智能化工业重量测量仪设计方案

1 1 智能化工业重量测量仪设计 方 案 内外现状综述 展现状 近年来，随着微型计算机的发展，他的应用在人们的工作和日常生活中越来越普遍。工业过程控制是计算机的一个重要应用领域。其中由单片机构成的嵌入式系统已经越来越受到人们的关注。现在可以毫不夸张的说，没有微型计算机的仪器不能称为先进的仪器，没有微型计算机的控制系统不能称其为现代控制系统。 50 年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。 60 年代初期出现 机电结合式电子衡器以来，经过 40 多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。我国电子衡器的技术装备和检测试验手段基本达到国际 90 年代中期的水平 ,少数产品的技术已处于国际领先水平。国内的电子秤市场中 ,1009 左右量程的电子秤精度一般为 10子衡器制造技术及应用得到了新发展。电子称重技术从静态称重向动态称重发展：计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。在研究方法上 ,电子称重系统的工作原理一般是将作用在承载 器上的质量或力的大小 , 通过压力传感器转换为电信号 ,并通过控制电路来处理该电信号。 一些发达国家在电子称重力一面已经达到了较高的水平。特别是在准确度 和可靠性等方面有了很大的提高。在称重传感器方面 ,国外电子秤产品的品种和结构又有创新 ,技术功能和应用范围不断扩大 ,成果举例如下 : (l)美国 司研制出 具有大气压力补偿功能的拉压两用的称重传感器 ,用于高准确度检验平台 ,称重平台 ,准确度可达 5000d。 (2)德国 司研制成功 种不同结构的 1有耐压 2 外壳保护的防爆称重传感器 ,其防爆性能符合欧洲 标准。 (3)美国斯凯梅公司研制出新一代高准确度不锈钢 列 5重传感器 ,准确度 6000d。用于湿度大 ,腐蚀性强的环境中 ,而且防水。 (4)德国塞特内尔公司研制出以被青铜为弹性体材料 ,快速称重用 200 型称重传感器。其特点是线性好 ,固有频率高 ,动态响应快。独创油阻尼装置与过载保护装置一体化 ,保证称量时速度快 ,工作寿命长。组装 3 一 30子平台秤 , 准确度可达 4000d。 但就总体而言，我国电子衡器产品的 数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。 展趋势 通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化。 1小型化 体积小、高度低、重量轻，即小、薄、轻。近几年新研制的电子平台秤结构充分体现了小薄轻的发展方向。对于低容量的电子平台秤和电子轮轴秤，可采用将薄型或超薄型的圆形称重传感器，直接嵌入钢板或铝板底面与称重传感 器外径相同的盲孔内，形成低外形的秤体结构，称重传感器的数量和位置由秤的额定载荷和力学要求计算决定。钢板或铝板就是秤体的台面，称重传感器既是传感元件，又是承力支点，极大地减化了秤体结构，减少了活动连接环节，不但降低了成本，而且提高了稳定性和可靠性。对中等或较大容量的电子平台秤、电子地上衡，已经出现了采用方形或长方形闭合截面的薄壁型钢，并联排队列焊接成一个整体的竹排式结构的秤体， 4 个称重传感器分别安装在最外边两根薄壁型钢两端的切口内，安装在称重传感器承力点上的固定支承就是秤体的承力支点，既减化了承力传力机构，又 节省了秤体高度，这是一种很有发展前途的秤体结构。对于大型电子平台秤，可利用有限单元法进行等强度和刚度计算，采用抗弯刚度大的型材和轻型波纹夹心钢板等。 对于大型或超大型的承载器结构，如大型静动态电子汽车衡等，已开始采用几种长度的标准结构的模块，经过分体组合，而产生新的品种和规格。以（ 5、 6、 7） m 长的同宽度 3 种标准模块为例，由单块、二块、三块到 3 四块分体组合，可以组合成长度为（ 5 28） m 的 22 种规格的分体式秤体结构。当然在实际应用中，根据各行业用户的需要，选择其中 10 余种常用的标准规格即可。这种模 块化的分体式秤体结构，不仅提高了产品的通用性、互换性和可靠性，而且也大大地提高了生产效率和产品质量。同时还降低了成本，增强了企业的市场竞争能力。 对于某些品种和结构的电子衡器，例如小型电子平台秤、专用秤、便携式静动态电子轮轴秤、静动态电子轨道衡等，都可以实现秤体与称重传感器，钢轨与称重传感器，轨道衡秤体与铁路线路一体化。如秤体与称重传感器一体化的便携式静动态电子轮轴秤，多用硬铝合金厚板制成。其结构原理是经过固溶热处理强化的铝合金板，或通过在 4 个角上钻孔和铣槽分别形成 4 个悬臂梁型称重传感器；或在铝合金板的底面铣出多个对称的盲孔和盲槽形成整体剪切梁型称重传感器。这就使得秤体与称重传感器合二为一，即铝合金板既是秤体台面又是一个大板式称重传感器。以后者结构的 10t 便携式动态电子轮轴秤为例，其尺寸为720502重量约为 23 电子衡器的称重显示控制器与电子计算机组合，利用电子 计算机的智能来增加称重显示控制器的功能。使电子衡器在原有功能的基础上，增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织等功能，这就是当今市场上采用微机化称重显示控制器的电子衡器与采用智能化称重显示控制器的电子衡器的根本区别。 电子称重技术的发展规律就是不断的加强基础研究并扩大应用，扩展新技术领域，向相邻学科和行业渗透，综合各种技术去解决称重计量、自 动控制、信息处理等问题。例如在流量计量专业，如果按照传统的理论和方法建造一套标准大流量测量系统，价格相当昂贵。如果采用称重法即质量流量法，只要将重量和时间测量准确，大流量的测量问题就迎刃而解了。对某些商用电子计价秤而言，只具备称重、计价、显示、打印功能还远远不够，现代商业系统还要求它能提供各种销售信息，把称重与管理自动化紧密结合，使称重、计价、进库、销售管理一体化，实现管理自动化。这就要求电子计价秤能与电子计算机联网，把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统。 4 在工业称重计量过程或工艺流 程中，不少称重计量系统还要求具有可组合性，即测量范围等可以任意设定；硬件能够依据一定的工作条件和环境作某些调整，硬件功能向软件方向发展；软件能按一定的程序进行修改和扩展；输入输出数据与指令可以使用不同的语言和条形码，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。 第二章、总体方案设计 计要求 根据任务书要求，本次设计硬件应用分辨力 1g， 0 2桥力传感器，输出 1，运算放大电路采用仪表三运放放大电路 (简易 阶滤波电路，处理芯片 成语音播报、键盘 )， 码显示，电源模块 压芯片。软件编程应用 C 语言及凌阳系统汇编语言。 计方案 本次称重仪实现重量实时测量与显示，通过键盘控制可以实现语音播报、不同单位间的切换显示等智能功能。整体设计方案框图如图 1 5 图 1体方案设计框图 案论证 此次设计主要解决的是称重的问题，而称重最重要的是传感器的精度以及单片机的 换，确定重量 m 和输出电压 u 的关系，只要找到他们的线性的关系就可以通过编程显示出来。 对于重量 m 的确定可以采用电阻应变式传感器，由于它具有结构简单、体积小、使用方便、性能稳定、可靠、灵敏度高动态响应快、适合静态及动态测量、测量精度高等诸多优点，因此是目前应用最广泛的传感器之一。电阻应变式传感器由弹性元件和电阻应变片构成，当弹性元件感受到物理量时，其表面产生应变，粘贴在弹性元件表面的电阻应变片的电阻值将随着弹性元件的应变而相应变化。通过测量电阻应变片的电阻值变化，可以用来测量各种参数。当然，由于传感器本身输出的信号较小，变化的不明显，需要在传感器后加一个放大电路，经过小组分析讨论，可以采用三运 放差分放大电路。将所得到的电信号经过 换处理得到计算机能够识别的二进制，根据被测量的重量和电压之间的关系，可以通过 示出重量，通过语音播报模块播报出重量的大小。 键技术介绍 稳压电源：由于传感器输出变化为 1，稳压电源模块应保证足够小的输出纹波降低电源波动对传感器输出的干扰。本次设计方案采用传感器单独供电放大调理电路 压力传感器 压 力 电源电路 键盘 输入 凌阳单片机 示 喇叭 6 且与放大电路共地的设计，此方法即可提供稳定的电源又可保证输出准确性，同时兼顾经济性考虑。经过市场调查采用 压芯片，经过测量在 5V 输出时输出纹波小于 5足传感器要求。 信号调理：设计之初拟采用 表放大电路芯片，此芯片为 8装， 在实验面包板上可轻松与其他模块连接，放大效果好。但此芯片要求 5V 电源，不符合经济性与便携性的要求。经过考察论证，最后采用三运放仪表放大电路方案 运放只需 +5V 电压，通过电路内部电位器可实现放大倍数可调。在运算放大结束后，通过一阶 波可进一步保证输出模拟信号的稳定性。 程序设计：语音播报模块采用中断设计，为保证程序的正常运行，此处采用汇编语言编写。 结 经过对总体方案的设计，硬件部分难度主要难度在于：一、给传感器提供稳定的直流信号，保证电源的波动不会引起传感器输出的波动；二、调理过的信号达到 集的要求，并满足在 10g 重量引起数码管的显示变化。调理电路输出时要进一步滤波，尽可能降低波动对数码管显示的影响；三、软件设计中键盘部分采用中断设计，凌阳系统的中断系统有其特殊的中断系统语言，需要熟悉汇编编程语言。 第三章、详细设计 件电路设计 理器 控制器是凌阳 16 位单片机 主要包括输入 /输出端口、定时器 /计数器、数 /模转换、模 /数转换、串行设备输入输出、通用异步串行接口、 7 复位等功能，并且内嵌 32K 字的闪存（ 内置在线仿真电路 口，具有较高的处理速度以能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号，且是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。设计平台为 61 板（以凌阳 16 位单片机 核心的精简开发 其外围电路简单，只需要加上信号处理电路和电源就可以工作。引脚封装如图 3示。 图 31 版引脚图 感器电路 传感器采用差动电桥力传感器，电路原理如图 3示，实物图如图 3示。输入电压 5 10V，输出 1。变式传感器，它的核心组件是金属应变片，它可以根据称台受压的不同，应变片的敏感栅也随同变形，引起应变片电阻值相应变化，通过测量电路将其转化为电压信号输出。此外，此应变式传感器独特的镂空式悬臂梁结构，当受到同样的压力时，与实心的悬臂梁相比，它会有更大的形变，也就意味着更高的灵敏度。 8 图 3感器实物图 图 3感器电路图 号调理 信号 调理电路本采用 表放大电路，但 片需采用 5V 电源供电，不符合便携性与经济性。经过考察与测试后采用仪表三运放电路， A 9 三个均使用 片，配合若干电阻芯片。运放输出后，采用一阶 波电路如图 3示。选用 47F、 8算放大电路如图 3示，经计算两级放大电路放大倍数分别为 +（ 2） /2= 3算放大电路 图 3阶滤波电路 部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运放放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感器放大器、电流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 脚图如图 3性能如下： 10 超低偏移： 150V 最大； 低输入偏置电流： 低失调电压漂移： ； 超稳定，时间： 2V/大高电源电压范围： 15V。 图 3脚图 示模块 示电路如下图所示。此次使用的 片为 用时先初始 化 后确定显示位置，即可进行数字显示。需要在对比调整电压 接一个和电源电压相近的电压，否则 显示有故障。 11 件设计 本设计采用 C 语言编程，编译环境为 在代码编译、优化以及错误、警告定位方面都做了改进，在调试时的增加变量提示，在 察窗中数据变化以红色提示等等：为用户的软件编辑、调试提供了更加友好的界面。 主程序开始，首先定义初始化程序， 定义 0 9 十个数字对应的数码管显示编码， 集程序、 示程序、语音播报程序、按键程序。程序采用模块化的结构，这样程序结构清楚，易编程和易读性好，也便于调试和修改。 程序结构如图 3示。 12 图 3序结构图 A D 采 集 程 序 初 始 化 程 序 模 按 键 程 序 模 块 语 音 播 报 程 序 显 示 程 序 主 程 序 13 图 3程序流程图 选择 为 入。硬件连接： 盘模组的 2*4 8 位， 8 位， 8 位， 61 板的电压选择跳线 14 跳至 3V位置。采集电压经 示出来，并语音提示电压值。流程图如图 3示。 3音播报子程序 判断 是否变化后通过中断方式控制语音播报的产生，程序流程图如图 3示。 15 图 3D 转换子程序 换通过查询的方式判断转换是否结束，并将结果送至显示口显示，程序流程图如图 3示 . 16 图 3示子程序流程图 17 3盘输入子程序 键盘功能通过两个按键实现功能换算，显示校正功能，采用中断处理方式，使用凌阳汇编语言编写。程序流程图如图 3示。 本章介绍了单片机的选用，信号采集的放大电路、电源电路以及 示电路等。同时，详细介绍了各个单片机子程序的功能作用、实现过程。展示了本次课程设计中所用到的所有程序的流程图，具体程序代码见附录 是 仍有不足的地方，我们还没有实现键盘的输入的程序。 第四章、调试与结果分析 18 硬件调试工具主要有电压表和电脑。 在对单片机开发板进行调试时需要用电脑把程序通过下载线下载到开发板里面，按照固定的调试步骤来对开发板进行调试，看功能是否都能正常实现。硬件调试中主要是对放大电路以及 行调试。 在对放大电路调试过程中。主要问题是放大倍数小以及不稳定，开始是使用片而且没有运用放大电路，所以信号不稳定有杂波。之后在鲍老师的帮助下我们换了 片以及采用了滤波电路，之后就稳定很多了，但是还是有一点小问题。后来发现是电源电压不够大导致信号有问题，之后就用两个电源串联使电源足够大。 在对 调试中，主要问题是 示不清楚，背景太亮导致字符显示不清。刚开始单一的以为是软件的问题，然后每次都进行单步运行，用电压表测量 个引脚的电位，看数据是否都传输进去，结果发现数据都能传 输。后来发现 一个对比调整电压 接，然后试了一下接地没反应，接电源字符能显示清楚一下立刻消失，背景也没那么亮，考虑是否在 接一个接近电源电压的电压即可让 示清楚，再查阅资料发现 要加一个滑动变阻器接电源。然后就尝试找了一个滑动变阻器两端接电源和地，中间引脚接在 整电阻比，用电压表测量滑动变阻器中间引脚输出电压，调整电阻使电压接近电源电压但是要更小点，方便调试。然后接入电路，调整电阻使中间端输出电压增大，发现一个临界点可以使 示清楚。后来和老师交流的过程中发现源要接 +后 可以直接接地，查阅资料发现电源接 +动刷新，就会出现背景很亮字符不清楚的情况。 19 在对整个系统进行调试时，主要是对软件进行调试。一般来说一个大的工程如果直接先把软件全部写好然后整合到一起的时候会出现很多的 时就要使用一定的软件调试技巧。软件调试主要工具有电脑。 软件调试主要是对 A/D、 示以及语音播报进行调试。 20 此次设计的称重仪主要功能是能够实现 0品重量的测量，同时具有 示和语音播报功 能。 在进行整体性能调试时，首先对语音播报功能进行调试，在保证语音播报正常的情况下对 示进行调试，保证 示清楚，可以和语音播报的数值保持一致。在以上功能都能实现的情况下进行数据的测量来计算精度大小，在对测量结果分析后发现整个系统性能较理想。 电源选择最初考虑便携性与经济性，采用 8装 片，但此芯片需要 5V 电源供电，可用 7805 与 7905 芯片提供电源，但两个芯片需要不同的供电电源，这种设计增加了电池的用量，与便携性、经济性的出发点相悖，后来采用三运放仪表放大电路。经计算后两级放大倍数为 传感器输出信号为 级，经过放大电路放大后，输出电压可达到 V 量级。 0 1000g 输出测量传感器、运放输出值如下表所示。后数据经 理如下图所示。拟合直线后线性度为： 21 放大前（ 放大后 V 0g 00g 00g 00g 00g 00g 00g 00g 00g 00g 000g 量电压输出 22 数据测量拟合 结 经过设计此称重仪可以分辨 10g 的重量并使数码管变化，语音播报数码管数值，功能键 1 按键按下后，可换算斤为单位或磅为单位，功能键 2 按下后实现重量校正。最大量程 2在问题：本称重仪仍然存在现实的第四位跳变过大，不能稳定显示，电源模块可以进一步提高精度。运放的工作电压也可调节的更加稳定，使运放更加稳定的放大输出。程序代码也可进一步精简。 第五章、结论与展望 结论：经过设计此称重仪可以分辨 10g 的重量并使数码管变化，语音播报数码管数值，功能键 1 按键按下后，可换算斤为单位或磅为单位，功能键 2 按下后实现重量校正。最大量程 2 此称重仪基本达到了任务书的要求，但限制于砝码的数量没能测量满量程 2量时的输出，对于此传感器来说没法实现大量程较大数据的测量，其输出也没有与软件配合调试，进行进一步的标定。本次设计为了更加准确稳定的提供电源，电源模块采用了绿杨 流稳压电源提供传感器和信号 23 调理电路电源，实际产品中应考虑两节电池的低电压、低功耗设计，优化传感器方案和信号调理电路，减小模拟信号输出的波动，为后面 集模块提供更加稳定的模拟信号。本方案的调理运用了仪表三运放电路，虽然性能可靠但线路连接繁琐，增加了由于线路间耦合电容产生噪声对最后放大结果的影响，以后的设计中要采用性能更优 的运算放大芯片，优化布线。 在下一代产品中，提升硬件设计方案，选择性能更加优异的传感器和调理电路方案，通过按键可选择不同量程，满足对物体测重和人体体重的测量，降低对电源的要求从而可以提升便携性、满足外观设计的要求。升级处理器芯片，使数码管能够更加稳定的显示测量的重量值，通过 智能设备连接，通过智能设备的 现体重变化的智能统计，通过软件分析变化趋势，实现健康监测功能。 心得体会 本次三周的课程设计是大学以来收获最丰富的课程设计。此次设计开始时正值期末考试考试周，在 复习的紧张时期我们小组依然在没有考试的时间来到实验室坚持设计方案。考试结束后我们也顺利的设计出智能化称重仪方案。 本次设计我负责传感器及其电源模块、信号调理电路的设计。在拿到传感器了解其参数后，考验自己的第一个问题就是给传感器提供稳定的电源，保证在传感器测量的力没有变化时电源的波动不能引起传感器输出的变化。设计采用 压芯片，经过测量验证此芯片可满足传感器的稳压要求。此次设计遇到的最大的问题就是信号的调理电路，最初采用 表方法芯片，但是此芯片需要电压，经过胥老师的帮助 我们用两个 7805 芯片实现了的电压输出，但是需要使用的电池太多不符合实际的使用需求。后来经过与其他组交流我们选择了仪表三运放电路，最初的三个 片难以实现放大结果，在询问了鲍老师后我们更改方案，将最后一个芯片改用 片，成功实现了对信号的放大。但在后来与单片机的连接过程中，由于单片机自带 0 位 片，较小的电流信号跳变严重影响了数码管的显示。在于其他组交流后，我们在输出末端增加了简易的低通滤波电路，较好的解决了显示问题。 24 此次课程设计我体会到了设计产品的完整的过程，从方案 论证到样品测试及最后的设计定稿，每一步都需要严格的测试论证，我们小组不同的软硬件设计分工也要求我们要保持良好的沟通，解决软硬件结合中可能出现的各种问题。 在此要感谢张西良老师，鲍丙豪老师和胥保文老师，三位老师在整个的设计过程中给我们很大的帮助，我更是在鲍老师负责下一年级的课程设计多次打扰鲍老师，但鲍老师每次都给予了耐心细致的解答。张老师的研究生们也给我们提供了很大帮助，在最初焊接电路板时，师兄细心的提示我们焊接时的注意事项，在我们后来搭建电路需要器件时，师兄师姐们每次都耐心的帮我们寻找。这次课程社也使我的沟 通交流能力得到了提高。 再次感谢所有帮助我们的老师同学，以及我们小组成员，没有他们的帮助，我也没法顺利完成此次课程设计。 25 参考文献 1 夏如铁 雷仕庆 称重计量控制仪表的现状与发展趋势 J 中国合肥 2 我国称重仪表业现状与发展趋势 仪表展览网 3 称重仪表的历史，现状与发展趋势 贝尔东方电气 4 贾伯年 传感器技术东南大学出版社 2007 年第三版 5 张国雄李醒飞 测控电路 天津大学出版社 6 罗亚非凌阳 16 位单片机应用基础 北京航空航天大学出版社 7 卢胜利基于凌阳 计实验平台的专业综合设计教程 机械工程出版社 8 薛钧义等编凌阳 理及应用机械工程出版社 26 附录 I 附录 序代码： ,; 0,j=0,k=0,m,n=0; y=0;x=0; ,; ; 27 ; c=0; ; ; 。 3V 电压表服务结构 ; /初始化电压采集值 * 0* 0*; ) /主循环 * /扫描键盘 0 ; 0 ; ; x+; 0 28 ; ;n+; if(n=3) ;n=0; /*0 ; ; */ * 0; * _ *= 0 *0(); /丢掉第一个数 j=0; i=0; if(1) y=; if(1) if(n=1) ; 30 if(n=2) ; /得到电压值 if( /和前一次数据比较，有 变化更新显示和语音提示 if(k=0) k+; k+; 31 k=0; /取得要在 显示的数据，存 入 j 0000; =0000%10; =000%10; =00%10; =0%10; =0; /据更新 m = ; 图象叠加模式 /获取当前 ); 置为清除模式 /设 8,40,127,56,(m); /图象叠加模式恢复 /显示 换数值以及语音 播报结果 8,40,(0+); 6,40,.); ); 0); 8,40,(0+); ); 8,40,(0+); ); 8,40,(0+); ); 32 08,40,(0+); ); 16,40,V); 数码管显示程序（汇编）： /=