基于CS5532的高精度电子天平设计

　　0　引言

　　电子天平是一种高精度质量计量仪器,是广泛应用于科研、高等院校、工厂、实验室的质量计量标准器具[1],具有称量准确度高、响应速度快、稳定性好、全自动校准、故障自诊断、操作方便等特点。

　　目前,国内生产的电子天平的电路集成度低,大多数采用由运算放大器、比较器等组成的双积分型A/D转换器,且采用模拟电路实现非线性修正和温度补偿,存在电路复杂、调试困难、准确度低、可靠性差等问题。文中选用24位高精度A/D转换器CS5532,结合高性能的基准芯片组成称重数据采集单元, 优化了闭环调节系统的模拟电路,提高了电子天平的集成度和稳定性。运用微处理器MSP430F449进行数字滤波、漂移补偿和线性化处理,保证测量结果的稳定性、重复性和线性度。并开发了基于虚拟仪器的上位机系统,提高了电子天平的可操作性。

　　文中设计的电子天平量程为210 g,精度达到了0·1 mg,线性度≤0·3 mg,具有称量、去皮、百分比测定、计数、净重-总和配方、参考称量、非公有制单位换算、全自动校准、故障自诊断、操作提示等功能。

　　1　电子天平称量原理

　　电子天平采用电磁力平衡传感器,利用电磁力反馈平衡零位法原理[2],实现对被称物体质量的称量。电子天平称量原理如图1所示,图1中虚线方框内为电磁力平衡传感器。称盘加载前,电磁力平衡传感器处于初始平衡状态。称盘加载后,被称量物体的重力使电磁力平衡传感器的可动部分发生位移。遮光片位移使光敏二极管D2感应到D1发出的光,光信号经光电检测电路转换为电压信号。电压信号通过PID调节,向线圈提供一个与被称物体的质量m成正比的电流I. 线圈在永磁体的磁场作用下,将产生向上的力F,使电磁力平衡传感器的可动部分向上移动。遮光片向上移动后,使光电检测电路的输出电压减少, PID积分环节使流经线圈的电流I继续增大,直至可动部分恢复到初始平衡的位置。此时,线圈电流I在永磁体磁场作用下产生的力F与被称量物体的重力相等, 传感器处于平衡状态[3]。于是有:

式中:B为永磁体气隙中的磁感应强度;L为线圈的导线长度;g为重力加速度。

　　由式(1)有:

式(2)为电子天平质量计量的数学模型。

　　图1中,流过载流线圈的电流I通过取样电阻RN转换为电压信号,经信号调理电路后送数据采集电路,微处理器对采集到的称重数据进行数字滤波、漂移补偿、线性处理后输出并显示。

　　2　电子天平硬件电路设计

　　电子天平硬件单元结构如图2所示,主要包括光电检测电路、PID调节与驱动电路、电磁力平衡机构、信号调理电路、数据采集电路、微处理器系统、温度检测模块。称量时,传感器输出的称重信号在闭环系统稳定后,经信号调理电路输出电压作为高精度的A/D转换器CS5532的输入。微处理器通过I/O 端口模拟SPI操作时序控制CS5532对模拟输入进行等间距采样,并对转换结果进行数字滤波、漂移补偿、线性化等软件处理后,输出并显示称量结果。系统中使用12位的数字温度传感器DS18B20实时测量电磁力平衡传感器磁缸内、磁缸壁和外界环境温度,补偿电子天平由于温度变化所产生的漂移。