沈炎松

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，福建 漳州 363000)

電子稱重器因操作簡(jiǎn)單、快速、功能多樣等特點(diǎn)，在人們生活、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，與傳統(tǒng)機(jī)械秤相比更符合計(jì)量管理和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制要求[1]。傳統(tǒng)電子秤存在精度不夠高、不能對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行記錄、回放、篩選等問(wèn)題，當(dāng)前，隨著工業(yè)制造智能化發(fā)展，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人的普及應(yīng)用，在產(chǎn)品預(yù)包裝、產(chǎn)品重量篩查等生產(chǎn)線上已由機(jī)器人代替人工實(shí)現(xiàn)物品拾取、稱重、放回等動(dòng)作，工人只需監(jiān)控并記錄稱重過(guò)程。為此本文設(shè)計(jì)一種無(wú)線稱重裝置并結(jié)合微機(jī)監(jiān)控的稱重系統(tǒng)，安裝在生產(chǎn)線上的終端控制器可以采集稱重信息經(jīng)無(wú)線傳輸給線下的協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上并將數(shù)據(jù)上傳到微機(jī)監(jiān)測(cè)端，用戶可以在線下實(shí)現(xiàn)對(duì)稱重過(guò)程的監(jiān)控和記錄。

該系統(tǒng)使用電阻應(yīng)變片組成應(yīng)變電橋作為稱重傳感器，利用高精度的HX711芯片采集數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波、卡爾曼濾波相結(jié)合的算法，并通過(guò)軟件仿真，使測(cè)量數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定、精確。

圖1 無(wú)線電子稱重系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1 無(wú)線動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文研究的無(wú)線電子稱重系統(tǒng)包括采集控制節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)三個(gè)部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中采集控制節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)采集節(jié)點(diǎn)的稱重托盤有物體放入時(shí)，傳感器電路將重量信息轉(zhuǎn)換為微弱電信號(hào)并通過(guò)放大電路放大，采集節(jié)點(diǎn)處理器通過(guò)AD轉(zhuǎn)換電路讀取數(shù)據(jù)，并按一定算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理再還原成重量值。采集節(jié)點(diǎn)將采集的重量數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳給協(xié)調(diào)器，用戶可以通過(guò)協(xié)調(diào)器鍵盤輸入設(shè)置信息，協(xié)調(diào)器將接收到的數(shù)據(jù)及其他指示信息顯示在12864液晶屏上，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)串口送給上位機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊

本系統(tǒng)控制終端稱重傳感器選用電阻應(yīng)變式壓力傳感器，傳感器內(nèi)部包括電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測(cè)電路等幾部分。正常使用時(shí)，使用粘性物質(zhì)將電阻應(yīng)變片粘貼在感壓裝置上，當(dāng)有外力作用時(shí)，電阻應(yīng)變片會(huì)產(chǎn)生變形導(dǎo)致阻值發(fā)生變化(增大或減小)，測(cè)量電路中的橋式電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為與負(fù)載成正比的電信號(hào)輸出，從而完成將外力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的過(guò)程[2]。

圖2 電阻應(yīng)變片組成的全橋電路原理圖

(1)

若R1=R2=R3=R4，ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，則

(2)

上式(2)可見(jiàn)，輸出電壓與電阻變化值成線性關(guān)系，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中電阻應(yīng)變片的阻值規(guī)定為60、120、200、350、500、1000，考慮到大阻值應(yīng)變片具有通過(guò)電流小、自熱引起的溫升低、持續(xù)運(yùn)行周期長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)測(cè)量信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，本例中選用1K歐的電阻應(yīng)變片。

2.2 AD轉(zhuǎn)換電路

HX711是一款專為高精度電子秤設(shè)計(jì)的 24 位 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片。芯片內(nèi)部集成可編程放大器、穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器及其他外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換模塊原理圖

本例中，AD采集使用通道A，通道A有較大的可編程設(shè)置增益，為128和64，使用時(shí)，傳感器組成的全橋電路差分輸出端接到A通道輸入端即7、8端口，芯片后端處理器可以通過(guò)DOUT、PD_SCK端口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、處理后轉(zhuǎn)換為重量值，再經(jīng)過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給后級(jí)協(xié)調(diào)器進(jìn)行顯示及后續(xù)操作。

2.3 ZigBee無(wú)線節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線節(jié)點(diǎn)包括ZigBee控制終端、ZigBee協(xié)調(diào)器兩個(gè)部分，終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)均選用CC2530作為核心處理器。CC2530是TI公司在2.4 GHz頻段推出的第2代支持IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議的片上系統(tǒng)(SoC)芯片。內(nèi)部集成高性能RF收發(fā)器、增強(qiáng)型8051CPU，256 KB可編程閃存，8KB RAM，具有較低的功耗要求，它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[3]。

終端節(jié)點(diǎn)電路包括CC2530核心電路、壓力傳感器電路及HX711 AD轉(zhuǎn)換電路，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由CC2530核心電路、液晶顯示電路、鍵盤電路及指示燈電路等部分組成，終端節(jié)點(diǎn)電路安裝在稱重生產(chǎn)線上，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口線與上位機(jī)連接，終端節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集線上物體壓力信息，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換為重量信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將接收到的稱重?cái)?shù)據(jù)顯示在LCD12864上，并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)控制指示燈閃爍，同時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口線發(fā)送到上位機(jī)，方便監(jiān)控人員實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組建、終端節(jié)點(diǎn)信號(hào)采集及處理、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)收發(fā)及設(shè)置與顯示等操作。ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)[4]，ZigBee通信協(xié)議中，能夠組成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星狀網(wǎng)、樹(shù)狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)[5]，本系統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)使用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與節(jié)點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)通信，以協(xié)調(diào)器為中心，進(jìn)行向上向下數(shù)據(jù)通信，并維護(hù)局網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。

3.1 無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)的功能包括網(wǎng)絡(luò)接入、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及發(fā)送，終端設(shè)備與協(xié)調(diào)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接成功后采集傳感器數(shù)據(jù)，按照指定算法將數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波及卡爾曼濾波處理，并重復(fù)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理等操作，直到數(shù)據(jù)發(fā)送窗口周期(調(diào)試時(shí)以50次卡爾曼濾波為一周期)到來(lái)再把處理完的最終數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為重量值后經(jīng)過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的樞紐，負(fù)責(zé)給各節(jié)點(diǎn)分配地址，并協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)間的通信[6]。本例以一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)為例，協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連接成功后接收用戶設(shè)置的控制信息，并進(jìn)入數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。包括接收無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并在12864液晶屏上顯示，以及向上位機(jī)傳送接收到的數(shù)據(jù)，讀取用戶輸入的控制信息等，并根據(jù)數(shù)據(jù)控制指示燈進(jìn)行閃爍指示。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)控制流程圖如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理及仿真測(cè)試

4.1 改進(jìn)卡爾曼算法設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，如果直接采集傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)而不做其他處理, 受組件結(jié)構(gòu)和自身?xiàng)l件的制約, 讀取的數(shù)據(jù)誤差大、穩(wěn)定性較差，數(shù)據(jù)波動(dòng)明顯，為了去除可能誤差使得數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠, 系統(tǒng)采用卡爾曼濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合[7]。

如果一個(gè)系統(tǒng)是線性隨機(jī)微分系統(tǒng)，且系統(tǒng)過(guò)程和測(cè)量的噪聲都是高斯白噪聲，則可以使用卡爾曼濾波器來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)預(yù)測(cè)。當(dāng)使用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于本身或環(huán)境變化造成采集誤差時(shí)，卡爾曼能夠根據(jù)當(dāng)前估計(jì)值修正未來(lái)估計(jì)值的誤差，提高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性[8]。

標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波器主要包含兩個(gè)步驟：預(yù)估和測(cè)量修正。預(yù)估過(guò)程是利用預(yù)估更新方程及前一時(shí)刻變量估計(jì)值(后驗(yàn)估計(jì)值)計(jì)算得出當(dāng)前狀態(tài)變量和誤差協(xié)方差估計(jì)值(先驗(yàn)估計(jì)值)。測(cè)量修正則主要負(fù)責(zé)反饋環(huán)節(jié)，根據(jù)測(cè)量更新方程使用當(dāng)前測(cè)量值及先驗(yàn)估計(jì)值來(lái)更正上一過(guò)程中的先驗(yàn)估計(jì)值，并作為下一狀態(tài)預(yù)測(cè)的后驗(yàn)估計(jì)值[9-10]。其預(yù)估更新方程及測(cè)量更新方程如下所示：

預(yù)估更新方程：

X(t|t-1)=A·X(t-1|t-1)

(3)

P(t|t-1)=A·P(t-1|t-1)·A′+Q

(4)

測(cè)量更新方程:

X(t|t)=X(t|t-1)+K(t)·(Z(t)-H·X(t|t-1))

(5)

K(t)=Pt|t-1·H′·(H·P(t|t-1)·H′+R)

(6)

P(t|t)=(1-K(t)·H)·P(t|t-1)

(7)

其中，X(t|t-1)是利用上一狀態(tài)預(yù)測(cè)的結(jié)果值，X(t-1|t-1)是上一狀態(tài)最優(yōu)的估算值，P(t|t-1)和P(t-1|t-1)分別是X(t|t-1)和X(t-1|t-1)對(duì)應(yīng)的協(xié)方差。Z(t)為t時(shí)刻實(shí)測(cè)值，K(t)為濾波器增益系數(shù)即卡爾曼增益，X(t|t)表示t狀態(tài)下最優(yōu)估算值，P(t|t)表示t狀態(tài)下X(t|t)的協(xié)方差，A、H為系統(tǒng)參數(shù)，Q、R分別為狀態(tài)方程和測(cè)量方程的方差，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入t+1狀態(tài)，P(t|t)即替換(4)式中的P(t-1|t-1)，使整個(gè)算法逐步遞歸運(yùn)算下去。

在本例測(cè)試過(guò)程中，采集數(shù)據(jù)輸出波動(dòng)明顯，如果直接將每次讀取的數(shù)據(jù)作為測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波，由于數(shù)據(jù)噪聲比較大會(huì)使得卡爾曼濾波收斂速度變慢，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定性也較差。針對(duì)此問(wèn)題，結(jié)合系統(tǒng)響應(yīng)速度，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，將連續(xù)3次采集的數(shù)據(jù)作為一組，先進(jìn)行均值濾波，以消除干擾幅度較大的、瞬時(shí)的脈沖信號(hào)，即：

(8)

以均值濾波后數(shù)據(jù)作為一次測(cè)量值再利用卡爾曼濾波進(jìn)行遞歸運(yùn)算，有效抑制信號(hào)干擾，輸出更為穩(wěn)定、平滑。

4.2 數(shù)據(jù)仿真及分析

由于系統(tǒng)只測(cè)量物體重量一個(gè)參數(shù)，且無(wú)控制量，在建立卡爾曼模型時(shí)選擇A=1，H=1，以測(cè)量物體重量80克為例進(jìn)行仿真，圖6是使用卡爾曼濾波輸出仿真效果圖、圖7是使用均值濾波+卡爾曼濾波相結(jié)合的輸出仿真圖(經(jīng)過(guò)多次仿真實(shí)驗(yàn)選擇Q=1e-6，R=0.05)，比較圖6、7可見(jiàn)使用均值濾波+卡爾曼濾波有較快的數(shù)據(jù)收斂和較好的數(shù)據(jù)穩(wěn)定度。

圖6 卡爾曼濾波輸出仿真圖

圖7 均值濾波+卡爾曼濾波輸出仿真圖

實(shí)物測(cè)試調(diào)試中，該系統(tǒng)協(xié)調(diào)器與檢測(cè)終端在50米范圍內(nèi)能有效數(shù)據(jù)采集及發(fā)送，測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)誤差在1g以內(nèi)，系統(tǒng)在制作調(diào)試時(shí)要注意一下幾個(gè)問(wèn)題：①AD采集模塊HX711在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，PD_SCK 的輸入時(shí)鐘脈沖數(shù)應(yīng)根據(jù)使用端口及增益要求不應(yīng)少于 25 或大于 27，否則會(huì)通信出錯(cuò)，且讀取的數(shù)據(jù)是補(bǔ)碼，應(yīng)轉(zhuǎn)化為原碼；②本系統(tǒng)在調(diào)零及調(diào)試時(shí)使用有標(biāo)稱值的砝碼，在調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，傳感器在不同測(cè)量區(qū)間其線性度有所差別，為此可以在各個(gè)測(cè)量區(qū)間(如0-50g、50-100g等)修正并使用各自線性關(guān)系式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，這樣測(cè)量結(jié)果更為精確；③在工業(yè)應(yīng)用環(huán)境下，為減少信號(hào)干擾，傳感器與AD模塊間的電線應(yīng)使用帶電磁屏蔽的雙絞線，提高信號(hào)傳輸穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種無(wú)線稱重監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本原理及軟件、硬件設(shè)計(jì)方法，采用ZigBee近距離無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，綜合使用高精度AD轉(zhuǎn)換器、改進(jìn)的均值濾波+卡爾曼濾波算法軟硬件相結(jié)合的方法，提高數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性，并進(jìn)行仿真測(cè)試和分析，仿真測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)信號(hào)傳輸穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集精度高。下一步研究可以增加多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，同時(shí)可以考慮協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)接入路由器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，一方面可以增加稱重監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，另一方面可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

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