CN108051068B - 一种基于四通道重量测量矫正方法 - Google Patents

一种基于四通道重量测量矫正方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于四通道重量测量矫正方法，四通道电子称的四个传感器接入四个测量半桥模块，四个半桥组合成3组全桥与1组假全桥，四个半桥组合成3组全桥与1组假全桥进行ADC量测，并通过这四个ADC数字量转换为重量，并得出每个传感器的灵敏值K，该装置的各个传感器的灵敏度值K均能计算得出，各通道得到的测量数据更为精准，因此该装置比传统的人体电子称可以测量的更为准确。

Description

一种基于四通道重量测量矫正方法
技术领域
本发明属于计量技术领域，特别涉及一种基于四通道重量测量矫正方法。
背景技术
传统的四秤脚秤传感器部分工作原理，如图1所示:定义VREF的电压为UREF，S+的电压为US+,S-的电压为US-。理论上，传感器的每个阻值相等(实际的传感器生产过程中，每套传感器要进行配对，以1KΩ阻值的传感器为例，同一套传感器内的每个电阻的偏差小于8Ω)，也就是R1＝R2＝R3＝R4＝R5＝R6＝R7＝R8＝R；假设四只秤脚受力均匀，当秤加载时，R1 R2 R5 R6阻值变小，R3 R4 R7 R8阻值变大。每个传感器的阻值变化量相同为△Rn。根据串联电阻求电压的公示，则US+＝UREF*[(R+△Rn)/2R]；US-＝UREF*[(R-△Rn)/2R],则S+S-所组成的差分电压信号Ud＝US+-US-＝UREF*(△Rn/R)。Ud由AD转换电路可以测量出电压值，UREF为常数，R为常数，可以计算出△Rn＝K*Ud,K＝R/UREF；而△Rn与秤加载的重量成线性关系，通过校准和重量计算可换算出具体的重量值。所述的K值为理论的每个传感器的灵敏值，但是其实每个传感器的灵敏值实际上是不同的，这样在称量时系统归总就会产生误差，尤其是当秤的四脚的其中一脚不着地时，其采集平均量误差更大，更为不准确。
发明内容
本发明的目的是针对现有的电子秤取量存在的问题，而提供一种基于四通道重量测量矫正方法。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：四通道测量电子秤包括壳体，壳体四脚的传感器、信号放大功能单元、AD转换功能单元、中央控制单元、数据储存单元、显示单元，其特征在于，所述壳体四脚的四个传感器接入四个测量半桥模块，四个半桥组合成3组全桥与1组假全桥。
四通道电子称的测量方法包括以下几个步骤：四个半桥组合成3组全桥与1组假全桥进行ADC量测，并通过这四个ADC数字量转换为重量，计算方式如下；
A、称重时：
第1组量测得到的ADC内码为A1；
第2组量测得到的ADC内码为A2；
第3组量测得到的ADC内码为A3；
第4组量测得到的ADC内码为A4；
B、抓取零点时：
第1组量测通道对应的零点的ADC为Z1；
第2组量测通道对应的零点的ADC为Z2；
第3组量测通道对应的零点的ADC为Z3；
第4组量测通道对应的零点的ADC为Z4；
C、由以上称重时得到的ADC与抓取零点时得到的ADC可以计算出4个半桥变化，并定义4个半桥的变化值分别为VAI0、VAI1、VAI2、VAI3。
并得出4关系式①为：
VAI3+VAI0＝Z1-A1
VAI3–VAI1＝Z2-A2
VAI3+VAI2＝Z3-A3
VAI3＝Z4-A4
定义Z1-A1＝N1 Z2-A2＝N2 Z3-A3＝N3 Z4-A4＝N4上述关系式①可简化为关系式②：
VAI3+VAI0＝N1
VAI3–VAI1＝N2
VAI3+VAI2＝N3
VAI3＝N4
D、由关系式②可得出每个传感器loadcell的变化量：VAI0＝N1-N4；
VAI1＝N4-N2；VAI2＝N3–N4；VAI3＝N4。
在校正时会得出已知：
loadcell1对应的校正gain值为K1；
Loadcell2对应的校正gain值为K2；
Loadcell3对应的校正gain值为K3；
Loadcell4对应的校正gain值为K4；
重量的计算式为：Weight＝K1*VAI0+K2*VAI1+K3*VAI2+K4*VAI3Weight＝K1*(N1-N4)+K2*(N4-N2)+K3*(N3-N4)+K4*N4
本发明的K值矫正方法如下：
a、进入校正流程时显示第1组通道量测到的ADC内码值，并且通过按键可以切换不同组量测通道的ADC内码值；
b、进入重量校正流程时，保持称台上无砝码，然后显示ADC内部，当获取到稳定的四组通道的零点后自动显示设定值“X”，把重量为X克的砝码放置在loadcell1对应的传感器角位，会显示第1组量测通道的ADC内码，这时保存该校正位置的四组ADC内码值；
c、把X克的砝码放置于loadcell2对应的角位，显示第2组通道的ADC内码并当获取到该校正位置稳定的ADC数据后保存；
d、把X克的砝码放置于loadcell3对应的角位，显示第3组通道的ADC内码并当获取到该校正位置稳定的ADC数据后保存；
e、把X克的砝码放置于loadcell4对应的角位，显示第4组通道的ADC内码并当获取到该校正位置稳定的ADC数据后会自动计算每个loadcell的gain值存在，存储后退出校正；
f、第1次得到四组通道的ADC减去对应方向零点的ADC值分别为A1、B1、C1、D1，
第2次得到四组通道的ADC减去对应方向零点的ADC值分别为A2、B2、C2、D2，
第3次得到四组通道的减去对应方向零点的ADC值分别为A3、B3、C3、D3，
第4次得到四组通道的减去对应方向零点的ADC值分别为A4、B4、C4、D4，
g、设砝码的重量为W，并设
loadcell1对应的gain值为K1；
loadcell2对应的gain值为K2；
loadcell3对应的gain值为K3；
loadcell4对应的gain值为K4；
W＝(A1-D1)xK1+(D1-B1)xK2+(C1-D1)xK3+D1xK4
W＝(A2-D2)xK1+(D2-B2)xK2+(C2-D2)xK3+D2xK4
W＝(A3-D3)xK1+(D3-B3)xK2+(C3-D3)xK3+D3xK4
W＝(A4-D4)xK1+(D4-B4)xK2+(C4-D4)xK3+D4xK4
Figure GDA0002217398920000041
Figure GDA0002217398920000042
通过求四阶行列式的运算可以得出每个半桥所对应的GAIN值分别为K1、K2、K3、K4的值。
与现有技术相比，该装置的各个传感器的灵敏度值K均能计算得出，各通道得到的测量数据更为精准，因此该装置比传统的人体电子称可以测量的更为准确。
附图说明
图1是现有技术的传感器接入电路图。
图2是本发明的传感器接入测量模块与中央控制单元的电路图。
图3是传感器接入测量模块的放大图。
图4是电子秤矫正时的砝码安放顺序图。
图5是电子秤的全部单元模块的连接关系图。
图中，1、中央控制单元；2、测量模块；3、砝码；4、电子秤；5、电源；6、传感器；7、信号放大功能单元；8、按键单元；9、AD转换功能单元；11、显示单元；12、数据存储单元。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
图5所示，四通道电子称包括壳体，壳体四脚的传感器6、信号放大功能单元7、AD转换功能单元9、中央控制单元1、数据储存单元、显示单元11，以及为整个系统提供电能的电源5、输入的按键单元8，各单元电性连接。壳体四脚的四个传感器6接入四个测量半桥模块2，四个半桥组合成3组全桥与1组假全桥。
四个半桥的电子秤4是按照图3的量测方式进行配对，组合成3个全桥与一个假全桥进行ADC量测，并通过这四个ADC数字量转换为重量，计算方式如下。
称重时：
第1组量测得到的ADC内码为A1；
第2组量测得到的ADC内码为A2；
第3组量测得到的ADC内码为A3；
第4组量测得到的ADC内码为A4；
抓取零点时：
第1组量测通道对应的零点的ADC为Z1；
第2组量测通道对应的零点的ADC为Z2；
第3组量测通道对应的零点的ADC为Z3；
第4组量测通道对应的零点的ADC为Z4；
由以上图形的量测方式称重时得到的ADC与抓取零点时得到的ADC可以计算出4个半桥变化，并定义4个半桥的变化值分别为VAI0、VAI1、VAI2、VAI3。
并得出4关系式①为：
VAI3+VAI0＝Z1-A1
VAI3–VAI1＝Z2-A2
VAI3+VAI2＝Z3-A3
VAI3＝Z4-A4
定义Z1-A1＝N1 Z2-A2＝N2 Z3-A3＝N3 Z4-A4＝N4上述关系式①可简化为关系式②：
VAI3+VAI0＝N1
VAI3–VAI1＝N2
VAI3+VAI2＝N3
VAI3＝N4
由关系式②可得出每个loadcell的变化量：VAI0＝N1-N4；VAI1＝N4-N2；VAI2＝N3–N4；VAI3＝N4。
在校正时会得出已知：
loadcell1对应的校正gain值为K1；
Loadcell2对应的校正gain值为K2；
Loadcell3对应的校正gain值为K3；
Loadcell4对应的校正gain值为K4；
重量的计算式为：Weight＝K1*VAI0+K2*VAI1+K3*VAI2+K4*VAI3Weight＝K1*(N1-N4)+K2*(N4-N2)+K3*(N3-N4)+K4*N4
校正流程：
系统上电之前通过按键单元8输入，进入校正模式先对两个touch key做校正，校正完touch key后再对重量进行校正。这里的touch key0与touch key1分别对应图2所示的中央控制单元1的PT2.4与PT2.5连接的PAD。
Touch key校正步骤：
进入较正步骤时LCD面板首先会显示“KEY 0”这个画面大约500ms会自动显示touch key0 timerB计时的数值。
手触控touch key 0以后LCD面板会显示“KEY 1”这个画面大约500ms会自动显示touch key1 timerB计时的数字。
手触控touch key 1以后会进入重量的校正流程。
重量的校正步骤：
进入校正流程时显示第一组通道量测到的ADC内码值，并且通过touch key0可以切换不同组量测通道的ADC内码值。例如显示第三组通道的ADC内码值时，按touch key0切换时LCD面板会先显示“2”大概500ms在自动显示该组通道的ADC内码值。
进入重量校正流程时，保持电子秤4上无砝码3再触控touch key1，LCD面板会显示“Zero”1S左右后显示ADC内部，当获取到稳定的四组通道的零点后自动闪烁显示“2000”。图4所示，把2000g的砝码3放置在loadcell1对应的角位，触控touch key1会显示第一组量测通道的ADC内码，这时触控touch key1后保存该校正位置的四组ADC内码值，LCD面板显示“1”。
把2000g的砝码3放置于loadcell2对应的角位，触控touch key1显示第二组通道的ADC内码并当获取到该校正位置稳定的ADC数据后LCD面板自动显示“2”。
把2000g的砝码3放置于loadcell3对应的角位，触控touch key1显示第3组通道的ADC内码并当获取到该校正位置稳定的ADC数据后LCD面板自动显示“3”。
把2000g的砝码3放置于loadcell4对应的角位，触控touch key1显示第4组通道的ADC
内码并当获取到该校正位置稳定的ADC数据后会自动计算每个loadcell的GAIN值存在，EEPROM后退出校正。
第1次得到4组通道的ADC减去对应方向零点的ADC值分别为A1、B1、C1、D1
第2次得到4组通道的ADC减去对应方向零点的ADC值分别为A2、B2、C2、D2
第3次得到4组通道的减去对应方向零点的ADC值分别为A3、B3、C3、D3
第4次得到4组通道的减去对应方向零点的ADC值分别为A4、B4、C4、D4
假设砝码3的重量为W
并假设
loadcell1对应的gain值为K1；
loadcell2对应的gain值为K2；
loadcell3对应的gain值为K3；
loadcell4对应的gain值为K4
W＝(A1-D1)*K1+(D1-B1)*K2+(C1-D1)*K3+D1*K4
W＝(A2-D2)*K1+(D2-B2)*K2+(C2-D2)*K3+D2*K4
W＝(A3-D3)*K1+(D3-B3)*K2+(C3-D3)*K3+D3*K4
W＝(A4-D4)*K1+(D4-B4)*K2+(C4-D4)*K3+D4*K4
Figure GDA0002217398920000091
Figure GDA0002217398920000092
通过求四阶行列式的运算可以得出每个半桥所对应的GAIN值分别为K1、K2、K3、K4的值。
测量流程
传感器6信号的量测是通过HY13P53内部18bit全差动Σ△ADC并结合内部最大128倍的PGA进行放大且把它转换为数字量。其次传感器6的供电电压与ADC的参考电压由HY13P53内部四段可以调整的LDO提供并配置LDO的输出电压为2.4V，ADC的参考电压输入配置为AI5对AI6的1/2倍。另外对于ADC的采样频率ADC_CK设置为500KHZ，为了满足四脚称的量测OSR设置为2048，这样等效ADC的输出频率为244HZ.。
对于HY13P53四脚称的应用，在ADC量测通道配置方面为了满足信号稳定性与得到每个半桥称重时形变量所对应的信号，ADC量测如前章节所述会有四组不同的量测通道。第一组AI3与AI0通道对应量测loadcell4正向与loadcell1反向两个半桥配对为全桥的差分信号，第二组AI3与AI1通道对应量测loadcell4正向与loadcell2正向两个半桥配对为全桥的差分信号，第三组AI3与AI2通道对应量测loadcell4正向与loadcell3反向两个半桥配对为全桥的差分信号，第四组AI3与AI4通道对应量测loadcell4与两颗1K 0.1％电阻分压配对的假全桥的差分信号。通过这量测到的四组ADC值经过换算可得出每个半桥所对应的ADC值，每个半桥所对应的ADC值乘以校正时得出的每个半桥的gain就可以得到当前称重的重量。

Claims (1)

1.一种基于四通道重量测量矫正方法:其特征在于，
电子称四脚的四个传感器接入四个测量半桥模块，四个半桥组合成3组全桥与1组假全桥进行ADC量测，并通过这四个ADC数字量转换为重量，传感器loadcell依以下步骤矫正：
a、进入校正流程时显示第1组通道量测到的ADC内码值，并且通过按键可以切换不同组量测通道的ADC内码值；
b、进入重量校正流程时，保持称台上无砝码，然后显示ADC内部，当获取到稳定的四组通道的零点后自动显示设定值“X”，把重量为X克的砝码放置在loadcell1对应的传感器角位，会显示第1组量测通道的ADC内码，这时保存该校正位置的四组ADC内码值；
c、把X克的砝码放置于loadcell2对应的角位，显示第2组通道的ADC内码并当获取到该校正位置稳定的ADC数据后保存；
d、把X克的砝码放置于loadcell3对应的角位，显示第3组通道的ADC内码并当获取到该校正位置稳定的ADC数据后保存；
e、把X克的砝码放置于loadcell4对应的角位，显示第4组通道的ADC内码并当获取到该校正位置稳定的ADC数据后会自动计算每个loadcell的gain值存在，存储后退出校正；
f、第1次得到四组通道的ADC减去对应方向零点的ADC值分别为A1、B1、C1、D1，
第2次得到四组通道的ADC减去对应方向零点的ADC值分别为A2、B2、C2、D2，
第3次得到四组通道的减去对应方向零点的ADC值分别为A3、B3、C3、D3，
第4次得到四组通道的减去对应方向零点的ADC值分别为A4、B4、C4、D4，
g、设砝码的重量为W，并设
loadcell1对应的gain值为K1；
loadcell2对应的gain值为K2；
loadcell3对应的gain值为K3；
loadcell4对应的gain值为K4；
W＝(A1-D1)xK1+(D1-B1)xK2+(C1-D1)xK3+D1xK4
W＝(A2-D2)xK1+(D2-B2)xK2+(C2-D2)xK3+D2xK4
W＝(A3-D3)xK1+(D3-B3)xK2+(C3-D3)xK3+D3xK4
W＝(A4-D4)xK1+(D4-B4)xK2+(C4-D4)xK3+D4xK4
Figure FDA0002217398910000021
Figure FDA0002217398910000022
通过求四阶行列式的运算可以得出每个半桥所对应的GAIN值分别为K1、K2、K3、K4的值。
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