應(yīng)變式智能稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010

一、引言

稱重儀作為信號(hào)轉(zhuǎn)換、信息處理和控制系統(tǒng)相集合的產(chǎn)物，是衡器行業(yè)的重要分支?？梢哉f(shuō)稱重儀的技術(shù)程度和發(fā)展理念在某種程度上可以映射出整個(gè)衡器行業(yè)的發(fā)展近況及趨向。

在傳統(tǒng)的稱重系統(tǒng)中，一般用手工方式錄入產(chǎn)品信息、稱重時(shí)間和稱重儀采集到的稱重?cái)?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性差，準(zhǔn)確率偏低，容易發(fā)生數(shù)據(jù)故意造假、人為誤差等問(wèn)題[1]。

針對(duì)此類問(wèn)題，本文將傳統(tǒng)的電子稱重儀進(jìn)行自調(diào)零與自校準(zhǔn)等智能化處理，不僅可以對(duì)進(jìn)出貨物做到準(zhǔn)確記錄，同時(shí)可以提升管理水平。經(jīng)測(cè)試，傳統(tǒng)稱重傳感器的測(cè)量誤差大約為1.22%，智能化后誤差降為0.33%，測(cè)量精度得到大幅提高。

二、稱重系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。該稱重系統(tǒng)硬件主要由稱重傳感器、標(biāo)準(zhǔn)電壓發(fā)生器、零點(diǎn)電壓發(fā)生器、多路轉(zhuǎn)換器、AD620放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、STM32單片機(jī)組成。

零點(diǎn)電壓發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)電壓發(fā)生器和稱重儀分別將輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)多路轉(zhuǎn)換器采用三步測(cè)量法依次進(jìn)行調(diào)零、標(biāo)定和測(cè)量，送入放大電路，經(jīng)過(guò)放大后，進(jìn)入STM32的A/D轉(zhuǎn)換器中，通過(guò)LCD顯示屏顯示數(shù)據(jù)。使用LCD顯示屏上的觸摸鍵盤設(shè)定重量的上限。

1、稱重傳感器

稱重傳感器選用的是應(yīng)變式傳感器，其工作原理為金屬的應(yīng)變效應(yīng)[2]。傳感器的彈性體上貼有應(yīng)變片，構(gòu)成全橋電路。在無(wú)負(fù)荷時(shí)，全橋電路輸出電壓為零。當(dāng)彈性體承受載荷時(shí)，各應(yīng)變片隨之發(fā)生應(yīng)變，輸出相應(yīng)電壓。

本文選用的稱重傳感器為地磅生產(chǎn)中專用的YZC-322稱重傳感器，其承重量程為0～3000kg。當(dāng)電源電壓為12V時(shí)，其輸出電壓量程為0～24mV。

2、多路選擇開關(guān)與信號(hào)調(diào)理電路

本文設(shè)計(jì)選用CD4052多路選擇開關(guān)，其相當(dāng)于一個(gè)雙刀四擲開關(guān)，應(yīng)用時(shí)可利用單片機(jī)對(duì)A/B進(jìn)行控制，選擇通路開關(guān)[3]。傳感器的兩個(gè)輸出端分別接在CD4052的X2、Y2端；將標(biāo)準(zhǔn)電壓的兩端分別接入CD4052的X1、Y1，輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓為3mV，保持傳感器輸出信號(hào)的靈敏度；標(biāo)準(zhǔn)零點(diǎn)的兩端分別接入X0、Y0端。當(dāng)單片機(jī)傳給B、A地址后，則會(huì)選擇哪路導(dǎo)通，進(jìn)入AD620放大電路中進(jìn)行放大。

稱重傳感器輸出的信號(hào)往往是比較弱的，其輸出電壓為0～24mV，所以一般使用放大器將傳感器輸出的電信號(hào)放大到0～3.3V才可被A/D轉(zhuǎn)換器接收。本文選用的AD620AN放大模塊與電阻組成的放大電路，對(duì)稱重傳感器輸出的微弱電壓進(jìn)行了1375倍的放大，其電壓值在單片機(jī)所能接收的范圍之內(nèi)。CD4052與調(diào)理電路的連接如圖2所示。

3、STM32處理器與人機(jī)接口

選用ARM-Cortex-M3的32位微控制器的代表STM32F103ZET6，其特點(diǎn)為：

（1）內(nèi)核：最高72MHz工作頻率，在存儲(chǔ)器的0等待周期訪問(wèn)時(shí)可達(dá)1.25DMips/MHz；

（2）存儲(chǔ)器：256K ～ 512K字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器；高達(dá)64K字節(jié)的SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）；并行LCD接口，兼容8080/6800模式；

（3）時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理：2.0 ～ 3.6V供電和I/O引腳；上電/斷電復(fù)位（POR/PDR）、可編程電源監(jiān)測(cè)器（PVD）； 4～16MHz晶體振蕩器；內(nèi)嵌帶校準(zhǔn)的40kHz的RC振蕩器；帶校準(zhǔn)功能的32kHz的RTC振蕩器；

（4）低功耗：睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式；VBAT為RTC和后備寄存器供電；

（5）3個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器：0～3.6V的轉(zhuǎn)換范圍；三倍采樣和保持功能。

所選用的A/D轉(zhuǎn)換器是STM32單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，其擁有12位精度，其轉(zhuǎn)換速率達(dá)到100萬(wàn)次/s（1MHz）。STM32與人機(jī)接口連接圖如圖3所示。

4、報(bào)警裝置

通過(guò)軟件編程，設(shè)置稱重重量的上限，如果超載時(shí)，則蜂鳴器發(fā)聲同時(shí)LCD燈閃爍，提醒操作者避免破壞稱重儀，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

三、稱重系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STM32單片機(jī)為核心控制單元，所使用的開發(fā)環(huán)境為Keil uVision3，該環(huán)境是用來(lái)開發(fā)基于ARM核的系列微控制器的嵌入式應(yīng)用程序。

1、智能稱重系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)單片機(jī)開始初始化時(shí)，按下單片機(jī)自帶的啟動(dòng)按鍵。啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)采樣時(shí)間到達(dá)1ms時(shí)，則調(diào)用A/D采樣子程序，選通單片機(jī)地址BA=00，即標(biāo)準(zhǔn)零電壓N0通過(guò)放大器進(jìn)入單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器后，將N0存儲(chǔ)到EEPROM中。當(dāng)選通單片機(jī)地址BA=01，BA=10時(shí)，分別讀取到標(biāo)準(zhǔn)電壓N1、傳感器輸出N2兩個(gè)采樣值，將N1、N2兩個(gè)采樣值分別存儲(chǔ)入EEPROM寄存器中。經(jīng)過(guò)自調(diào)零與自校準(zhǔn)后，根據(jù)重力G與N的關(guān)系，可計(jì)算出G的值，如果G〉1000kg，則蜂鳴器報(bào)警，紅燈閃爍，如果G≤1000kg，則調(diào)用LCD顯示子程序，將稱重值顯示出來(lái)。流程圖如圖4所示。

2、自調(diào)零與自校準(zhǔn)

測(cè)量系統(tǒng)在輸入為0時(shí)輸出往往不為0，這是因?yàn)榇嬖诹泓c(diǎn)誤差、靈敏度誤差等，屬于固定系統(tǒng)誤差。如果在某些干擾因素下如溫度、電源電壓波動(dòng)下，零點(diǎn)發(fā)生漂移，這樣引起可變系統(tǒng)誤差。所以本文中采用自校零與自校準(zhǔn)的智能化技術(shù)，使系統(tǒng)自動(dòng)消除因零點(diǎn)漂移、靈敏度漂移等固定系統(tǒng)誤差，從而提高了系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定度。

自校準(zhǔn)可分為二標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)自校法與多標(biāo)準(zhǔn)值實(shí)時(shí)自校法，通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)的輸入-輸出特性是否為理想線性區(qū)分的。而本文中選擇使用二標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)自校法。

（1）誤差與漂移量

設(shè)一經(jīng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲得的輸出（y）-輸入（x）特性為一理想直線，如下式：

式中，a0—零位值，即當(dāng)輸入x=0時(shí)，y=0；

a1—轉(zhuǎn)換增益，又稱為靈敏度。

通常a0和a1都是常系數(shù)，但由于各種干擾和噪聲，其不可能保持恒定。所以設(shè)：

式中，Δa0—零位漂移；

Δa1—靈敏度漂移。

由式（2）得知，P值引入為固定系統(tǒng)誤差，Δa0為零位漂移可變系統(tǒng)誤差；Δa1為靈敏度漂移可變系統(tǒng)誤差，因此需通過(guò)軟件將它們的影響給予排除。

表1 實(shí)際重量與顯示重量誤差

表2 智能化設(shè)計(jì)后實(shí)際重量與顯示重量誤差

（2）二標(biāo)準(zhǔn)值實(shí)時(shí)自校法

在A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，選通控制多路轉(zhuǎn)換器輸出的地址BA=00時(shí)，則進(jìn)入多路轉(zhuǎn)換器的數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)零點(diǎn)X0，從信號(hào)調(diào)理電路中輸出的數(shù)值則為y0；當(dāng)?shù)刂稡A=01時(shí)，則進(jìn)入多路轉(zhuǎn)換器的數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)電壓X1，從信號(hào)調(diào)理電路中輸出的數(shù)值則為y1；則進(jìn)入多路轉(zhuǎn)換器的數(shù)值為傳感器輸出電壓X2，從信號(hào)調(diào)理電路中輸出的數(shù)值則為y2。

在每一段周期內(nèi)發(fā)出數(shù)據(jù)采集的指令，需執(zhí)行三步測(cè)量：

第一步：校零。輸入信號(hào)為零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值，輸出值為y0；

第二步：標(biāo)定。輸入信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)值X1，輸出值為y1；

第三步：測(cè)量。輸入信號(hào)為傳感器的輸出X2，輸出值為y2，則：

被校環(huán)節(jié)增益：

被測(cè)量信號(hào)為：

如此可知，這種方法是實(shí)時(shí)測(cè)量零點(diǎn)y0，實(shí)時(shí)標(biāo)定靈敏度a1，經(jīng)求差運(yùn)算，零點(diǎn)a0=P+Δa0和Δa1的影響已從式（4）中排除。

上述方式只要求三步測(cè)量過(guò)程中零點(diǎn)與靈敏度a1保持恒定不變。其中，要求標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器產(chǎn)生兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值（包括零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值）。

四、系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)中，壓力傳感器獲取周圍環(huán)境的壓力，數(shù)據(jù)處理部分（主要由單片機(jī)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)）包括AD620儀用放大器、CD4052多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器。其功能是在程序控制下使傳感器模擬信號(hào)自調(diào)零和自校準(zhǔn)，并提取放大后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)輸出調(diào)度并負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)各部分器件的工作；STM32單片機(jī)完成信號(hào)數(shù)據(jù)的處理；傳感器部分獲取到當(dāng)前環(huán)境的壓力信息，在單片機(jī)的控制下，將采集到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，然后將壓力信息顯示在LCD顯示屏上，同時(shí)通過(guò)通信協(xié)議將信息上傳給上位機(jī)（PC）。

當(dāng)外加穩(wěn)壓源為5V時(shí)，改變傳感器獲取的壓力信息，分析實(shí)驗(yàn)中傳感器輸出電壓與重量的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表1所知，在單片機(jī)還未對(duì)傳感器輸出的電壓進(jìn)行智能化自調(diào)零與自校準(zhǔn)時(shí)，傳統(tǒng)稱重傳感器的測(cè)量誤差大約為1.22%，其誤差過(guò)大，因此，利用三步測(cè)量法對(duì)傳感器輸出的電壓進(jìn)行自調(diào)零與自校準(zhǔn)后，得到數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)表2所示數(shù)據(jù)，得到單片機(jī)對(duì)傳感器輸出的電壓智能化后誤差降為0.33%，測(cè)量精度得到大幅提高。

如圖5所示，根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在單片機(jī)對(duì)傳感器輸出的電壓進(jìn)行智能化自調(diào)零與自校準(zhǔn)之前與智能化自調(diào)零與自校準(zhǔn)之后，物體的實(shí)際重量與LCD顯示的顯示重量的關(guān)系曲線圖。橫坐標(biāo)為實(shí)際重量，縱坐標(biāo)為測(cè)量重量。

測(cè)量值1為智能化之前的測(cè)量值，測(cè)量值2為智能化之后的測(cè)量值。根據(jù)圖5關(guān)系曲線圖可直觀的看出，智能化之后的測(cè)量值2與實(shí)際值的兩條曲線幾乎重合。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以知道三步測(cè)量法對(duì)于減小測(cè)量誤差是有效的。

五、結(jié)束語(yǔ)

由于外界干擾過(guò)多，所以傳感器輸出的電壓進(jìn)入放大儀器之前有部分的零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移，會(huì)導(dǎo)致誤差。本文中的設(shè)計(jì)加入CD4052多路傳感器，通過(guò)選擇開關(guān)通路，實(shí)現(xiàn)了了三步測(cè)量法，將傳感器輸出的電壓分別與標(biāo)準(zhǔn)電壓和標(biāo)準(zhǔn)零點(diǎn)進(jìn)行靈敏度自校準(zhǔn)和自調(diào)零，實(shí)現(xiàn)了傳感器的智能化設(shè)計(jì)。