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        基于虛擬技術(shù)的高精度稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2011-07-07 08:48:34李俊蘭趙薇薇
        制造業(yè)自動(dòng)化 2011年20期
        關(guān)鍵詞:單片機(jī)計(jì)算機(jī)信號

        葛 亮,李俊蘭,胡 澤,趙薇薇

        (1. 西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院,成都 610500;2. 中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 西南分公司,成都 610041)

        0 引言

        傳統(tǒng)的量具是桿秤或盤秤,隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展, 傳統(tǒng)的稱重系統(tǒng)在功能、精度、智能化、性價(jià)比等方面越來越難以滿足人們的需要。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的電子秤,在各行各業(yè)中開始顯現(xiàn)其測量精度高,測量速度快,操作簡單易學(xué),已經(jīng)取代傳統(tǒng)型的機(jī)械杠桿測量秤。隨著人們生活水平不斷提高,計(jì)算機(jī)走進(jìn)千家萬戶,電子秤往往都是商家提前制作好的成品,不能和現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)相連接,功能單一,不能根據(jù)用戶需要進(jìn)行實(shí)時(shí)更改系統(tǒng)的使用功能[1]。

        基于虛擬技術(shù)的稱重系統(tǒng)是一種智能化電子秤,采用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的一體化的電子稱量裝置[5,6]。用虛擬軟件顯示界面,可接打印機(jī),還可自主設(shè)置被稱量物體的價(jià)格,并顯示付款金額,來滿足并解決現(xiàn)實(shí)生活中提出的“快速、準(zhǔn)確、連續(xù)、自動(dòng)、遠(yuǎn)程同步”稱量要求,同時(shí)有效地消除人為誤差,使之更符合法制計(jì)量管理和工業(yè)生產(chǎn)過程控制的應(yīng)用要求。因此,設(shè)計(jì)基于虛擬技術(shù)的高精度稱重系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值[2]。

        1 系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)

        圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

        經(jīng)過方案比較和論證,最終確定的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。當(dāng)物品放到懸臂梁上,懸臂梁受到被稱重物的重力作用變形,使得粘貼在懸臂梁上的電阻應(yīng)變片阻值發(fā)生變化,經(jīng)過電橋測量電路轉(zhuǎn)化為電壓信號,電壓信號的強(qiáng)弱隨物重的大小而變化,該電信號經(jīng)信號調(diào)理電路后,送入AD574進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與物重成正比,再進(jìn)入AT89S52進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,然后經(jīng)過串口MAX232送入計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,在LabVIEW軟件界面中實(shí)現(xiàn)實(shí)際質(zhì)量顯示、付款金額顯示以及稱量歷史記錄保存等功能。

        2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

        2.1 傳感器

        懸臂梁式彈性元件具有結(jié)構(gòu)簡單、加工比較容易、應(yīng)變片粘貼方便、靈敏度較高等特點(diǎn),適用于制作小量限測力傳感器。此類彈性元件有兩種基本形式,一種為等截面懸臂梁,另一種為等強(qiáng)度懸臂梁,本設(shè)計(jì)采用等截面懸臂梁式傳感器。

        2.2 信號放大電路

        根據(jù)傳感器輸出信號特點(diǎn),放大器的設(shè)計(jì)主要是高增益,低噪聲。AD公司生產(chǎn)的AD620以其低噪聲的優(yōu)越性能為低頻微伏信號檢測提供了很好的選擇[3]。將傳感器輸出的電信號通入AD620的輸入端,經(jīng)放大后從AD620的第6腳輸出,輸出電壓作為放大器OP07輸入電壓,再進(jìn)行放大。由于懸臂梁式傳感器輸出信號易受外界因素影響,電壓值有微小變化,為了使放大倍數(shù)更精確,故在OP07的反饋電阻上串聯(lián)一個(gè)50K的滑動(dòng)變組器。傳感器的輸出電壓信號在0~6.5mv左右,在整個(gè)放大電路中只需相應(yīng)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變組器阻值來滿足所需的放大倍數(shù)。其放大電路原理圖如圖2所示。

        圖2 信號放大電路

        2.3 數(shù)據(jù)采集電路

        為了實(shí)現(xiàn)對傳感器輸出壓力信號的采集,設(shè)計(jì)了如圖所示的AD574與單片機(jī)的接口電路圖。由于AT89S52單片機(jī)是八位機(jī),對轉(zhuǎn)換結(jié)果只能按雙字節(jié)分時(shí)讀取,故2腳接地。 AD574輸出帶三態(tài)輸出的連接方式,故可以將其直接掛在數(shù)據(jù)總線上。圖中AD574的高八位數(shù)據(jù)線接單片機(jī)的數(shù)據(jù)線,低四位數(shù)據(jù)線接單片機(jī)的低四位數(shù)據(jù)線,AD574的CE信號要求無論是單片機(jī)對其啟動(dòng)控制,還是對轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的讀入,都應(yīng)該為高電平有效,所以和通過“與非”邏輯接CE信號;由于AD574的轉(zhuǎn)換速度很快,故采用查詢方式讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù),將單片機(jī)的P2.5引腳與 AD574的工作狀態(tài)指示(STS)引腳相連,通過P2.5引腳查詢STS端口狀態(tài),當(dāng)STS為0時(shí),表明轉(zhuǎn)換結(jié)束。

        2.4 通信電路

        數(shù)據(jù)通信在硬件上采用三線制,將計(jì)算機(jī)串口和單片機(jī)串口的三個(gè)引腳(RXD,TXD,GND)分別連在一起,即將單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的發(fā)生數(shù)據(jù)線TXD與接收數(shù)據(jù)線RXD相互交叉連接,同時(shí)將兩側(cè)的接地線GND直接相連。

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)軟件分為單片機(jī)軟件和計(jì)算機(jī)軟件兩個(gè)部分,單片機(jī)軟件使用匯編語言進(jìn)行編寫,主要實(shí)現(xiàn)時(shí)間的測量和距離的計(jì)算功能;計(jì)算機(jī)端軟件選用LabVIEW圖形語言進(jìn)行編寫,實(shí)現(xiàn)登陸密碼驗(yàn)證、重量顯示、單價(jià)設(shè)定、顯示付款金額和稱量歷史記錄等功能[4]。其中,計(jì)算機(jī)端軟件界面如圖4所示。

        工作原理:單片機(jī)上電復(fù)位后,由程序進(jìn)行初始化操作,控制ADC選擇輸入模擬通道,并將模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,單片機(jī)采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行保存和數(shù)據(jù)處理,再通過串口通信送入計(jì)算機(jī)。

        圖3 數(shù)據(jù)采集接口電路

        圖4 計(jì)算機(jī)端軟件界面

        4 系統(tǒng)測試結(jié)果

        結(jié)果測試,得到數(shù)據(jù)如表1所示,通過數(shù)據(jù)可以看出,系統(tǒng)測量誤差在0.2%以內(nèi),可以滿足日用稱重測量需要。

        5 結(jié)論

        1)本文提出了一種基于虛擬技術(shù)的高精度稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,從系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分詳細(xì)地闡述了該稱重系統(tǒng)的開發(fā)過程。

        表1 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

        2)通過對該稱重系統(tǒng)進(jìn)行測試,驗(yàn)證了系統(tǒng)測量誤差在0.2%以內(nèi),滿足日常高精度測量需要。

        3)在設(shè)計(jì)該高精度稱重系統(tǒng)中,利用了虛擬儀器技術(shù),用戶可以根據(jù)需要對計(jì)算機(jī)端軟件進(jìn)行修改以適應(yīng)不同的使用需要。

        [1] 李秉榮, 劉夫云, 程雄, 王喬義, 藍(lán)毓勝, 馬永輝. 自動(dòng)稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子器件, 2010, (02) .

        [2] 周祖濂. 數(shù)字稱重系統(tǒng)——稱重技術(shù)新概念[J]. 衡器,2005, (05) .

        [3] 胡澤, 葛亮, 李俊蘭, 張禾, 陶真. 鉆井工程參數(shù)測試的小信號放大電路設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2011, (04) .

        [4] 程路, 張宏建, 曹向輝. 車輛動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2006, (08) .

        [5] 鄔蓉蓉, 滕召勝, 譚旗, 林海軍. 基于C#.NET的智能化汽車衡稱重管理系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2010, (07) .

        [6] 張樂, 魯仁全, 徐生林. 車輛衡自動(dòng)稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2010, (07).

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