劉華鋒，劉慧燕，許東霞

（廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院，廣東 佛山 528216）

重量是水果及海鮮產(chǎn)品等級(jí)分類的一個(gè)重要參數(shù)，等級(jí)不同的產(chǎn)品在市場(chǎng)上受歡迎的程度不同，售賣的價(jià)格也不一樣。為獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益，果農(nóng)或漁民往往會(huì)對(duì)這些農(nóng)副產(chǎn)品分級(jí)。傳統(tǒng)的分級(jí)模式基本上是依靠人工分揀，人工分揀受主觀因素影響比較大，人工分揀的效率也比較低，這也影響到農(nóng)副產(chǎn)品等級(jí)劃分的另一個(gè)重要參數(shù)--新鮮度。為減少主觀因素對(duì)產(chǎn)品等級(jí)的影響，設(shè)計(jì)了這套實(shí)時(shí)重量測(cè)量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件組成

如圖1 所示，本文采用SMART 200 型PLC 作為系統(tǒng)的控制器件，采用某品牌的重力傳感器來(lái)采集重量信號(hào)，采用配套的變送器將重力傳感器采集的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化為PLC 能夠識(shí)別的量。

圖1 系統(tǒng)硬件組成圖

1.1 重力傳感器的工作原理介紹

重力傳感器是基于應(yīng)變效應(yīng)而設(shè)計(jì)的。在外力作用下，導(dǎo)體或者半導(dǎo)體材料會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形會(huì)導(dǎo)致該材料的電阻發(fā)生變化。將應(yīng)變式電阻粘貼在用于稱重的懸臂梁上，當(dāng)待稱重的物體放置于懸臂梁上時(shí)，懸臂梁在重物重力的作用下，會(huì)發(fā)生彎曲變形，粘貼在懸臂梁上的應(yīng)變式電阻片也隨之發(fā)生變形，從而引起電阻阻值的變化。為了將應(yīng)變式電阻片阻值的變化轉(zhuǎn)換為易接收和處理的電信號(hào)，特引入惠斯通電橋作為轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 惠斯通單臂電橋

在上述表達(dá)式中，應(yīng)變電阻ΔR1遠(yuǎn)小于R1，為簡(jiǎn)便計(jì)算，分母處忽略掉ΔR1，所以上述等式可進(jìn)一步改寫成：

根據(jù)惠斯通電橋平衡條件知：

所以：

R1、R2、R3、R4以及E 均為常數(shù)，由上式可知，電橋輸出電壓與被測(cè)應(yīng)變量呈線性關(guān)系。

1.2 轉(zhuǎn)換關(guān)系推導(dǎo)

本設(shè)計(jì)中，選用的重力傳感器測(cè)量范圍為0～5kg，輸出電流為4～20mA，即當(dāng)稱重物體的重量為0時(shí)，輸出電流為4mA，當(dāng)稱重重量為5kg時(shí)，輸出電流為20mA。模擬量轉(zhuǎn)換模塊接收到變送器輸出電流信號(hào)后，會(huì)將對(duì)應(yīng)的電流值轉(zhuǎn)換為數(shù)值，變送器輸出的電流為4～20mA時(shí)，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)變化為5530～27648。由以上對(duì)應(yīng)關(guān)系不難發(fā)現(xiàn)，重量傳感器的測(cè)量范圍0～5kg 對(duì)應(yīng)著PLC 識(shí)別的模擬量數(shù)值5530～27648，根據(jù)重力傳感器的線性特性可知：

圖3 AD 轉(zhuǎn)換圖

A 點(diǎn)坐標(biāo)（0,5530），B 點(diǎn)坐標(biāo)（0，AIW16），C 點(diǎn)坐標(biāo)（0，27648），D 點(diǎn)坐標(biāo)（5，27648），E 點(diǎn)坐標(biāo)（T，AIW16）

根據(jù)相似三角形的特性可得：

代入數(shù)值：

通過(guò)簡(jiǎn)單運(yùn)算，即可得出當(dāng)稱重物體的重量T與PLC 識(shí)別模擬量數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式：

2 變送器的校準(zhǔn)

在使用變送器前，需要校準(zhǔn)變送器輸出的電信號(hào)以減小測(cè)量誤差。需要選定變送器的兩個(gè)極值點(diǎn)，再分別調(diào)節(jié)變送器電流零點(diǎn)調(diào)節(jié)旋鈕和電流滿度調(diào)節(jié)旋鈕，使變送器輸出的模擬量數(shù)值等于理論值，這樣就完成了變送器的校準(zhǔn)。可以按照如下步驟實(shí)施。空置重力傳感器，此時(shí)變送器傳遞給PLC 的模擬量的理論數(shù)值應(yīng)該是5530，調(diào)節(jié)變送器的電流零點(diǎn)調(diào)節(jié)，使PLC 識(shí)別的模擬量數(shù)值（AIW16）為5530，第一個(gè)極值點(diǎn)校準(zhǔn)完畢。在重力傳感器上放置5kg 的砝碼，調(diào)節(jié)變送器的電流滿度調(diào)節(jié)旋鈕，使PLC 識(shí)別的模擬量數(shù)值（AIW16）為27648，第二個(gè)極值點(diǎn)校準(zhǔn)完畢。兩個(gè)極值點(diǎn)校準(zhǔn)完畢后，重力傳感器線性變化的斜率也就確定了，變送器校準(zhǔn)完畢。

3 程序設(shè)計(jì)

PLC 在做數(shù)據(jù)處理時(shí)，要求各數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型一致，數(shù)據(jù)類型不一致的數(shù)據(jù)，PLC 不能運(yùn)算。在公式（2）中，從變送器傳送至PLC 的模擬量數(shù)值A(chǔ)IW16為16 位的整數(shù)，需要將其轉(zhuǎn)化為32 位的整數(shù)后才能再將其轉(zhuǎn)化為32 位的實(shí)數(shù)，再才能做SUB_R、DIV_R 和MUL_R 運(yùn)算，最終計(jì)算的結(jié)果為實(shí)數(shù)。為方便顯示稱重結(jié)果，本系統(tǒng)中還引入了觸摸屏。當(dāng)觸摸屏和PLC 通信成功后，在觸摸屏頁(yè)面中添加文字標(biāo)簽，在顯示輸出界面中連接上PLC 對(duì)應(yīng)的變量即可。如圖4 所示。

圖4 觸摸屏變量連接

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，操作方便快捷，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。本系統(tǒng)采用PLC 作為控制器件，用觸摸屏顯示測(cè)量結(jié)果，增加了系統(tǒng)的靈活性，也為自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。