一種高穩定性和高精度的測量電路及自動測量方法與流程
2024-04-13 18:26:05
1.本發明涉及環衛領域中的車載稱重系統，尤其涉及一種高穩定性和高精度的測量電路及自動測量方法。
背景技術：
2.近年來隨著城鄉一體化進程的推進和發展，同時伴隨著物聯網技術的普及和推廣，智慧城市建設逐漸被提上日程，智慧環衛作為智慧城市建設的重要組成部分，其呼聲也是越來越高。但是智慧環衛是需要有明確的智慧環衛管理指標體系，以指導、評估各地智慧環衛的建設，如根據人口、面積、自然條件等設計垃圾收集模式、運輸模式、處置模式等。智慧環衛，依託物聯網技術與移動網際網路技術，對環衛管理所涉及到的人、車、物、事進行全過程實時管理，合理設計規劃環衛管理模式，提升環衛作業質量，降低環衛運營成本，用數字評估和推動垃圾分類管理實效。
3.同時垃圾車收運稱重和監管系統也是隨處可見。但受限於客觀外在條件，目前現有的稱重系統存在下列缺陷或不足
4.①
由於半導體元器件的的固有屬性，隨著溫度的變化和時間的延長，測量電路必然會發生運放零點漂移和量程漂移，測量數據穩定性變得不可靠。
5.②
整個稱重系統收集過程中，收集物輕的時候1-2公斤，重的時候300-400公斤或更重，如果只是用一個量程，一個校準係數，由於稱重機構的影響，傳感器各個稱重點變化不成比例，得到的結果準確性必然大打折扣。
技術實現要素：
6.為了解決上述問題，本發明的第一目的在於提供一種高穩定性和高精度的測量電路，該電路將受溫度和時間影響的不可控電路參數，即零點漂移，量程漂移完全抑制了，保證電路長期測量參數的穩定性和準確性。
7.為了實現上述的目的，本發明採用了以下的技術方案：
8.一種高穩定性和高精度的測量電路，包括沿電流方向連接的前置輸入電路、運算放大電路、量程切換電路、a/d轉換電路和mcu單元；其特徵在於：所述前置輸入電路包括能夠切換接入的測量對象輸入支路s1、接地輸入支路s3和參考電壓輸入支路s2；參考電壓輸入支路s2接入時，通過電路參數變化前的mcu單元的讀數vrn，以及在電路參數變化後的mcu單元的讀數vrn
′
，獲取電路變化係數λ；測量對象輸入支路s1接入時，基於電路變化係數λ對電路參數變化前的mcu單元的讀數vn，得到修正測量結果vn。
9.本發明採用上述技術方案，該技術方案涉及一種高穩定性和高精度的測量電路，該高穩定性和高精度的測量電路包括前級電路、中級電路、後級電路3部分組成，其中前級電路由測量對象輸入支路s1、接地輸入支路s3和參考電壓輸入支路s2組成，中級電路由運算放大器、量程切換電路、a/d轉換電路組成，後級主要由數據處理mcu電路組成。
10.此方案中，當接地輸入支路s3的接入時，vin＝vgnd＝0v，其mcu讀數可獲知零位初
始值vn1＝k1v01+v0，包含零點漂移，量程漂移。然接入參考電壓輸入支路s2，通過電路參數變化前的mcu單元的讀數vrn，以及在電路參數變化後的mcu單元的讀數vrn
′
，獲取電路變化係數λ，即可修正測量結果vn，進而將受溫度和時間影響的不可控電路參數，即零點漂移，量程漂移完全抑制了，保證電路長期測量參數的穩定性和準確性。
11.作為優選，所述參考電壓輸入支路s2採用同一個排組內兩電阻均壓，不會隨時間和溫度發生變化。
12.作為優選，所述測量對象輸入支路s1和參考電壓輸入支路s2之間通過第二繼電器(rly2)控制接入，接地輸入支路s3之間通過第一繼電器(rly1)控制接入。採用小功率繼電器作為選擇開關，而不是半導體模擬開關，其成本低，且受溫度和時間影響小，保證了硬體電路參數的穩定性。
13.在進一步的優選方案中，所述量程切換電路包括放大器，以及連接於放大器負接入端上遊的電阻r1，以及能夠切換連接放大器的的第一量程支路、第二量程支路和第三量程支路；第一量程支路、第二量程支路和第三量程支路均分別包括與放大器的正輸入端相連接的第一電阻rx，以及與放大器並聯的第二電阻ry,第二電阻ry的一端連接於電阻r1與放大器的負輸入端之間，另一端連接於放大器的輸出端上；所述第一電阻rx的另一端接地，rx＝r1//ry，該量程支路的量程係數為kn＝ry/r1。
14.此方案中，考慮到在稱重系統回收過程中，可能收集的重量差異較大，故本方案設置了多條量程支路，基於多條量程支路適配於不同的稱重區間，在該區間內採用較為準確、適配的校準係數，從而使稱重數據更加準確。
15.作為優選，所述第三量程支路和第二量程支路之間採用第三繼電器(rly3)和第四繼電器(rly4)控制接入，第一量程支路採用第四繼電器(rly4)控制接入。同理，採用小功率繼電器作為選擇開關，而不是半導體模擬開關，其成本低，且受溫度和時間影響小，保證了硬體電路參數的穩定性。
16.進一步的，本方案中的第三繼電器(rly3)和第四繼電器(rly4)採用雙刀雙擲繼電器，可同時切換第一量程支路、第二量程支路和第三量程支路上的第一電阻rx和第二電阻ry接入。
17.在具體的實施方案中，本方案採用三擋量程，具體是：
18.所述第一量程支路包括能夠與放大器的正輸入端相連接的電阻r2，以及與放大器並聯的電阻r3,電阻r3的一端連接於電阻r1與放大器的負輸入端之間，另一端連接於放大器的輸出端上；所述電阻r2的另一端接地，r2＝r1//r3，該第一量程支路的量程係數為k1＝r3/r1；
19.作為優選，所述第二量程支路包括能夠與放大器的正輸入端相連接的電阻r22，以及與放大器並聯的電阻r4,電阻r4的一端連接於電阻r1與放大器的負輸入端之間，另一端連接於放大器的輸出端上；所述電阻r22的另一端接地，r22＝r1//r4，該第二量程支路的量程係數為k2＝r4/r1；
20.作為優選，所述第三量程支路包括能夠與放大器的正輸入端相連接的電阻r222，以及與放大器並聯的電阻r5,電阻r5的一端連接於電阻r1與放大器的負輸入端之間，另一端連接於放大器的輸出端上；所述電阻r222的另一端接地，r222＝r1//r5，該第三量程支路的量程係數為k3＝r5/r1。
21.上述符號「//」代表並聯的意思。
22.本發明的第二目的在於提供一種高穩定性和高精度的自動測量方法，其特徵在於：採用如上所述的測量電路，並執行以下算法：
23.步驟1：設備接電，mcu控制接地輸入支路s3接通，參考電壓輸入支路s2和測量對象輸入支路s1斷開；假設此時運放選擇的量程為k1，運放零點漂移為v01,高精度a/d轉換器零點漂移為v0，則此時輸入信號vin＝vgnd＝0v，最終mcu讀取的結果為：vn1＝k1(v01+0)+v0
①
；步驟2：mcu控制參考電壓輸入支路s2接通，接地輸入支路s3和測量對象輸入支路s1斷開，則此時輸入信號vin＝vref，最終mcu讀取的信號結果為：k1(v01+vref)+v0；
24.步驟3：計算參考電壓初始值vrn＝k1(v01+vref)+v0-vn1＝k1vref；
25.步驟4：令初始值λ＝1。
26.步驟5：mcu控制測量對象輸入支路s1接通，接地輸入支路s3接通和參考電壓輸入支路s2斷開，mcu讀取的信號結果，vn2＝k1(v01+vsig)+v0；
27.計算傳感器實際信號值vn＝vn2-vn1＝k1vsig；
28.做修正計算處理後vn＝vn/λ，其中第一次測量時有vn＝vn，λ＝1；
29.步驟6：在一定時間內，更新讀取零位值和參考電壓值，並重新計算λ值，重複步驟5。
30.該技術方案涉及的高穩定性和高精度的自動測量方法，定期對於電路變化係數λ進行修正，從而自動測量結果vn。
31.在進一步的方案中，所述自動測量方法採用多檔量程，每檔量程內數據校準，採用採集至少五點數據，採用「最小二乘法」的數學思想方法進行直線擬合；具體方案中，變量x，即系統實際測量重量；變量y，即標準參考重量，在一定量程範圍內滿足線性關係，即y＝ax+b；我們通過測量n組測量值(xi,yi)，本例取10或以上值，根據最小二乘法的思想，則總的誤差平方和指標為
[0032][0033]
不同的a、b的取值會導致不同的指標值，我們需要找到一組a、b的取值使上述指標最小；根據多元微積分的知識，分別對a、b求偏導，並且偏導為0；
[0034][0035]
整理上式，可得
[0036][0037]
最終
[0038]
[0039]
其中，和為組測量值的y和x的平均值；由此可得到線性函數的表達式；
[0040]
根據上述表達式分量程將a和b求出並保存，當稱重系統實際工作時，測量到重量x，根據公式y＝ax+b，即可計算出實際重量y，y與標準物體在此量程值非常接近，從而系統準確性得到極大提高。
附圖說明
[0041]
圖1為高穩定度和高精度測量電路原理框圖。
[0042]
圖2為高穩定度和高精度測量電路原理圖。
[0043]
圖3為電路零點和量程漂移抑制軟體流程圖。
[0044]
圖4為最小二乘法直線擬合係數計算流程圖。
[0045]
圖5為實際稱重計算軟體流程圖。
具體實施方式
[0046]
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0047]
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「長度」、「寬度」、「厚度」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」「內」、「順時針」、「逆時針」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
[0048]
此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。在本發明的描述中，除非另有說明，「多個」的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確的限定。
[0049]
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0050]
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特徵在第二特徵之「上」或之「下」可以包括第一和第二特徵直接接觸，也可以包括第一和第二特徵不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特徵接觸。而且，第一特徵在第二特徵「之上」、「上方」和「上面」包括第一特徵在第二特徵正上方和斜上方，或僅僅表示第一特徵水平高度高於第二特徵。第一特徵在第二特徵「之下」、「下方」和「下面」包括第一特徵在第二特徵正下方和斜下方，或僅僅表示第一特徵水平高度小於第二特徵。
[0051]
實施例1：
[0052]
如圖1和2所示，本實施例涉及一種高穩定性和高精度的測量電路，包括沿電流方向連接的前置輸入電路、運算放大電路、量程切換電路、a/d轉換電路和mcu單元。所述前置
輸入電路包括能夠切換接入的測量對象輸入支路s1、接地輸入支路s3和參考電壓輸入支路s2。參考電壓輸入支路s2接入時，通過電路參數變化前的mcu單元的讀數vrn，以及在電路參數變化後的mcu單元的讀數vrn
′
，獲取電路變化係數λ。測量對象輸入支路s1接入時，基於電路變化係數λ對電路參數變化前的mcu單元的讀數vn，得到修正測量結果vn。
[0053]
該技術方案涉及一種高穩定性和高精度的測量電路，該高穩定性和高精度的測量電路包括前級電路、中級電路、後級電路3部分組成，其中前級電路由測量對象輸入支路s1、接地輸入支路s3和參考電壓輸入支路s2組成，中級電路由運算放大器、量程切換電路、a/d轉換電路組成，後級主要由數據處理mcu電路組成。
[0054]
此方案中，當接地輸入支路s3的接入時，vin＝vgnd＝0v，其mcu讀數可獲知零位初始值vn1＝k1v01+v0，包含零點漂移，量程漂移。然接入參考電壓輸入支路s2，通過電路參數變化前的mcu單元的讀數vrn，以及在電路參數變化後的mcu單元的讀數vrn
′
，獲取電路變化係數λ，即可修正測量結果vn，進而將受溫度和時間影響的不可控電路參數，即零點漂移，量程漂移完全抑制了，保證電路長期測量參數的穩定性和準確性。
[0055]
所述參考電壓輸入支路s2採用同一個排組內兩電阻均壓，不會隨時間和溫度發生變化。
[0056]
所述測量對象輸入支路s1和參考電壓輸入支路s2之間通過第二繼電器(rly2)控制接入，接地輸入支路s3之間通過第一繼電器(rly1)控制接入。採用小功率繼電器作為選擇開關，而不是半導體模擬開關，其成本低，且受溫度和時間影響小，保證了硬體電路參數的穩定性。
[0057]
在進一步的優選方案中，所述量程切換電路包括放大器，以及連接於放大器負接入端上遊的電阻r1，以及能夠切換連接放大器的的第一量程支路、第二量程支路和第三量程支路。第一量程支路、第二量程支路和第三量程支路均分別包括與放大器的正輸入端相連接的第一電阻rx(圖中x＝2、22、222)，以及與放大器並聯的第二電阻ry(圖中x＝3、4、5),第二電阻ry的一端連接於電阻r1與放大器的負輸入端之間，另一端連接於放大器的輸出端上。所述第一電阻rx的另一端接地，rx＝r1//ry，該量程支路的量程係數為kn＝ry/r1。此方案中，考慮到在稱重系統回收過程中，可能收集的重量差異較大，故本方案設置了多條量程支路，基於多條量程支路適配於不同的稱重區間，在該區間內採用較為準確、適配的校準係數，從而使稱重數據更加準確。
[0058]
圖中所示，所述第三量程支路和第二量程支路之間採用第三繼電器(rly3)和第四繼電器(rly4)控制接入，第一量程支路採用第四繼電器(rly4)控制接入。同理，採用小功率繼電器作為選擇開關，而不是半導體模擬開關，其成本低，且受溫度和時間影響小，保證了硬體電路參數的穩定性。進一步的，本方案中的第三繼電器(rly3)和第四繼電器(rly4)採用雙刀雙擲繼電器，可同時切換第一量程支路、第二量程支路和第三量程支路上的第一電阻rx和第二電阻ry接入。
[0059]
在具體的實施方案中，本方案採用三擋量程，具體是：
[0060]
所述第一量程支路包括能夠與放大器的正輸入端相連接的電阻r2，以及與放大器並聯的電阻r3,電阻r3的一端連接於電阻r1與放大器的負輸入端之間，另一端連接於放大器的輸出端上。所述電阻r2的另一端接地，r2＝r1//r3，該第一量程支路的量程係數為k1＝r3/r1。
[0061]
所述第二量程支路包括能夠與放大器的正輸入端相連接的電阻r22，以及與放大器並聯的電阻r4,電阻r4的一端連接於電阻r1與放大器的負輸入端之間，另一端連接於放大器的輸出端上。所述電阻r22的另一端接地，r22＝r1//r4，該第二量程支路的量程係數為k2＝r4/r1。
[0062]
所述第三量程支路包括能夠與放大器的正輸入端相連接的電阻r222，以及與放大器並聯的電阻r5,電阻r5的一端連接於電阻r1與放大器的負輸入端之間，另一端連接於放大器的輸出端上。所述電阻r222的另一端接地，r222＝r1//r5，該第三量程支路的量程係數為k3＝r5/r1。
[0063]
對於上述電路零點漂移抑制和量程漂移抑制功能硬體實現原理說明：
[0064]
●
電路參數變換前
[0065]
(1)首先，mcu控制參考地選擇開關s3接通，s1和s2開關斷開。也即原理圖中，繼電器rly1常閉觸點閉合。如原理圖，假設此時運放選擇的量程為k1，運放零點漂移為v01,高精度a/d轉換器零點漂移為v0。
[0066]
則此時輸入信號vin＝vgnd＝0v，最終mcu讀取的結果為：vn1＝k1v01+v0
①
。
[0067]
(2)然後，mcu控制測量對象選擇開關s1接通，s2和s3開關斷開。也即原理圖中，繼電器rly1常開觸點閉合，繼電器rly2常閉觸點閉合。
[0068]
則此時輸入信號vin＝vsig，最終mcu讀取的信號結果為：vn2＝k1(v01+vsig)+v0
②
。
[0069]
(3)最後，將上述mcu讀取的兩次信號結果作差,則為實際信號值:
[0070]
vn＝vn2-vn1＝k1vsig
③
。
[0071]
同理，當運放選擇量程為k2和k3，則有vn＝k2vsig，vn＝k3vsig。
[0072]
●
電路參數變化後
[0073]
(1)假設隨著時間和溫度的變化，運放零點漂移為v01
′
,高精度a/d轉換器零點漂移為
[0074]
v0
′
,放大係數漂移為k1
′
,則上述
①
、
②
、
③
變化如下：
[0075]
①
變為:vn1
′
＝k1
′
v01
′
+v0
′④
[0076]
②
變為：vn2
′
＝＝k1
′
(v01
′
+vsig)+v0
′ꢀ⑤
[0077]
③
變為：vn
′
＝vn2
′‑
vn1
′
＝k1
′
vsig
ꢀꢀ⑥
[0078]
同理，當運放選擇量程為k2
′
和k3
′
，則有vn＝k2
′
vsig，vn＝k3
′
vsig。
[0079]
假設電路放大倍數k1不變變化(k1＝k1
′
)，實際中由於採用繼電器作量程切換，k1短時間基本也是不變化的，則
③
和
⑥
相等，即結果僅僅是信號放大(或縮小)倍數，與電路參數變化無關，從而抑制電路零點參數變化造成的影響。
[0080]
(2)mcu控制參考電壓輸入支路s2接通，s1和s3開關斷開。也即原理圖中，繼電器rly1常開觸點閉合，繼電器rly2常開觸點閉合。
[0081]
則此時輸入信號vin＝vref，並且，vref採用特殊的器件和電路，如原理圖中採用同一個排組內兩電阻均壓，不會隨時間和溫度發生變化。最終mcu讀取的信號結果為：
[0082]
電路參數變化前：vrn＝vrn2-vrn1＝k1vref
⑦
。
[0083]
同理，當運放選擇量程為k2和k3，則有vn＝k2vref，vn＝k3vref。
[0084]
電路參數變化後：vrn
′
＝vrn2
′‑
vrn1
′
＝k1
′
vref
⑧
。
[0085]
同理，當運放選擇量程為k2
′
和k3
′
，則有vn＝k2
′
vref，vn＝k3
′
vref。
[0086]
⑦
和
⑧
相比得：
[0087][0088]
同理
③
和
⑥
相比得：
[0089]
vn/vn
′
＝k1/k1
′ꢀ⑩
[0090]
由
⑨
和
⑩
得：
[0091][0092]
令vrn
′
/vrn＝λ，則可見，假設長時間當電路量程參數k1變化時，通過測量參考電壓vref的值，計算出變化係數λ,即可修正測量結果vn，從而抑制電路量程參數變化造成的影響。
[0093]
實施例2：
[0094]
如圖3-5所示，本實施例提供一種高穩定性和高精度的自動測量方法，其特徵在於：採用如上所述的測量電路，並執行以下算法：
[0095]
步驟1：設備接電，mcu控制接地輸入支路s3接通，參考電壓輸入支路s2和測量對象輸入支路s1斷開。假設此時運放選擇的量程為k1，運放零點漂移為v01,高精度a/d轉換器零點漂移為v0，則此時輸入信號vin＝vgnd＝0v，最終mcu讀取的結果為：vn1＝k1(v01+0)+v0
①
。步驟2：mcu控制參考電壓輸入支路s2接通，接地輸入支路s3和測量對象輸入支路s1斷開，則此時輸入信號vin＝vref，最終mcu讀取的信號結果為：k1(v01+vref)+v0。
[0096]
步驟3：計算參考電壓初始值vrn＝k1(v01+vref)+v0-vn1＝k1vref。
[0097]
步驟4：令初始值λ＝1。
[0098]
步驟5：mcu控制測量對象輸入支路s1接通，接地輸入支路s3接通和參考電壓輸入支路s2斷開，mcu讀取的信號結果，vn2＝k1(v01+vsig)+v0。
[0099]
計算傳感器實際信號值vn＝vn2-vn1＝k1vsig。
[0100]
做修正計算處理後vn＝vn/λ，其中第一次測量時有vn＝vn，λ＝1。
[0101]
步驟6：在一定時間內，更新讀取零位值和參考電壓值，並重新計算λ值，重複步驟5。
[0102]
該技術方案涉及的高穩定性和高精度的自動測量方法，定期對於電路變化係數λ進行修正，從而自動測量結果vn。
[0103]
在進一步的方案中，所述自動測量方法採用多檔量程，每檔量程內數據校準，採用採集至少五點數據，採用「最小二乘法」的數學思想方法進行直線擬合。具體方案中，變量x，即系統實際測量重量。變量y，即標準參考重量，在一定量程範圍內滿足線性關係，即y＝ax+b。我們通過測量n組測量值(xi,yi)，本例取10或以上值，根據最小二乘法的思想，則總的誤差平方和指標為
[0104][0105]
不同的a、b的取值會導致不同的指標值，我們需要找到一組a、b的取值使上述指標最小。
[0106]
根據多元微積分的知識，分別對a、b求偏導，並且偏導為0。
[0107][0108]
整理上式，可得
[0109][0110]
最終
[0111][0112]
其中，和為組測量值的y和x的平均值。由此可得到線性函數的表達式。
[0113]
根據上述表達式分量程將a和b求出並保存，當稱重系統實際工作時，測量到重量x，根據公式y＝ax+b，即可計算出實際重量y，y與標準物體在此量程值非常接近，從而系統準確性得到極大提高。
[0114]
在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0115]
儘管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下在本發明的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。