 送 到 发 射 机 传 送 。
2.3 消除零漂
零位的稳定性是影响系统测量精度的重要因素。温漂和时漂， 统称零漂， 是硬件电路设计中不可避免的。如果用硬件来补偿而克服零漂，电路非常复杂， 也难以得到满意的结果， 但是利用单片机就很好地解决了这个问题。
(1) 开 机 自 动 清 零
在 测 量 系 统 中 ， 零输入信号时 ， 整个测 量 系统的输出应为零。但由于零漂的存在， 零输入信号时输出不为零，此时的输出值就是系统的零位漂移值。所以单片机把检测到的零位漂移值存入内存中，以后在每次测量中都减去这个零位漂移值， 就实现了开机自动清零。
(2) 零 点 自 动 跟 踪
经 过 开 机 清 零 处 理 后 的 零 位 ， 仍 会 发 生 漂移， 且是非线性的， 所以有必须随时进行修正，利用单片机软件可方便地实现零点自动跟踪。
不 论 是 何 种 原 因 所 引 起 的 漂 移 ，在一个很短的时间范围内，其漂移输出的增量ΔX 总是很小的。因此在Δ t 时间内， 应对本次采样输出值和上次采样输出值之差ΔX 进行判断。如果ΔX 小于原设定值， 则认为该ΔX 是在Δ t 时间内系统所产生的零点漂移。将此增量ΔX 加到原暂存的零位漂移补偿值中， 本次采样值仍为上次采样值。如果ΔX 大于设定增量， 则为正常输出， 采样值减去零位漂移值。即实现了零点自动跟踪。Δ t 的选择： 采用本次采样到下一次采样这一周期时间为Δ t。ΔX 的选择： 它跟最大量程选择有关，在具体测量系统中通过调整获得。
2.4 数字排除干扰技术
一 般 测 量 系 统 的 输 入 信 号 均 含 有 种 种 噪 声和干扰， 为了进行准确测量与控制， 必须尽可能地排除。所谓数字排除干扰（ 数字滤波） 技术，就是通过一定的计算或判断程序以减少干扰在有用信号中的比例。所以数字排扰实质上是一种程序排扰或软件排扰。软 件 编 写 中 ， 采 用 滑 动 平 均 值 法 。滑动平均值法是将存放N 个数据的存储器组成循环队列，队列的长度固定为N。每进行一次新的测量后，把结果依次放入队尾而自动充销原队首的数据。这样队列中始终有N 个“最新”数据。每次测量后对队列中的N 个数据计算一次平均值，使系统的数据更换率与测量频率一致，而与N 无关。滑动平均值法即达到N 次平均值排扰的效果，又达
到快速更换数据的要求。具体公式如下：

式 中 ： Y(k) — 第 K 次滤波后的输出值X(k- i) — 依 次 向 前 递 推 i 次的采样值n — 滑动平均顶数滑动平均 顶 数 n 的选取是较重要的环节： n过大，平均效果好，但对参数变化的反应不灵敏；n 过小， 滤波效果不显著。如果不能有限地克服随机误差 ，可采取一阶递推滤波， 其算式如下：
Y(k)＝ (1- Q)Y(k- 1)+ QX(k)式 中 ：Q— — 滤波系数， 为0＜Q＜ 1
X(k)— — 第k 次采样值
Y(k)— — 第k 次滤波后的输出值
Y(k- 1)— — 第k- 1 次滤波后输出值
2.5 显示准确度调校
笔 者 以 前 设 计 的 电 子 吊 钩 秤 前 置 放 大 器 ，准确度调校是调整放大器放大量，即用电位器来调校。由于电位器调整不方便且不稳定， 造成放大量变化， 使显示称重数据发生变化。后来的设计中， 放大器接固定电阻， 在软件内部乘以ΣK 值来达到调整放大量。并在单片机接口线上接12个平拨开关， 顺序接通开关DSW1- 12 增加计数值。准确度调校程序最重要的一条是建立实时显
示值与A/D 计数关系的数学模型。假设实时显示值为重量W， 相应的计数为WCNT， 初始显示值WZ，相应的计数为WCMTZ，净重为WN，相应的计数为WCMTN。设A/D 最大计数18000，分度数3000， 且d 代表分度值。设d＝ 6 计数， 则它们的关系应为：
WCMTN＝ 6WW/ d WW＝W-WZ按照上式 ，以W 为横坐标，WCNT 为纵坐标，描绘出的净重－ 计数曲线如图5。图中共有4 条
斜线，其中I 线是总重量与计数关系的曲线。将I 线向下平移， 即减去零位计数WCWTZ，就变成净重与计数关系的II 线。由于平拨开关对应准确度的计数调整只能增加不能减少，为防止未接通开关， 满载计数值出现超过要求线（18000）。的情况。故软件将II 线乘以一系数， 使要求线变成III 线。要求线的斜率小于I 线的斜率。当调整平拨开关时，III 线就能调整到标准线， 即18000 计数。具体计算公式如下：

从零点到满载标准计数值连一条直线 ，是通过软件实现的，即满载准确度可由软件调校或补偿。重量的非线性由传感器和模拟电路的性能来决定。因此一个线性很好的传感器和模拟电路，任何点调校准确度都可以， 而以满载效果最好。
2.6 实时标度变换
一 般 的 测 量 系 统 都 存 在 标 度 变 换 问 题 ，这是因为被测量对象的数据的量纲与放大器和A/D转换器的输出值并不是一样的。例如电阻的单位是欧姆（ Ω ），温度的单位是摄氏度（ ℃ ）， 物重的单位是公斤（ Kg）。这些参数经传感器转换成电压放大后， 再经A/D 转换成数码， 所得结果的数值并不一定等于原来带有量纲的参数值，它只对应于参数值的大小。故必须将其转换成带量纲的数值后显示打印， 这种转换称为标度变换。标度变换一般分为线性参数 度变换和非线性参数标度变换。
线性标度变换的前提是参数值与模数转换的结果之间是线性关系。若输入信号为零时， 模数转换输出值不为零。则标度变换公式为：
Y＝ (Ymax- Ymin)(X- Nmin)/ (Nmax- Nmin)+ Ymin
其 中 ：Y－ 参数测量值（ 工程量）
Ymax－ 参数量程终点值
Ymin－ 参数量程起始值
Nmax－ 量程终点所对应的模数转换结果
Nmin－ 量程起点对应的模数转换结果
X－ 测量值所对应的模数转换输出值
其 中 ，Ymin、Ymax、Nmin、Nmax 对于某一固定的被测量参数来说是常数，对于不同的被测参数它们有不同的值。由于基于单片机的测量系统， 可以随被测对象的不同用软件的方法来进行不同的标度变换，所以它是一个智能化很强的自动测量系统，而且
很容易作成多功能的综合测量系统。
3 结论
基于单片机的测量系统很容易使其具有实时自检、自校、自消漂移、数字滤波、准确度调校、标度变换、实时显示等功能。如果再把这样的测量系统与所得结果通过D/A 转换等和其它执行器件联接起来，再加上单片机灵活多变的计算能力和转判功能，将会使传统的自动化系统跃入智能化的新纪元。
该 无 线 遥 测 电 子 吊 秤 系 统 自 1986 年研制出来后，称重数据优于国颁A 三级秤的标准，且性能稳定，顺利通过了国家技术监督局的鉴定。其产值达140 多万人民币，利润为60 多万人民币，获得军队科学技术进步三等奖，是很好的军转民项目。它还可以和主计算机（PC） 终端联网，采用人机对话形式， 操作方便， 使用简单， 数据库的检索快捷， 并且可根据硬盘的大小， 存储多
达上万组的称重数据。而且可以通过选择不同的地址码联接多个称重系统同时显示，形成称重网络系统。如果选择不同的传感器， 如选用温度传感器、流量传感器、压力传感器等等、就变成了不同用途的测量系统， 使之变成了一个高精度、多用途、多功能、通用性强的带有数据库功能的无线遥测实时测量系统。

 

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