張敏三, 吳海波

(1.湖南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083; 2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

高精密稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張敏三1,2, 吳海波2

(1.湖南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083; 2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

介紹一種高精密稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在現(xiàn)有高精度稱重系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種高精密的稱重系統(tǒng)，對(duì)稱重系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，針對(duì)現(xiàn)有稱重系統(tǒng)中可能存在的誤差源進(jìn)行了分析，并有針對(duì)性地進(jìn)行了硬件和軟件去噪處理和系統(tǒng)校正，進(jìn)行了平臺(tái)水平檢測(cè)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該稱重系統(tǒng)測(cè)量絕對(duì)誤差不超過(guò)±0.1 g，相對(duì)誤差不超過(guò)0.25 %。

稱重系統(tǒng)； 去噪處理； 水平檢測(cè); 系統(tǒng)校正

0 引 言

質(zhì)量是一個(gè)重要的物理量，質(zhì)量的精密測(cè)量一直是一個(gè)熱點(diǎn)的研究問(wèn)題。目前高精密的稱重系統(tǒng)中，由于采樣電路電源參考電平的波動(dòng)、應(yīng)變片特性的輕微非線性而在處理過(guò)程中按線性處理和系統(tǒng)校準(zhǔn)不夠精確等原因，給系統(tǒng)帶來(lái)了一定的誤差[1,2]。此外,調(diào)零電路和微弱信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)不夠合理也很容易造成不精確；“去皮”時(shí)，托盤可能仍有微小幅度振動(dòng)或者稱重臺(tái)的水平度同樣會(huì)對(duì)結(jié)果造成一定影響[3～5]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)各種可能帶來(lái)的干擾進(jìn)行了分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，開發(fā)了一種高精密的稱重系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)測(cè)試證明：其精密度高，適應(yīng)性強(qiáng)，具有良好的市場(chǎng)前景。

1 測(cè)試系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為模擬量采集、去噪與放大電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示、按鍵輸入及外圍電路休眠與喚醒等。其中,液晶顯示和按鍵輸入均為MSP—EXP430F5529開發(fā)板自帶設(shè)備。通過(guò)電阻應(yīng)變片實(shí)現(xiàn)模擬量采集后，經(jīng)放大器信號(hào)放大和去噪后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換后有液晶顯示采集結(jié)果[6,7]。此外,通過(guò)開發(fā)板上自帶的2個(gè)按鍵和齒輪，另設(shè)一個(gè)去皮按鍵，實(shí)現(xiàn)去皮、單價(jià)輸入等功能。在外圍電路休眠和喚醒設(shè)計(jì)中，采用LM311比較器，通過(guò)控制單片機(jī)IO口輸出高低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)外圍電路的關(guān)斷與導(dǎo)通。硬件總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig 1 Block diagram of hardware of system

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 模擬信號(hào)采集與放大

模擬信號(hào)直接由電阻應(yīng)變片采集得到，然后輸入儀表放大器INA333進(jìn)行30倍的第一級(jí)放大。經(jīng)30倍放大后將信號(hào)輸入OPA734放大100倍，最后得到放大1000倍信號(hào)。在這一級(jí)采用直流偏置的方式，將由于秤盤質(zhì)量引起的零漂電壓抵償?shù)?，從而擴(kuò)大了信號(hào)范圍，提高了測(cè)量精度。原理圖如圖2所示。

圖2 模擬信號(hào)采集與放大電路Fig 2 Analog signal acquisition and amplifying circuit

2.2 系統(tǒng)微弱信號(hào)處理電路

在探測(cè)器輸出端可以經(jīng)過(guò)微弱信號(hào)處理電路來(lái)改善電路整體的信噪比。

第一級(jí)采用積分與濾波電路和精密整流電路，如圖3所示。

圖3 積分與濾波電路和精密整流電路圖Fig 3 Integral and filtering circuit and precise rectifier circuit diagram

第二級(jí)電路采用線性平均值與濾波電路，如圖4。

圖4 線性平均值與濾波電路Fig 4 Linear average value and filtering circuit

兩級(jí)電路的特征頻率一致，具有良好的選頻特性，并且放大電路采取前一級(jí)放大倍數(shù)較小，后一級(jí)放大倍數(shù)比較大，這樣就更好地消除了噪聲的影響。通過(guò)計(jì)算，還可以得出第一級(jí)電路的品質(zhì)因素為

(1)

第二級(jí)放大電路的品質(zhì)因素為

(2)

因此,本處理電路總的品質(zhì)因素為

Q″=Q·Q′=0.54×1.31=0.707.

(3)

電路具有最佳的平坦特性。

2.3 外圍電路休眠與喚醒

該模塊采用模擬比較器LM311，通過(guò)IO口高低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)電源的通與斷。在經(jīng)過(guò)5 V電源轉(zhuǎn)換前，加入模擬比較器LM 311，其反相輸入端通過(guò)電阻器分壓輸入一小于3.3 V電壓，而同相輸入端輸入單片機(jī)IO口的高低電平。當(dāng)同相端輸入高電平，即大于反相端電壓時(shí)，此時(shí)因LM 311內(nèi)置輸出反相器而輸出低電平，斷掉5 V轉(zhuǎn)換的輸入電壓，切斷5 V供電的所有模塊；相反，當(dāng)同相端輸入低電平時(shí)比較器輸出高，此時(shí)5 V轉(zhuǎn)換的輸入電壓高，5 V供電模塊上電工作。由此實(shí)現(xiàn)外圍電路休眠與喚醒功能，電路如圖5所示。

圖5 外圍電路休眠與喚醒Fig 5 Sleep and wake-up of peripheral circuit

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

程序?qū)崿F(xiàn)了去皮、單價(jià)設(shè)置、總價(jià)顯示、休眠及喚醒等功能，此外，還設(shè)計(jì)了判斷系統(tǒng)是否放置水平的創(chuàng)新功能[8]。采用MSP—EXP430F5529開發(fā)板上CMA3000—D01傾角傳感器，在系統(tǒng)上電后，設(shè)置了一等待界面，等待內(nèi)容為“保持水平放置，等待4 s”,然后進(jìn)入測(cè)量界面，開始測(cè)試。若系統(tǒng)放置不水平，則始終保持該界面直至放置水平。其軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig 6 Flow chart of software design

利用定時(shí)器中斷使A/D轉(zhuǎn)換器每隔固定的一段時(shí)間進(jìn)行采樣，每10個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的采樣值求平均算出相應(yīng)的質(zhì)量值。可以利用電容按鍵設(shè)置單價(jià)，并計(jì)算總價(jià)。系統(tǒng)有超量程提示，當(dāng)質(zhì)量或者價(jià)格超過(guò)量程時(shí)會(huì)顯示一段警告。

4 系統(tǒng)校正

4.1 擴(kuò)大信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍

A/D轉(zhuǎn)換器使用3.3 V作為參考電平，所以,經(jīng)前級(jí)放大調(diào)理后的信號(hào)應(yīng)盡量在量程范圍內(nèi)布滿0～3.3 V整個(gè)區(qū)間，才能使AD采樣精度最大化，這主要采用2個(gè)手段實(shí)現(xiàn)：一是使用減法器將1.3 V左右的固有輸出拉回到零，這樣使原來(lái)1.3～3.3 V的動(dòng)態(tài)返回?cái)U(kuò)大到了0～3.3 V；二是調(diào)節(jié)同相放大器的電位器改變?cè)鲆?，使輸出信?hào)在負(fù)重200 g時(shí)輸出接近3.3 V。實(shí)際使用中，可以通過(guò)同時(shí)調(diào)節(jié)同相放大器的電位器和減法器的電位器使得測(cè)量值盡量接近真實(shí)值。

4.2 擬合質(zhì)量和AD采樣值關(guān)系曲線

擬合質(zhì)量和AD采樣值，得到如下直線，利用Matlab擬合結(jié)果為

Linear model Poly1:

f(x)=p1x+p2

Coefficients(with 95 % confidence bounds):

p1=0.052 65(0.052 61,0.052 69)

p2=-0.305 6(-0.381 7,-0.229 5)

Goodness of fit:

SSE:0.460 5

R-square:1

Adjusted R-square:1

RMSE:0.1282.

可見(jiàn)，質(zhì)量和AD采樣值關(guān)系的線性度很好，其中截距可由“去皮”功能消除，將會(huì)在下文中提到，斜率0.052 65即可完成AD采樣值到質(zhì)量值的轉(zhuǎn)換。擬合結(jié)果如圖7所示。

圖7 質(zhì)量和AD采樣值關(guān)系曲線圖Fig 7 Relationship curve of quality and AD sampling value

利用軟件“去皮”功能，重新設(shè)定“零”質(zhì)量點(diǎn)，每一次測(cè)量時(shí)，環(huán)境都有所差異，所以，應(yīng)當(dāng)每一次測(cè)量之前都重新設(shè)定零點(diǎn)，這樣才能保證測(cè)量值與真實(shí)值的關(guān)系呈正比。如果零點(diǎn)取得不合適，則測(cè)量值會(huì)全部偏大或者全部偏小。應(yīng)當(dāng)?shù)韧斜P完全穩(wěn)定后再進(jìn)行“去皮”，否則，托盤微弱的振動(dòng)將引起測(cè)量的誤差。此外，由于A/D轉(zhuǎn)換器采樣點(diǎn)的電壓不是特別穩(wěn)定，使AD值有略微波動(dòng)，所以，需要利用數(shù)字濾波來(lái)使采樣值減少波動(dòng)。利用軟件均值濾波可以使測(cè)量值更加穩(wěn)定，并且可以提高測(cè)量精度。

5 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)，對(duì)本高精密稱重系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼，測(cè)試數(shù)據(jù)保留2位小數(shù)點(diǎn)，其部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

通過(guò)測(cè)試，可以得出測(cè)量絕對(duì)誤差不超過(guò)±0.1 g，相對(duì)誤差不超過(guò)0.25 %，測(cè)量精度高。

表1 稱重系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)表Tab 1 Test data sheet of weighing system

6 結(jié) 論

本文在分析現(xiàn)有稱重系統(tǒng)中誤差源的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種高精密稱重系統(tǒng)。針對(duì)影響較大的誤差源，進(jìn)行了硬件去噪和軟件去噪設(shè)計(jì)，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了校正，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)量誤差低，測(cè)量絕對(duì)誤差不大于±0.1 g,相對(duì)誤差不大于0.25 %,具有高精密測(cè)量的特點(diǎn)，而且設(shè)計(jì)成本低，具有良好的市場(chǎng)開發(fā)與應(yīng)用前景。

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Design of high-precision weighing system

ZHANG Min-san1,2, WU Hai-bo2

(1.School of Electrical Engineering,Hunan University,Changsha 410083,China；2.Hunan Railway Professional Technology College,Zhuzhou 412001,China)

Introduce design of a high-precision weighing system.On the basis of the existing research status of high-precision weighing system,design a high-precision weighing system,hardware and software design of the weighing system is carried out.Aiming at possible error sources of existing weighing system,analysis is carried out,and hardware and software denoising processing and system correction are carried out.The most important point is the innovation of the platform level detection,after the test,measurement absolute error of this system is less than ±0.1 g,relative error is less than 0.25 %.

weighing system; denoising processing; level detection; system calibration

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0114—03

2014—04—28

TP 334.3

A

1000—9787(2014)12—0114—03

張敏三(1957-)，男，湖南韶山人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡姽る娮?、自?dòng)化控制。