劉 雷, 胡 毅

(合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,合肥 230009)

ARM電磁平衡傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 雷, 胡 毅

(合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,合肥 230009)

采用高速精準(zhǔn)的質(zhì)量檢測技術(shù),是提高生產(chǎn)效率和自動化程度的有效途徑之一。文中研究了基于ARM7單片機(jī)的電磁平衡傳感器系統(tǒng)的工作原理和實(shí)現(xiàn)方法,包括系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)原理、機(jī)械部分設(shè)計(jì)、電路硬件組成及軟件流程。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電磁平衡傳感器的去初重、高精度及快速響應(yīng)的功能。整個系統(tǒng)應(yīng)用電磁力反饋平衡零位法原理,采用單片微處理器進(jìn)行實(shí)時控制和數(shù)據(jù)處理,實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量檢測的高速化、數(shù)字化、智能化,可以滿足各種產(chǎn)品質(zhì)量檢測的需求。

電磁平衡傳感器;單片機(jī);質(zhì)量檢測

電磁平衡傳感器是精密質(zhì)量檢測的測力傳感器,廣泛用于電子分析天平等高精度稱重技術(shù)系統(tǒng)。電磁平衡傳感器依靠載流線圈在恒定磁場中產(chǎn)生的電磁力與被測質(zhì)量的重力平衡的原理,實(shí)現(xiàn)了性能穩(wěn)定,靈敏度高,操作方便,可以一機(jī)多用的良好功能。

采用高速度、高精度的質(zhì)量檢測技術(shù),則可大幅度提高生產(chǎn)的效率及自動化程度。筆者研制了基于ARM的電磁平衡傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)電磁平衡傳感器的測量原理,利用電磁平衡傳感器的高精度性和ARM單片機(jī)的多功能、高速性處理電路,之后由ARM微處理器對信號進(jìn)行運(yùn)算處理,并儲存、顯示結(jié)果。該系統(tǒng)對微小質(zhì)量變化量的質(zhì)量檢測具有很強(qiáng)的優(yōu)勢。

1 工作原理

根據(jù)物理學(xué)中電磁原理,處于磁場中有電流通過的導(dǎo)線將產(chǎn)生一個電磁力,其方向符合左手定則。線圈電磁力:

式中:K——常數(shù)(與使用單位制有關(guān));

B——感應(yīng)強(qiáng)度;

L——導(dǎo)線長度;

I——通過導(dǎo)線電流的強(qiáng)度[1]。

電磁平衡傳感器依據(jù)上述原理設(shè)計(jì)而成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電磁力平衡傳感器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of electromagnetic force balance sensor

整個系統(tǒng)是一個閉環(huán)伺服系統(tǒng)。利用磁場中電流所產(chǎn)生的力來平衡被稱物的重力。在量程范圍內(nèi),當(dāng)重物置于傳感器上或卸下時,由于重力的變化,橫梁偏離零位平衡狀態(tài),引起相應(yīng)的位移(位置偏差),位置傳感器檢測到這個位置變化,反饋給動圈一個電流,它的大小與物重成正比。動圈在電流作用下產(chǎn)生與橫桿位移方向相反的電磁力,使橫桿恢復(fù)原位,這時被測的物重與電磁力相互平衡。

閉環(huán)的電磁力平衡過程是動態(tài)的,即整個機(jī)構(gòu)只要開始工作,就一直處在不斷調(diào)整、不斷達(dá)到新的平衡的過程。由于電流和物重成正比,因此,測出電流亦知物重。

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械裝置起固定與導(dǎo)向的作用,要確保其導(dǎo)向精準(zhǔn)。摩擦力要盡可能小,以提高測量精度。機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.2 M echan ical structure

機(jī)械部分主要包括底盤外殼、橫梁支點(diǎn)架、橫梁、支架、永久磁鐵裝置、位置傳感器等。其中,底盤外殼用來穩(wěn)定整個測量裝置,橫梁支點(diǎn)架支撐橫梁,橫梁被支點(diǎn)架分為左右兩部分,支架用來接觸被測物體,永久磁鐵裝置用來產(chǎn)生電磁力,位置傳感器用來檢測橫梁的位置。這種結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)客戶要求去除支架初重的功能。傳感器測量范圍為 0～200 g。在衡梁處加一個 2 000 g配重砝碼后可實(shí)現(xiàn) 2 000～2 200 g的測量范圍。

當(dāng)有被測物在支架上時,測量開始,此時杠桿的一端已出現(xiàn)向下的位移,橫梁位置傳感器即可檢測到這個信號,進(jìn)而通過電子線路部分產(chǎn)生相應(yīng)的電流輸送至線圈,使永久磁鐵裝置產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)碾姶帕砘謴?fù)杠桿平衡。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于高精度質(zhì)量檢測系統(tǒng)功能的要求,設(shè)計(jì)選用飛利浦公司基于ARM7內(nèi)核的LPC2114處理器,其系統(tǒng)硬件如圖 3所示。

圖3 主電路板結(jié)構(gòu)Fig.3 Ma in circuit board structure

檢測信號處理電路是關(guān)鍵電路,根據(jù)光電檢測原理設(shè)計(jì)了如圖4所示的光電檢測部分的電路。進(jìn)一步利用差分放大器將這個電信號與最大光照時的電壓信號V0相比較。若有重物則輸出一個不為零的電壓信號,單片機(jī)依據(jù)此信號對電磁線圈進(jìn)行控制,使電磁力增大或減小,直到橫梁恢復(fù)平衡,此時差分放大器輸出為零,單片機(jī)依據(jù)此信號將不再改變電磁線圈中的電流,利用軟件實(shí)現(xiàn)物品質(zhì)量顯示。調(diào)節(jié)差分放大器的放大倍數(shù),可以得到適合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號。

電路使用了兩套型號相同的發(fā)光二極管和光敏三極管,當(dāng)光強(qiáng)最大時,光敏三極管輸出近似 10 mA的電流,經(jīng)過采樣電阻 (R=3.3Ω)后得采樣電壓33mV。其中一套配合的發(fā)光二極管和光敏三極管中間隔著帶小孔的遮光板,小孔用來定位,光敏三極管輸出的電壓Vi用作輸入運(yùn)算放大器的一端。另外一套配合的發(fā)光二極管和光敏三極管用來輸出比較電壓V0=3.3V,輸入運(yùn)算放大器的另一端,從而構(gòu)成了一個放大電路。運(yùn)算放大器的輸出電壓為

為了消除偏置電流引起的誤差,要求運(yùn)算放大器兩輸入端的外電路其總電阻必須平衡,即

圖4 光電檢測電路Fig.4 Optical detection circuit

該設(shè)計(jì)基于ARM7處理器LPC2114,其微處理器主頻使用 25MHz常用穩(wěn)定晶振;片內(nèi)集成 128 kB Flash[2]。在硬件實(shí)現(xiàn)方案上充分考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和電路板布局的靈活性,采用了拔插式的電路板設(shè)計(jì)。其他各外部功能處理模塊,包括D/A轉(zhuǎn)換接口、傳感器接口,通用 I/O接口、液晶屏接口、串口UART0等均采用可插拔擴(kuò)展接口的形式來實(shí)現(xiàn)其模塊功能,A/D轉(zhuǎn)換采用ARM單片機(jī)自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器(由于機(jī)械部分可以調(diào)整帶孔遮光板的最大位移量,放大器最大輸出電壓實(shí)際會小于允許電壓3.3V),節(jié)約成本?？紤]到檢測的高速、高精度的性能要求,通過對各種 D/A轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行比較,選擇AD公司生產(chǎn)的12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1208作為系統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換芯片[3]。微處理器將處理后的數(shù)字信號換算成質(zhì)量后實(shí)時在顯示屏上顯示出來或者通過接口傳遞給 PC機(jī)和其他的控制單元。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)單片機(jī)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),根據(jù)系統(tǒng)的功能,軟件設(shè)有主程序模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、電流控制算法模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、顯示子程序模塊和串行通信子程序模塊。該軟件完成的任務(wù)是:通過單片機(jī)內(nèi)置A/D對橫梁位置采集數(shù)據(jù),若此值大于零,則單片機(jī)控制線圈使電流增大,若通過控制,使橫梁位置過零點(diǎn)為負(fù)值或?yàn)榱?此時電流過大,單片機(jī)控制線圈使電流減小,當(dāng)再次過零點(diǎn)時,電流增加。整個系統(tǒng)一直處于一個動態(tài)平衡關(guān)系中,當(dāng)電流變化在一個固定的范圍內(nèi),可認(rèn)為已經(jīng)平衡。由于單片機(jī)的輸出信號和物重建立了對應(yīng)的線性關(guān)系,通過溫度等誤差修正后顯示出來[4]。主程序模塊流程如圖5所示。

圖5 主程序模塊流程Fig.5 Ma in program module flow

事實(shí)上,由于存在摩擦力,溫度影響,磁力線分布不均等因素,實(shí)際質(zhì)量曲線不完全與電流成正比[5],因此,計(jì)量部分采用分段直線擬合法顯示。在儀器校準(zhǔn)時選擇 10點(diǎn)將整個量程區(qū)域分成 9段。每點(diǎn)電流值分別用I0,I1,…,I9表示,對應(yīng)的質(zhì)量M分別用M0,M1,…,M9表示,當(dāng)顯示質(zhì)量的時候,先判斷電流大小所在位置,例如判斷電流在區(qū)段 5,則顯示值為M=I×(M5-M4)/(I5-I4)。

5 結(jié)束語

隨著電子元件集成化的迅速發(fā)展,微處理器在檢測技術(shù)上體現(xiàn)出越來越多的優(yōu)勢,得到日益廣泛的應(yīng)用。以ARM7微處理器為核心的電磁平衡傳感器系統(tǒng),在測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和快速性以及控制方面有了很大的提高,同時減少和修正了許多環(huán)境和人為的誤差因素。整個系統(tǒng)體積小、精度高、準(zhǔn)確可靠、操作簡單,可滿足各種產(chǎn)品質(zhì)量檢測的需求和生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際需要。尤其在對微小質(zhì)量變化量的測量中具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 滕召勝.電磁力平衡傳感器的溫度影響及其補(bǔ)償[J].傳感器技術(shù),1998,17(2):28-30.

[2] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[3] 萬福君,潘松峰.單片微機(jī)原理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].第 2版.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2003.

[4] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程(二)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[5] 陸青麗,鄭崇蘇.基于 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對電磁力平衡傳感器測量精度的研究[J].2007,(1):107-108.

ARM-based electromagnetic balance sensor system design

L IU Lei,HU Yi
(School of Instrumentation&Opto-electronics Engineering,HefeiUniversity of Technology,Hefei 230009,China)

High-speed precision quality testing technology is one of effective ways to improve productivity and the degree of automation.This paper is devoted to the study on working principle and implementation method based on ARM7 MCU electromagnetic balance sensor system,including system design ideas,design principles,mechanical design,circuit hardware components and software processes.The system gives the electromagnetic balance sensor the function of initialweight removal,high accuracy and rapid response.The system consisting of electromagnetic force feedback system as a whole zero-law principle of balance and single-chip microprocessor for real-time control and data processing allows highspeed,digital,and intelligent inspection of quality and is up to quality control of a variety of products.

electromagnetic balance sensor;microcomputer;quality test

TP212

A

1671-0118(2010)02-0146-04

2010-01-12

劉 雷(1980-),男,安徽省界首人,碩士,研究方向:質(zhì)量檢測,E-mail:liuliu20031@126.com。

(編輯徐 巖)