周 鵬，王啟增 ，毛文華，趙 博

（1.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院 土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.黑龍江省前鋒農(nóng)場，黑龍江 佳木斯 156325）

糧食含雜率及容積密度是檢測(cè)糧食品質(zhì)的主要技術(shù)指標(biāo)，不僅決定了糧食的等級(jí)和價(jià)格，還會(huì)直接影響其加工品質(zhì)和食用品質(zhì)?！禛B/T 5494-2008糧油檢驗(yàn) 糧食、油料的雜質(zhì)、不完善粒檢驗(yàn)》和《GB/T 5498糧食、油料檢驗(yàn) 容重測(cè)定法》中規(guī)定稱重的精度要達(dá)到0.1 g，為了使糧食含雜率及容積密度測(cè)量儀器整體的性能達(dá)到國標(biāo)要求，本文設(shè)計(jì)了基于PIC單片機(jī)的高精度稱重系統(tǒng)，該系統(tǒng)測(cè)量由雜質(zhì)分離器分離出的大小雜的重量和容積密度測(cè)定器中糧食的重量，進(jìn)而快速得到樣品的含雜率及容重等用于糧食分級(jí)的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)[1-2]。

1 系統(tǒng)工作原理

高精度稱重系統(tǒng)的原理如圖1所示，在糧食含雜率及容積密度測(cè)量儀中，安裝在料筒下方的負(fù)荷傳感器將樣品重量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)先經(jīng)過一個(gè)無源低通濾波器以濾除線材引入的噪聲，再由AD7799自帶的儀表放大器對(duì)其進(jìn)行放大并實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換。以PIC18F4580作為主控單元，通過SPI接口讀寫AD上的各個(gè)寄存器來控制AD進(jìn)行采樣。人機(jī)界面用LCD液晶顯示采樣得到的數(shù)據(jù)，按鍵實(shí)現(xiàn)功能的輸入。USART模塊用來與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互、調(diào)試和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。低噪聲電源用來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模擬部分及負(fù)荷傳感器，提供穩(wěn)定的工作環(huán)境以降低系統(tǒng)采樣時(shí)電源帶來的噪聲。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of system schematic

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PIC18F4580核心控制器

PIC18F4580是Microchip公司生產(chǎn)的8位FLASH微控器。片上自帶32 K編程空間、1 536 bytes的SRAM和256 bytesEEPROM，同時(shí)具有mW級(jí)低功耗技術(shù)，睡眠模式下只消耗0.2 μA的工作電流。片上自帶系統(tǒng)時(shí)鐘可達(dá)到32 MHz的處理速度，可完全替代外部晶振，簡化電路板設(shè)計(jì)。此外還帶有SPI，USART，TIMER等多種外設(shè)資源，將復(fù)雜的軟件命令操作改為對(duì)相關(guān)寄存器的賦值，簡化了設(shè)計(jì)進(jìn)程。在軟件調(diào)試和編程方面，只需占用4個(gè)I/O引腳就可以完成程序的下載及在線調(diào)試，大大減少在底層硬件調(diào)試上花費(fèi)的時(shí)間[3]。

本設(shè)計(jì)中，PIC18F4580作為核心控制器連接了多個(gè)子模塊：1）三線SPI接口的AD采集模塊；2）USART串口模塊；3）用并口操作的12864液晶模塊；4）流程控制中用到的的8路擴(kuò)展I/O口；5）程序下載及調(diào)試接口。實(shí)際電路原理圖中，芯片的引腳連接網(wǎng)絡(luò)的定義如圖2所示。

圖2 電路圖中PIC18F4580的網(wǎng)絡(luò)定義Fig.2 PIC18F4580 net definition of circuit diagram

2.2 傳感器及AD轉(zhuǎn)換電路

負(fù)荷傳感器作為系統(tǒng)信號(hào)采集的最前端，其性能直接決定了稱重系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。為了滿足實(shí)際稱重時(shí)的精度要求，本系統(tǒng)中選用四線電橋式壓力傳感器，敏感度為1 mV/V，精度等級(jí)為0.05、量程為1 kg。

AD7799是一款高精度、寬動(dòng)態(tài)范圍、△一Σ型3通道24位ADC，該芯片自帶低噪聲、可編程增益的儀表放大器，可以與mV級(jí)輸出信號(hào)的傳感器無縫相連，簡化電路板設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)可靠性。此外片上可直接實(shí)現(xiàn)內(nèi)部自校準(zhǔn)、系統(tǒng)校準(zhǔn)等，可以消除零點(diǎn)誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響，為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)提供方便。

AD7799在2.5 V參考電壓，4.17 Hz刷新率，128倍增益時(shí)RMS噪聲小于27 nV，如果采用敏感度為1 mV/V的傳感器，在激勵(lì)電壓為5 V時(shí)的滿量程輸出為5 mV，若要達(dá)到0.1 g的精度，最小可分辨的電壓為：

因此初步估算可以決定該AD芯片可以滿足本系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換精度的要求[4-5]。

實(shí)際模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的電路設(shè)計(jì)如圖3所示，PIC18F4580通過三線SIP接口來讀寫片上寄存器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣和標(biāo)定等操作，其中AD7799上的SCK、MOSI、MISO信號(hào)分別與單片機(jī)上的RC3、RC4、RC5相連。數(shù)字和模擬部分的電源引腳都接上合適的去耦電容降低系統(tǒng)噪聲。參考電壓VREF+和VREF-由電源通過電阻分壓后得到。差分信號(hào)輸入端AIN1+及AIN1-通過無源低通濾波器后連接在負(fù)荷傳感器的差分輸出端。

圖3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖Fig.3 Circuit digram of AD conversion schematic

2.3 人機(jī)界面及USART電路

LCD顯示采用QC12864B漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，采用并行連接的方式。液晶工作電壓及背光電源為5 V供電，數(shù)據(jù)線DB0-DB7與PIC18F4580的RA口相連，控制線RS、RW、E與RE口相連。用來顯示相關(guān)調(diào)試結(jié)果，加上單片機(jī)的部分RB口作為按鍵的輸入組成人機(jī)界面。

USART電路采用MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)PIC18F4580與上位機(jī)之間電壓及驅(qū)動(dòng)電流的匹配。在實(shí)際調(diào)試中，需要通過USART接口向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)以調(diào)試單片機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)以及對(duì)AD采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和測(cè)試。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用HI-TECH公司針對(duì)PIC18系列設(shè)計(jì)的C語言編譯器進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，該編譯器支持多種數(shù)據(jù)變量類型和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置的設(shè)定，并能高效的壓縮代碼長度，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率[6]。

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)在上電后主程序首先初始化單片機(jī)內(nèi)部資源，包括各個(gè)IO的輸入輸出狀態(tài)，默認(rèn)輸出值；SPI接口的采樣點(diǎn)、數(shù)據(jù)輸出對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘沿、總線空閑時(shí)的時(shí)鐘狀態(tài)和工作速度；USART接口的工作速度（波特率），片上定時(shí)器的定時(shí)長度。然后是初始化系統(tǒng)板上資源，包括AD工作狀態(tài)的設(shè)定、AD的自標(biāo)定，并對(duì)LCD屏內(nèi)容清空并顯示初始化界面。初始化完成后根據(jù)按鍵輸入產(chǎn)生中斷進(jìn)入采集數(shù)據(jù)或系統(tǒng)標(biāo)定，若沒有中斷則按照定時(shí)器設(shè)定的15 Hz來刷新LCD顯示內(nèi)容，并清除看門狗以防止程序跑飛。系統(tǒng)主程序流圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序流圖Fig.4 Flow chart of system main program

3.2 系統(tǒng)中斷程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的中斷程序包括采樣中斷和標(biāo)定中斷2個(gè)部分。采樣中斷程序采集一次AD轉(zhuǎn)換的值后，根據(jù)標(biāo)定值進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示在LCD上并通過串口發(fā)送到上位機(jī)。標(biāo)定中斷程序采集16次樣后取平均值作為當(dāng)前砝碼的標(biāo)準(zhǔn)值，將計(jì)算得到的平均值存儲(chǔ)在EEPROM中進(jìn)行永久保存。中斷程序流程圖如圖5所示。

圖5 中斷子程序流程圖Fig.5 Flow chart of interruption subroutine

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 系統(tǒng)噪聲實(shí)驗(yàn)

實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)荷傳感器及線材本身會(huì)引入一部分噪聲，此外傳感器和AD轉(zhuǎn)換芯片本身也會(huì)隨溫度發(fā)生一定量的漂移，同樣由于采樣分辨率較高，人為操作上的誤差及環(huán)境變化也會(huì)造成采樣值的偏移。因此，以標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)稱重系統(tǒng)噪聲進(jìn)行測(cè)試。

1）實(shí)驗(yàn)方法：加載400 g標(biāo)準(zhǔn)砝碼，以4.17 Hz采樣率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1 kg負(fù)荷傳感器加載400 g標(biāo)準(zhǔn)砝碼時(shí)的采樣值如圖6所示，以采集1 000個(gè)點(diǎn)過程中輸出變化的峰峰值通過計(jì)算可得：

因此，該稱重電路重復(fù)誤差不大于0.005%FS。

圖6 系統(tǒng)噪聲圖（采集1 000個(gè)點(diǎn)）Fig.6 Noise pattern of system（1 k sample）

4.2 線性度實(shí)驗(yàn)

1）實(shí)驗(yàn)方法：先使用500 g標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行標(biāo)定，然后加載100～400 g標(biāo)準(zhǔn)砝碼，以4.17 Hz采樣率分別采集5次。

2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：測(cè)量整數(shù)值的砝碼得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，以表中的最大誤差值計(jì)算得到：

故稱重的非線性誤差不大于0.007%FS。

表1 線性度測(cè)量結(jié)果Tab.1 Reuslt of nonlinearity meausrement

5 結(jié) 論

本文以單片機(jī)為控制器、AD7799為AD轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)了一種高精度稱重電路，用于糧食品質(zhì)測(cè)量分級(jí)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用量程為1 kg的負(fù)荷傳感器時(shí)，系統(tǒng)測(cè)量重復(fù)誤差不超過0.005%，系統(tǒng)非線性度誤差小于0.007%，達(dá)到了較高的精度和穩(wěn)定性要求，滿足了糧食品質(zhì)評(píng)定裝置中總含雜率及容積密度測(cè)量的需要。

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 5494-2008糧油檢驗(yàn) 糧食、油料的雜質(zhì)、不完善粒檢驗(yàn)[S].2009.

[2]國家標(biāo)準(zhǔn)局.GB/T 5498糧食、油料檢驗(yàn) 容重測(cè)定法[S].1985.

[3]Microchip Technology Inc.PIC18F2480/2580/4480/4580 Data Sheet[EB/OL]. （2009-11-16）[2011-3-30].http：//www.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39637d.pdf.

[4]Analog Devices Inc.AD7798/AD7799 Data Sheet[EB/OL].（2007-03） [2011-3-30].http：//www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/AD7798_7799.pdf.

[5]Analog Devices Inc.EVAL-AD7799EBZ TechnicalNote[EB/OL].[2011-3-30].http：//www.analog.com/static/imported-files/eval_boards/EVAL-AD7799.pdf.

[6]HI-TECH Software Pty.Ltd..HI-TECH C Tools for the PIC18 MCU Family[EB/OL].（2010-11-16）[2011-3-30].http：//www.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/manual.pdf.