基于傾斜角度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹悄茈娮映拥奶骄?/h1>

時(shí)間：2017-07-10 07:58:14 來源：本站 點(diǎn)擊數(shù)：765

本文設(shè)計(jì)了一種電子稱重系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)利用加速度傳感器MPU6050測(cè)得系統(tǒng)工作平面的傾斜角度，從而對(duì)電子秤建立稱重補(bǔ)償模型，并提供了基于微處理器STM32的軟、硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，使稱重系統(tǒng)在輕度傾斜的工作平面上仍然能 夠較為準(zhǔn)確的稱重。

引言

由于電子秤的結(jié)構(gòu)以及重力等方而原因，電子秤在稱量 物體時(shí)，其稱量裝置一般都被要求放置在平坦、穩(wěn)固的臺(tái)而 上，在使用前可以通過調(diào)節(jié)調(diào)整腳，使稱重平而與水平而盡 量保持平行。如果一旦產(chǎn)生傾斜角度，那么勢(shì)必會(huì)影響稱重 效果，因此，本文設(shè)計(jì)了一款根據(jù)傾斜角度進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償?shù)?高精度電子稱重系統(tǒng)，有效的解決了由于傾角對(duì)稱重造成的 影響。

1.原理分析

1.1傾斜角度的分析

一個(gè)高精度的電子稱稱重結(jié)果不僅僅取決于合理的機(jī) 械機(jī)構(gòu)、良好的電路配合和高指標(biāo)的傳感器，還要取決丁-稱 重時(shí)是否水平。由于大多數(shù)傳感器都采用了電阻應(yīng)變式傳感 器，當(dāng)物體作用于傳感器時(shí)，其重力會(huì)使傳感器形成一個(gè)微 小的差分電壓信號(hào)，在經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過CPU進(jìn)行處理， 最終得到所稱物體的實(shí)際重量。

當(dāng)由于某種原因稱重系統(tǒng)沒有工作在水平而，工作平而 與水平而存在一夾角0，如圖1所示。秤盤與其屮的被稱物 體也隨之與水平而存在夾角0。從靜力學(xué)角度分析：

式屮：G為物體所受重力；P為稱重傳感器垂直方向上 所受的力；F為水平方向上所受的力。

P垂直作用于稱重傳感器是稱重傳感器設(shè)計(jì)受力的方向， 在允許的范圍內(nèi)，由此方向施力于稱重傳感器電橋，輸出具 有良好的線性力。F平行于稱重傳感器，根據(jù)系統(tǒng)傾斜方向 的會(huì)使傳感器發(fā)生整體拉仲、壓縮、扭曲和變形，會(huì)導(dǎo)致電 橋非線性輸出，但是，傳感器受力方向不是水平方向，由于 傳感器結(jié)構(gòu)的原因，水平方向受力發(fā)生變形的敏感程度要遠(yuǎn) 遠(yuǎn)小于垂直方向，尤其是當(dāng)0和G都很小時(shí)，水平方向上的 分量G sin0更是微乎其微甚至可以忽略。

由此，可以得出，當(dāng)稱處于非水平的情況下，其誤差為： e = G(1 - cos0)⑵

由式（2)可以看出，當(dāng)物體重量相同時(shí)，誤差會(huì)隨著 傾斜角度0的變大而變大。物體重量越大，誤差也就越大。 所以，傾斜角度的大小對(duì)稱重的準(zhǔn)確性上具有非常大的的影

響。

1.2傾斜角度的測(cè)量

本文使用MPU6050加速度傳感器測(cè)量X、Y、Z軸的加速 度，然后根據(jù)重力加速度與傳感器三個(gè)軸的分量關(guān)系，可以 計(jì)算出傾斜角度。

如圖所示，物體水平放置時(shí)的示意圖，X、Y軸加速度都 為0，

 

2.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

補(bǔ)償式智能電子秤主要有：電源模塊、控制模塊、稱重 模塊、檢測(cè)模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊等部分組成。當(dāng)物 體放在秤臺(tái)上時(shí)，稱重傳感器獲得物體的重力，產(chǎn)生差分電 壓信號(hào)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)送到CPU處理，CPU 將處理過后的數(shù)據(jù)送到顯示電路進(jìn)行顯示。

當(dāng)稱重平而與水平而存在一定傾斜角度時(shí)，CPU不斷采 樣加速度傳感器兩個(gè)方向加速度對(duì)應(yīng)的輸出電壓，通過內(nèi)部 A/D轉(zhuǎn)換器得到可運(yùn)算的數(shù)字量，再經(jīng)過一定方法的計(jì)算判 斷出稱重系統(tǒng)工作平而的傾斜程度，根據(jù)不同的傾斜程度再 進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，即可得出經(jīng)過補(bǔ)償?shù)姆Q重?cái)?shù)值或進(jìn)行報(bào)警 提示。整體框圖如圖3。

2.3傾斜角度數(shù)據(jù)處理

由于電子稱的傾斜角度是通過加速度傳感器測(cè)量得來 的，所以傾斜角度的準(zhǔn)確性將會(huì)嚴(yán)重影響到整個(gè)系統(tǒng)的補(bǔ)償 效果，為了能夠得到穩(wěn)定可靠的傾斜角度，將加速度傳感器 MPU6050輸出值進(jìn)行卡爾曼濾波處理。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析

將系統(tǒng)分別置于0°、5°和10°的傾斜角度下，進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)，分別取20g、50g、100g和200g的標(biāo)準(zhǔn)砝碼置于秤盤 上，獲得的補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的重量及相關(guān)誤差如下表所示：

從表屮可以看出，誤差最大的達(dá)到了 3.87g，對(duì)其進(jìn)行 補(bǔ)償后，誤差降到了 0.12g，并且隨著傾斜角度的增加，誤 差也越來越大，進(jìn)行傾斜角度補(bǔ)償后，其系統(tǒng)的性能有了大 幅度提升。

4.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于MPU6050加速度傳感器的傾斜角度 檢測(cè)補(bǔ)償?shù)碾娮臃Q，降低了稱體傾斜對(duì)稱重系統(tǒng)造成的誤差。 分別分析了傾斜角度的影響、傾斜角度的測(cè)量及傾斜角度的 補(bǔ)償模型，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件，并且使用了卡爾曼濾波進(jìn)行 了數(shù)據(jù)處理，獲得了更加準(zhǔn)確穩(wěn)定的傾斜角度。最后，進(jìn)行 了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本系統(tǒng)能夠很好的解決傾斜角 度對(duì)稱重的影響.

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