摘 要：介绍了一种用于大型工业称重系统的新型电子称重仪。该称重仪采用了单片机技术，不仅使电路设计简单，便于调试和安装，而且由于软件编制的灵活性，还可以实现信号的自动采集、校正和处理。有效地提高了产品的测量精度，具有较高的可靠性和推广性。
关键词：称重仪，单片机，误差
随着称重技术的不断发展，人们对称重仪的测量精度和自动化程度提出了越来越高的要求。尤其在大型的工业称重过程中，由于现场条件的限制，如果使用传统的机械式或者机电组合式的称重仪，不仅测量精度受到一定的限制，而且不能适应现代化工业多功能称重的要求。目前国外的许多工厂、煤矿已经使用精度很高的电子称重仪。在这一方面，美国、西欧一些国家处于领先地位。据资料证明，以色列ELION工程公司生产的工业称重系统也属于典型的电子称重仪。
我国电子称重仪技术的发展是近几年的事情。在70年代以前，工业称重系统中机械式的称重仪占很大的比例。70年代以后才开始出现电子称重仪。如果在现有电子称重仪的基础上，应用日趋成熟的微处理机软硬件技术及数字处理信号技术，研究一种精度高、功能多的电子称重仪，对现代化的自动生产将有重要的现实意义。
基于这种情况，由太原理工大学测试技术研究所研制开发了一种新型的电子称重仪：OCS-XY型电子称重仪。它是一种能实现如现场称重、累加去皮、超限报警等多功能的高精度电子称重仪。在该系统的设计过程中，由于单片机的应用，使得许多费钱、费工的硬件软件化，并且具有良好的可靠性和稳定性。
1 系统的硬件组成
目前，现有的称重仪存在着以下几个问题：
① 抗干扰能力差。例如环境温度、湿度、压力等因素的影响，都可能导致传感器产生大的误差，从而输出异常数据。
② 精确度很难提高。由于原有的电子称重仪只在硬件设计时进行了误差补偿，因此要想进一步提高精度是很困难的。
③ 输出存在很大的非线性，重复性差。
④ 灵敏度不高。
基于以上提出的几个问题，太原理工大学测试技术研究所在研制的OCS-XY型电子称重仪时进行了一定程度的改进。下文将介绍该电子称重仪硬件系统以及在各个方面的改进，其硬件结构框图如图1所示。
图1 电子称重仪硬件结构框图
① 剪切式传感器
该电子称重仪所使用的传感器是一个粘贴在剪切S形工字梁上的粘贴式电阻应变片。剪切式传感器具有对侧向负荷力不敏感、外型小、安装费用低等优点。它的工作原理是当应变片所附着的工字梁产生形变时，引起应变片敏感栅的电阻发生变化，通过测量电桥电路，可以将这个电阻变化转换成与传感器所受的力成正比的电压输出。通过对该传感器进行的有限元分析得出，粘贴应变片的方向与工字梁的轴线方向呈45°夹角。而且为了防止在实际结构中由于连接部分接触应力分布不均匀和干摩擦的影响，传感器与被测物体之间采用柔性连接结构。
应变片对温度的变化十分敏感，本文中的新型电子称重仪在测量电桥电路中采取温度补偿片法，即全桥接法，使电桥电路两相邻臂由于温度变化而引起的相对电阻变化相互抵消，就起到了温度补偿的效应。经过实验证明，在温度不断变化的情况下，输出基本可以保持不变。
② 测量和放大电路
电子称重仪采用惠斯通电桥作为测量电路。它可以把电阻敏感元件的电阻变化转换为电压变化信号。它的恒压全桥电路可以起到温度补偿的效应。
由于桥路输出的双端信号比较小，不能直接用于测量和输出，因此选用了仪器放大器作为放大电路，它不仅能把差模小信号放大并仍把它转换成双端输出信号，而且对共模信号具有较强的抑制能力。
③ A/D转换器和单片机
该电子称重仪的A/D转换器采用了MAX111芯片，这种芯片采用内部自校准电子技术，可实现14位A/D转换，不需要附加外部元件。MAX111芯片的温度漂移、满量程误差很小，并且对电源波动的抗干扰能力也很强。
该电子称重仪系统采用的单片机是AT89C2051。它是一种具有闪速可编程、可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，该器件采用ATMEL高密度、非易失存储器制造技术，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚兼容。
2 软件编程
该电子称重仪的软件主要以下面两个目标为基础进行开发：
① 软件设计提高精度
由上述分析可知，该称重仪在整个测量系统硬件的各级组成中都进行了不同程度的处理，从而提高了整个称重系统的测量精度。但是，由于硬件设计所受的限制和系统受到外界干扰的影响，在实际称重过程中仍不可避免地产生一些误差。其中包括系统误差、随机误差和疏失误差。因此在该称重仪设计的过程中，经过对系统测量结果的分析处理，编制软件对整个系统进行了补偿和修正，从而使系统的精确度得到很大提高。软件流程图如图2所示。
图2 提高精度的软件处理
② 软件设计实现多功能
为了适应自动化生产过程中的多功能需要，如自动调零、自选量程、线性校正、显示报警等功能，在设计过程中也通过单片机软件编制进行了处理和实现。在实际测量过程中经过用户的现场要求和实际需要，设计出了一套完整的软件系统。基本上满足了用户的要求。软件流程图如图3所示。
图3 系统软件流程图
3 试验结果与分析
在经过以上所述的硬件改进和软件编程提高精度以后， 该性能得到很大提高。为了精确分析它的改善程度，对称重仪系统进行了多次的加载和卸载试验，最后将所得的数据进行了处理和静态分析，计算出了在称重仪的线性范围内的加载和卸载曲线方程如下：
加载方程：y=0.001+1.000 31x+0.000 032x2
卸载方程：y=0.001 3+1.000 46x+0.000 047x2
加载和卸载相应的误差曲线如图4所示。由误差曲线可以看出， 由于软件实现了自动调零、线性校正等，物体重量在小区域范围内时，由系统的电路本身以及外界干扰所带来的零漂影响得到了很好的抑制。当物体重量在大区域范围内变化时，本新型电子称重仪的测量精度有更进一步的提高。
图4 绝对误差图
4 结论
该电子称重仪针对现有的电子称重仪功能简单、性能指标完全依赖于传感器自身的特性，采用单片机软硬件技术及数字信号处理技术，在硬件和软件方面都进行了全面的改善和提高。经过改进后的称重仪不仅大大提高了测量精度，而且实现了自校准，自动调零，自选量程，超限报警等多种功能。操作简便、灵活、准确性高。最后经过多次试验验证，它的最大误差为0.042 2%，超过了国家二级测量仪的标准。此新型电子称重仪系统达到了设计要求，具有较好的可靠性和推广性。
参考文献：
［1］吕俊芳编.传感器接口与检测仪器电路.北京航空航天大学出版社,1994
［2］何立民主编.单片机应用文集.北京航空航天大学出版社,1993
