利用ADI公司加速度倾角计补偿电子称测量误差
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发表于 8/29/2012 10:51:47 PM
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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， 调节过程比较繁琐，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。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。现在就为大家介绍一种根据三轴加速度传感器ADXL345 的倾角检测和称量误差补偿方案。
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，载荷的重力通过秤盘和支柱将其施加到称重传感器，此时，电子秤称重传感器感测到的力为大小与实际重力相等； 当电子秤秤体发生倾斜时，测量值会在水平两个方向上存在两个分力，这与倾角成三角函数关系。
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。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, ADuC7060 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Σ-Δ ADC, ADuC7060 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。
硬件电路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iMEMS 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 μA, 空闲模式下低至0.1 μA。三轴加速度传感器ADXL345 可通过I2C 或SPI接口与微控制器ADuC7060 进行数据的通信和控制,, 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 ADuC7060 的P0.1 相连, SCL/SCLK 与ADuC7060 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ADuC7060 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。
图1 ADXL345原理框图
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性及精度的要求, 将ADXL345 的测量范围配置为±2 g, 精度为4 mg/LSB, 数据刷新率为50 Hz。本文对加速度传感器ADXL345 的输出三轴加速度信号进行中值滤波处理。 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。
系统上电复位后, ADuC7060 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, 程序进入主循环, 不断的查询是否存在按键操作, 若无按键按下, ADuC7060 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。
ADuC7060 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, 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
计算出电子秤的倾角, 再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。
