李佑長，何春燕

（玉林師范學院物理與電信工程學院，廣西 玉林537000）

0 前言

智能稱重技術[1-3]在食品行業(yè)日益受到關注，一些結合最新技術的應用使原有生產(chǎn)工藝持續(xù)改進，從而使食品質量更好、生產(chǎn)過程更加高效，為企業(yè)帶來了可觀的效益。但部分企業(yè)的重量篩選裝置也存在功能相對簡單、生產(chǎn)檢測篩選效率低的缺陷。本文介紹的基于單片機開發(fā)的智能重量篩選裝置[4-5]就是可應用在生產(chǎn)線上，用來檢測物品重量是否達標而設計的，且可應用于其它需要做重量篩選的相關行業(yè)。本文開發(fā)的稱重裝置應用單片機進行循環(huán)掃描稱量，實現(xiàn)自動控制，并利用回轉臺的原理，以最低的成本使裝置更加高效地篩選貨物。這種高效的稱量方式取代了傳統(tǒng)的人工稱量，保證了生產(chǎn)的快速化和準確化。

1 系統(tǒng)組成

本裝置總體設計包括可360°旋轉的回轉臺裝置、篩選桿剔除裝置、傳送帶裝置、711AD轉換模塊、重力傳感器模塊、紅外對管模塊、按鍵輸入模塊[6]、轉接板模塊和液晶顯示電路。系統(tǒng)的核心控制器為AT89S52單片機，按鍵調節(jié)主要控制物品的重量參數(shù)，可根據(jù)檢測物品種類的重量不同調節(jié)已知所需要重量目標值和誤差值，單片機會根據(jù)使用者調節(jié)的目標值和誤差值來篩選物品。系統(tǒng)總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計使用Keil MDK軟件設計平臺，采用C語言開發(fā)。Keil軟件為基于Cortex-M、ARM7處理器設備提供了一個完整的開發(fā)環(huán)境。軟件的編寫采用模塊化的設計思想，將整個軟件部分逐步劃分為子系統(tǒng)，再將子系統(tǒng)細分化為各個功能模塊來實現(xiàn)，最后再將所有的模塊程序融合成一個大系統(tǒng)來實現(xiàn)所需要的功能。

2.1 12864液晶顯示驅動程序設計

12864[7]是一種圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅動器/列驅動器及128*64全點陣液晶顯示器組成。IR是用于寄存指令碼，與數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)相對應。當D/I=0時，在E信號下降沿的作用下，指令碼寫入IR。DR是用于寄存數(shù)據(jù)的，與指令寄存器寄存指令相對應。當D/I=1時，在下降沿作用下，圖形顯示[8]數(shù)據(jù)寫入DR，或在E信號高電平作用下由DR讀到DB7～DB0數(shù)據(jù)總線。相關函數(shù)名稱如下：

void lcd_init（）；//c初始化函數(shù)

void lcd_eliminate（）；//清屏函數(shù) void LCD_XY（unsigned char X，unsigned char Y）；//顯示行列函數(shù)void display_num（char X，char Y，unsigned int shu）；//顯示數(shù)字函數(shù) void lcd_str（unsigned char X，unsigned char Y，unsigned char*p）；//顯示字母函數(shù)

void write_com（unsigned char com）；//寫指令函數(shù)void write_data （unsigned char date）；//寫數(shù) 據(jù) 函 數(shù)void send_bit（unsigned char byte）；//發(fā)送指令函數(shù)

2.2 711AD轉換模塊驅動程序設計

HX711[9-10]是一款24位 A/D轉換器芯片。HX711可以產(chǎn)生VAVDD和AGND電壓，即711模塊上的E+和E-電壓。該電壓通過VAVDD=VBG（R1+R2）/R2計算得出傳感器的供電電壓。該模塊電壓只有在采樣時刻才有輸出，因此用萬用表讀取的值可能會低于4.3 V，具有低功耗的特點。利用HX711采集計算重量傳感傳輸感受應力變化的電壓，進而反饋回單片機控制并調節(jié)。相關函數(shù)名稱如下：

unsigned long HX711_Read（void） //增益 128

{unsigned long count；unsigned char i；

HX711_DOUT=1；//打開 HX711_DOUT

Delay__hx711_us（）；

HX711_SCK=0；//關閉 HX711_SC

count=0；

EA=1；//開總中斷

while（HX711_DOUT）；//當 HX711_DOUT口接收到指令

EA=0；//關總中斷

for（i=0；i＜24；i++）//依次發(fā)送24位數(shù)據(jù)

{ HX711_SCK =1； count =count ＜＜1；HX711_SCK=0；if（HX711_DOUT）count++；}

HX711_SCK=1；//打開 HX711_SC

count=count^0x800000；//第 25 個脈沖下降沿來時，轉換數(shù)據(jù)

Delay__hx711_us （）；HX711_SCK=0； //關 閉HX711_SC

return（count）；}

2.3 軟件設計總體流程

系統(tǒng)上電后進行時鐘初始化、I/O口和相關外設初始化，按鍵輸入關于所檢測物品篩選的目標值和誤差值，確定完畢后按鍵啟動硬件開始運作，電機帶動傳送帶傳送，將物品運輸?shù)街付üぷ髋_，紅外對管檢測物品是否落入指定位置，若檢測到信號發(fā)生變化，便將信號反饋給單片機，使單片機控制電機驅動工作臺旋轉60°（工作臺360°分為6個小區(qū)域，每個區(qū)域平均分配60°），在這一過程中，紅外對管[11]一直循環(huán)檢測而重量傳感器也一直都在準備感應是否有物品落下，一旦電子秤檢測到有物品落入，重量傳感器就會根據(jù)開始按鍵值所設的目標值和誤差值進行對物品篩選。系統(tǒng)軟件設計的總體流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件設計的總體流程圖

3 系統(tǒng)硬件設計

為驗證篩選裝置設計是否能達到所需要的功能，采用較便宜且易制作的替代材料制作簡易的重量篩選裝置，裝置部分結構模型如圖3所示。

圖3 簡易重量篩選裝置

3.1 51單片機

本設計采用的核心控制芯片AT89S52[12]是一款具有8 K內存，性能較高，功耗較低的微處理芯片。單片機因為操作簡單，造價低，通常用在各種電子儀器和電子設備中，其中一些單片機因為處理數(shù)據(jù)快速，數(shù)據(jù)存儲內存較大，可反復燒寫程序而備受大家追捧。

3.2 回轉工作臺

該裝置在運輸物品的過程中結合以往回轉工作臺的原理，設計了一款新型的回轉工作臺。回轉工作臺本體為六方圓柱體，圓柱體底面以圓點為中心，將360°平均分為6個60°角，頂面采取不封閉狀態(tài)，圓柱體中間有兩個轉動軸體連接，并由電機控制驅動，使工作臺本體能夠同時沿豎直軸和圓柱平面旋轉，結合紅外對管能夠實現(xiàn)精準定位。其結構圖如圖4所示。

圖4 回轉工作臺簡易模型

3.3 推桿裝置

推桿裝置位于回轉工作臺下部，僅由三個構件組成的平面低副，而其中一個構件為機架，按照平面自由度算法，只需給定一個原動件就可驅動桿件收縮，由舵機驅動協(xié)助完成物品運輸途中的篩選步驟。其具有結構簡單、靈活性高、易操作等特點。其大概結構圖如圖5所示。

圖5 推桿裝置簡易模型

3.4 重量傳感器模塊

電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的主要組成部分之一。壓力傳感器[13]是能感受壓力信號，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號轉換成可用的輸出的電信號的器件。當基體受力發(fā)生應力變化時，電阻應變片也一起產(chǎn)生形變，使應變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。

3.5 LCD12864液晶

顯示部分選用LCD12864液晶，液晶采用串行的通信方式與單片機進行通信。通信協(xié)議是SPI協(xié)議，這樣的方式使得接口信號線減少，液晶采用直流5 V供電。其中它的RS數(shù)據(jù)/命令選擇端接到P2.7引腳，R/W讀寫選擇端接到P2.6引腳，E信號使能接到P2.5引腳，PSB接到P2.2引腳。簡易模型液晶顯示屏如圖6所示。

圖6 液晶顯示屏

4 實驗測試

本簡易裝置主要是為了驗證電子秤的重量傳感器的采集數(shù)據(jù)的準確程度與可行性。

4.1 重量傳感器采集數(shù)據(jù)測量

為了測試準確，本次采用五種不同的重量進行測試，而且每種重量均測試5次，得到表1中的數(shù)據(jù)。從這些數(shù)據(jù)可以分析得到，在進行單片機采集重量數(shù)值時，重量傳感器采集的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，與實際物品重量相差不超過1g，可以應用于實際生產(chǎn)，此外通過升級傳感器級別與減少裝置制造誤差可以進一步提升精度。存在不足之處在于由于測試裝置制作材料較簡單，對于重量較小（10g）的物品誤差有些偏高（達到8%），對于小重量的物品需要對裝置精度做進一步的提升，以滿足重量控制需要，當然需要增加較多成本。

表1 單片機采集重量數(shù)據(jù)

4.2 回轉工作臺角度控制測試

回轉工作臺以底盤為圓形制作的360°旋轉的傳輸裝置，分成6個角度均為60°角的區(qū)域，上邊構成六邊棱柱型，對于角度轉動精度方面有一定的要求。角度測試結果見表2中數(shù)據(jù)，由這些數(shù)據(jù)分析得到，在進行單片機利用紅外對管檢測控制回轉工作臺的角度時，重量傳感器采集的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，與實際角度60°相差不超過0.5°，誤差率均小于1%，具有較高的精度，可以應用于實際生產(chǎn)。

表2 回轉工作臺旋轉角度測試結果

5 結束語

本重量篩選裝置結合計算機技術、傳感器技術與機電一體化技術為一體完成本次設計，并利用360°旋轉工作臺加以改進，實現(xiàn)物品運輸高效化，采用一對多的運輸篩選通道，使產(chǎn)品檢測方面大幅度提升，應用成本方面大大地降低。通過簡易試驗裝置所做的試驗結果表明本設計裝置在原有的物品運輸和物品篩選渠道方面更有效地提升了自身裝置的優(yōu)越性，且制作簡單，結構清晰，可有效培養(yǎng)學生綜合應用各種知識的能力，也為市場提供了更具性價比的優(yōu)勢產(chǎn)品。