粉末狀物料稱重技術(shù)的研究

徐迅成

(杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引言

我國作為一個(gè)人口大國，是世界第一大食品生產(chǎn)國。近年來隨著人們膳食結(jié)構(gòu)的調(diào)整和飲食習(xí)慣的改變，促進(jìn)了食品加工業(yè)的快速發(fā)展，需要大量高品質(zhì)的包裝機(jī)械和食品加工機(jī)械。未來幾年食品和包裝機(jī)械的需求量將會大幅度增加。國內(nèi)的大力發(fā)展與國際市場的適時(shí)開拓與進(jìn)入，勢必給食品包裝機(jī)械市場帶來更好的利潤發(fā)展空間。我國的食品和包裝機(jī)械行業(yè)近些年來所取得的成績是顯著的，但與西方發(fā)達(dá)國家的產(chǎn)品相比仍存在10年以上的技術(shù)差距。我國現(xiàn)有的一些包裝機(jī)械產(chǎn)品技術(shù)含量不高，特別是在定量稱重環(huán)節(jié)上，無論是速度還是精度都無法與歐美國家的同類產(chǎn)品相抗衡，對我國食品和包裝機(jī)械行業(yè)的整體發(fā)展已經(jīng)造成了一定的阻礙。因此，在快速自動稱量中如何提高動態(tài)稱量準(zhǔn)確度，一直是包裝機(jī)械企業(yè)急需解決的難題[1]。

1 設(shè)計(jì)的基本框架

本文的設(shè)計(jì)是基于我國定量稱重包裝機(jī)械的市場情況和發(fā)展趨勢所提出的，它利用了數(shù)字信號處理器（DSP）其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法的突出優(yōu)點(diǎn)，對如何提高包裝機(jī)的速度和精度提出了改進(jìn)方案[2]。稱料斗受到的力大小由稱重傳感器轉(zhuǎn)換成與之相應(yīng)的電壓信號，該電壓信號經(jīng)OP07放大器放大后再A/D轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號，將此數(shù)字信號送入DSP進(jìn)行處理并換算成一個(gè)判斷值。把判斷值和參考值做比較，當(dāng)達(dá)到或超過時(shí)，DSP停止電磁振動給料器下料，觸發(fā)料斗開門裝置打開排料門卸料，物料落入包裝容器中，完成一個(gè)充填周期。

在硬件電路設(shè)計(jì)上要對硬件電路部分進(jìn)行調(diào)試工作，在設(shè)計(jì)調(diào)試過程中，要兼顧考慮溫度和時(shí)間等因素變化引起的零漂、溫漂、時(shí)漂和失調(diào)電壓，以及稱重傳感器、信號放大器和A/D轉(zhuǎn)換器中任何一個(gè)性能不佳對精度和速度產(chǎn)生的影響。因?yàn)楸疚纳婕暗姆Q重信號是隨時(shí)間變化而變化的，屬于動態(tài)稱重過程。對于動態(tài)稱重過程要想提高動態(tài)計(jì)量精度，必須首先保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的靜態(tài)精度和穩(wěn)態(tài)性。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

本文的硬件部分主要設(shè)計(jì)了DSP(數(shù)字信號處理)硬件控制平臺。該平臺主要由稱重傳感器模塊、放大電路模塊、ADC信號采集模塊、數(shù)字信號處理DSP模塊、外部存儲器模塊、CPLD(可編程邏輯器件)模塊、舵機(jī)控制模塊等組成，下面將對以上各個(gè)模塊作詳細(xì)介紹。

2.1 傳感器介紹

本設(shè)計(jì)選用的是普通的電阻應(yīng)變式稱重傳感器，它是屬于雙孔梁結(jié)構(gòu)，主要是彈性敏感元件、電阻應(yīng)變片、檢測電路三部分組成。彈性敏感元件是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件，它的主要作用是將被測的重量轉(zhuǎn)換為形變。而電阻應(yīng)變片作為變換元件則將彈性體的形變同步轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，且分別處于相反的應(yīng)力區(qū)內(nèi)，即當(dāng)其中一對電阻的變形為拉伸時(shí)，另一對則為壓縮變形。檢測電路的主要部件是惠斯登電橋，它可以比較方便地解決稱重傳感器的補(bǔ)償問題，并把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號輸出[3]。

它的工作原理比較簡單，用以上四個(gè)處于相反的應(yīng)力區(qū)內(nèi)的等值應(yīng)變電阻片組成惠斯登電橋。當(dāng)不受壓力作用時(shí)此時(shí)R1=R2=R3=R4=R，電橋處于平衡狀態(tài)，稱重傳感器的輸出電壓UO=0mV。

當(dāng)物料重量通過稱量料斗作用于稱重傳感器時(shí)，稱重傳感器的彈性敏感元件在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化，并且各橋臂阻值變化相同，設(shè)變化量為△R，即：R1、R4分別減小△R，R2、R3分別增大△R時(shí)，可以推出傳感器的輸出電壓為：UO=△R R·Ui。

以上可以看出，當(dāng)對電橋任意對應(yīng)的兩端加一恒定電壓，另外兩端便輸出對應(yīng)于壓差的電壓信號，從而達(dá)到測量重力的目的。2.2放大電路的設(shè)計(jì)

由于本設(shè)計(jì)所選用的ADS8341內(nèi)部沒有PGA（可編程增益放大器），所以必須外接放大電路。本設(shè)計(jì)選用差動放大電路的放大電路，電路可以有效地抑制溫漂、抗干擾能力強(qiáng)。

2.3 ADC采樣模塊的設(shè)計(jì)

ADS8341是一種典型的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，它是基于電容充放電的原理來實(shí)現(xiàn)采樣保持功能的，在制作上用的是0.6μmCMOS工藝。輸入轉(zhuǎn)換器的模擬信號首先要通過一個(gè)4通道多路復(fù)用器，經(jīng)過相應(yīng)寄存器的配置選擇后進(jìn)入轉(zhuǎn)換過程。如果選擇單通道模式，被選擇的通道以COM為基準(zhǔn)進(jìn)行信號采樣。在差動模式下，由兩個(gè)被選中的通道提供差動輸入。

在轉(zhuǎn)換過程中，采樣時(shí)模擬輸入的電流大小取決于設(shè)備的轉(zhuǎn)換速率。因?yàn)樵诓蓸娱_始時(shí)，采樣電容進(jìn)行充電，當(dāng)電容充滿電荷后，就不會再有更多的電流了。所以轉(zhuǎn)換速率越快，電容充放電越頻繁，采樣時(shí)的模擬輸入電流就會越大。ADS8341雖然是以SPI串行通訊方式工作的，但經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析在幀脈沖上與5402上的McBSP不兼容。但如果把McBSP的引腳配置成通用的I/O引腳，進(jìn)行SPI時(shí)序模擬還是比較容易的。

2.4 CPLD可編程邏輯器件的應(yīng)用設(shè)計(jì)

在電路設(shè)計(jì)中會遇到不少組合邏輯問題，如讀寫信號譯碼和信號反向、I/O空間的擴(kuò)展和鍵盤掃描等。由于這些情況較多，如果用分立元件設(shè)計(jì)會很煩雜，且占用較大的空間，不具有靈活性。我們最后選用Altera公司生產(chǎn)的CPLD器件EPM7128來完成所有這些功能。DSP的一些控制信號經(jīng)過CPLD后輸出了RAM和FLASH的片選、讀寫信號。通過分析DSP對FLASH與SRAM的讀寫時(shí)序，就可很方便地用CPLD來實(shí)現(xiàn)邏輯譯碼功能。

3 DSP測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

DSP程序設(shè)計(jì)部分主要考慮的問題是，如何選擇合適的控制算法來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的稱重。當(dāng)稱重信號采集進(jìn)來后，就可以經(jīng)過濾波、系統(tǒng)辨識等一系列信號處理方案，然后依據(jù)處理后的信號來控制開關(guān)達(dá)到準(zhǔn)確稱重的目的。在CCS集成開發(fā)環(huán)境下，首先要對DSP進(jìn)行合理的初始化，配置好相應(yīng)的寄存器，開放定時(shí)器中斷，把ADC采樣程序?qū)懺诙〞r(shí)中斷子程序里，使采樣工作在設(shè)定的速率下，做到一個(gè)中斷采集一次。采樣之后緊接著在同一個(gè)中斷中做信號處理，然后做閾值判斷，最后退出中斷。值得注意的是，由于ADS8341自身不帶自校準(zhǔn)功能，在采樣之前進(jìn)行初始化要加上自校準(zhǔn)的程序[4]。

系統(tǒng)初始化程序主要是對堆棧和狀態(tài)寄存器進(jìn)行設(shè)定，這部分程序如果用C語言編的話可以直接調(diào)用庫函數(shù)，也可以自己編寫。我在編寫程序代碼時(shí)選擇了執(zhí)行效率較高、執(zhí)行精確的匯編語言。

初始化的工作主要：①置位INTM關(guān)閉所有可屏蔽中斷，使能中斷屏蔽寄存器中定時(shí)器的中斷，清除中斷標(biāo)志位。②配置CLKMD來設(shè)定PLL，使DSP工作在較高的系統(tǒng)時(shí)鐘上。③通過設(shè)置等待狀態(tài)寄存器SWWSR和分區(qū)轉(zhuǎn)換控制寄存器BSCR，使得在對外部總線進(jìn)行控制時(shí)自動插入設(shè)定好的等待周期，這樣一來，DSP就能很方便地與外部慢速器件相接口。④通過設(shè)置處理器工作模式狀態(tài)寄存器PMST來設(shè)定DSP的工作模式，并設(shè)定好定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間。⑤然后就可以對串口進(jìn)行初始化，完成液晶1602的復(fù)位，使其工作在期望的模式下。⑥最后啟動電磁振動給料機(jī)，設(shè)置相應(yīng)的中斷寄存器來啟動定時(shí)器，剩下的是等待中斷的發(fā)生。

4 結(jié)論

綜上所述，本設(shè)計(jì)用DSP作為動態(tài)重量計(jì)量測控裝置的核心器件，為的是希望通過在硬件和軟件設(shè)計(jì)中采用了一些措施和動態(tài)控制方法，能較好地兼顧了粉狀物料重量計(jì)量精度和速度的矛盾,實(shí)現(xiàn)了粉狀物料連續(xù)生產(chǎn)過程中動態(tài)計(jì)量的包裝要求，這對改進(jìn)我國當(dāng)前食品企業(yè)的粉狀物料稱重技術(shù)，提高企業(yè)的生產(chǎn)率、降低企業(yè)的生產(chǎn)成本有積極意義。

［1］杜振清.國產(chǎn)包裝機(jī)械還要繼續(xù)熱身[J].中國包裝機(jī)械,2003,25(3)：45-49.

［2］劉建.包裝機(jī)械技術(shù)邁向何方[OL].中國機(jī)械工業(yè)技術(shù)信息網(wǎng)www.lannet.com.cn.

［3］王琦.電阻應(yīng)變式稱重傳感器的設(shè)計(jì)[J].木材加工機(jī)械,2005(3)：20-23.

［4］趙紅怡.DSP技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社,2003,6.