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基于单片机的籽棉动态称重系统 摘要 目前棉花加工业在进行籽棉称重时，大部分采用的是静态称重的方法， 使得整个加工过程不连续，生产效率较低。此外还有采用双料斗的方法来 进行动态称量，但是在已有加工设备上进行改造，工程造价较高，且称量 精度有限。 本系统根据棉花加工厂籽棉进厂及生产投料的计量需要，综合运用先 进的计算机与自动控制技术、电子称量技术、开发籽棉加工动态计量系统， 解决困扰棉花加工行业多年的技术难题，改变我国棉花加工生产管理模式 的落后现状，提高劳动生产率和行业管理水平。 在进行籽棉动态称重系统的设计过程中，籽棉连续不断地从高处掉进 籽棉箱中，如何在籽棉连续下落过程中获取一箱完整重量，是本系统的技 术难点。为了解决该问题，本系统采用了基于虚拟双料斗的全新动态称重 方法，其主要思想是运用“虚拟箱”的概念，应用“虚拟箱”把单箱籽棉 重量换算成脉冲当量，当单片机采集脉冲当量达到规定要求数值，相当于 当前该箱籽棉已经装满，前面“虚拟箱”籽棉已经下完，记录当前“虚拟箱” 的重量累加到称重籽棉的重量，从而实现连续动态称重。实验证明，与静 态称重系统相比较，采用虚拟双料斗的动态称重系统可获得较高的检测效 率，保证工序连续，提高称量精度，并可节约大量的人工费用。 关键词：虚拟箱，动态称重，籽棉，8 0 5 1 单片机 t h es e e dc o t i i o nd y n a m i cw e i g h d i gs y s ，i e mb a s e d o nm i c r o c o n t r o i ie rl ，n r r t h es t a t i cw e i g h i n gm e t h o di s w i d e l yu s e di nt h es e e dc o t t o np r o c e s s i n g i n d u s t 哆p r e s e n t l y , w h i c hc a u s e st h ee n t i r ep r o c e s s i n gp r o c e s sn o n c o n t i n u o u s ， a n dt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yl o w e r t h es e e dc o t t o nd y n a m i c w e i g h i n gs y s t e m u s i n gt h ed o u b l eh o p p e ri sa l s ou s e d ，b u tt h i sw e i g h i n gm e t h o di sr e b u i l tb a s i n g o nt h ef o r m e rp r o c e s s i n ge q u i p m e n t s ，w h i c hc a u s e st h ep r o j e dc o s th i g h e ra n d t h ew e i g h i n gp r e c i s i o nl i m i t i n g b a s eo nt h en e e do ft h es e e dc o t t o ni n p u ta n dt h em e a s u r eo ft h ef e e d i n p r o d u c e ri nt h ec o t t o np r o c e s s i n gf a c t o r y t h i ss y s t e mw h i c hi ss y n t h e t i c a l l y u t i l i z i n ga d v a n c e dc o m p u t e ra n dt h ea u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , t h ee l e c t r o n i c w e i g h i n gt e c h n o l o g y , d e v e l o p st h es e e dc o t t o nd y n a m i cw e i g h i n gs y s t e mb a s e d o nm i c r o c o n t r o l l e ru n i t s o l v e st h et e c h n o l o g yp r o b l e m sw h i c hp u z z l et h ec o r o n p r o c e s s i n gi n d u s t r ym a n yy e a r s ，c h a n g e st h eu n a d v a n c e ds i t u a t i o no ft h ec o t t o n p r o c e s s i n gp r o d u c t i o nm a n a g e m e n tp a t t e r n ，e n h a n c e st h el a b o rp r o d u c t i v i t ya n d t h ei n d u s t r ym a n a g e m e n tl e v e l d u r i n gt h ed e s i g n o ft h es e e dc o t t o nd y n a m i cw e i g h i n gs y s t e m ，t h es e e d c o t t o nd r o p p e di n t ot h es e e dc o t t o nc h e s tc o n t i n u o u s l y ，h o wt og e to n ew h o l e c h e s tw e i g h i n gd u r i n gt h ed r o p p i n go ft h es e e dc o t t o ni st h ek e yo ft h e t e a c h n o l o g y f o rt h es a k eo ft h ep r o b l e m ，t h i ss y s t e mu s e st h en e wd y n a m i c w e i g h i n gt e c h n i q u eo nb a s e dt h ev i r t u a ld o u b l eh o p p e r t h em a i nt e c h n i q u ei s t ou s et h ec o n c e p to ft h ev i r t u a lc h e s t ，u s et h ev i r t u a lc h e s tt oc h a n g et h eo n e w e i g h i n go ft h es e e dc o t t o ni n t ot h ep u l e sn u m e r i c a lv a l u e w h e nt h em c ug a t h e r t h en u m e r i c a lv a l u et ot h er e g u l a t e dn u m e r i c a lv a l u e ，i tm e a n st h a tt h ec u r r e n t c h e s ti sl o a d e da n dt h ef o r e rv i r t u a ls e e dc o t t o nc h e s th a sd r o p p e dc o m p l e t e l y t h e nn o t et h ec u r r e n tw e i g h i n go ft h es e e dc o t t o na n da d d i tt ot h et h e w e i g h i n go ft h ew e i g h i n go ft h es e e dc o t t o n ，t oa c c o m p l i s hf u l l ya u t o m a t i c n o n s t o pm e t e r i n g b yt h et e s t i f y i n go ft h ee x p e r i m e n ta n dc o m p a r e dw i t ht h e s t a t i cw e i g h i n gs y s t e m , t h ed y n a m i cw e i g h i n gs y s t e mc a no b t a i nt h eh i g h e r e x a m i n a t i o ne f f i c i e n c y ，g u a r a n t e e dt h ec o n t i n u i t yo ft h ew o r k i n gp r o c e d u r e ， i n c r e a s e st h ew e i g h i n gp r e c i s i o n ，a n dm a ys a v et h em a s s i v el a b o u rc o s t k e y w o r d s ：v i r t u a lc h e s t ，d y n a m i cw e i g h i n g ，s e e dc o t t o n ，8 0 5 1 m c u 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭 等违反学术道德、学术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容 外，本学位论文中不包含其他人或集体己经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它教育机构的学位或证书 所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后 果由本人承担。 学位论文作者签字：奠盛男签字日期：研f o 保证人( 签字日期：7 ，。 权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规 和编入有关数据库提供检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复 学位论文作者签名：建幽男签字日期：研f 乙 保证人( 导师) 签滞字日期：口7 ，v 1 绪论 1 1 引言 1 绪论 随着工业生产和商业贸易的不断发展，称重技术在人类社会各行各业活动 中成了不可缺少的组成部分随着科学技术的迅猛发展，称重技术的进步可谓 日新月异，机械秤向机电结合式电子秤和传感器式电予秤的更新换代速度不断 加快。 为适应用户的要求，国外不少生产电子秤的厂家和公司己能作到大量、多 品种，甚至按用户的要求个别定制在电子秤中，虽然能应用的传感器不乏2 0 多 种，但最常用的仍然是电阻应变式称重传感器近些年来由于剪切梁式传感器 具有对侧向载荷力不敏感、外形矮、安装费用低、能抵抗偏心载荷等优点，其 应用越来越普遍。随着焊接密封技术的突破以及材料选用和工艺技术的统一， 能经受极端恶劣环境的称重传感器也陆续出现，它将促进电子秤技术的普遍应 用，加速机械秤向电子秤方向的过渡”1 而微处理器和计算机的应用推动了称重 技术的发展，主要表现在：( i ) 微处理器及计算机己进入普及阶段，由于它们 的使用，使复杂称重信号的快速、实时处理成为可能，提高了称量准确性。同 时使输出信号打印、计价等结合在一起，提高了称重过程的自动化，使称重系 统的性能价格比更趋优越。( 2 ) 对称重传感器来说，由于微处理器及计算机的 采用，可以使费钱、费工的各种补偿程序向电子部分的功能转移，这就是硬件 性能的软件化( 3 ) 采用微处理器及计算机后，对动态称重中的动态信号的实 时分析，如数字滤波、傅氏分析、机械阻抗分析等成为可能，使动态电子秤成 为可能。( 4 ) 由于微处理器及计算机既可对内部电路，又能对外接单元进行诊 断和检查，所以加强了电子秤的可靠性( 5 ) 在显示方式上更能向用户提供数 据、图表、说明和综合信息等多种内容，因而这种友好的人机界面越来越被人 们所认识和采用。 人们常常希望称重测力在正常作业中同时完成，即尽量不占用( 零停机) 或 少占用时问。例如：轧钢厂中从坯料加热到轧制成材是一个连续的作业，为掌 华北水利水电学院工学硕士学位论文 握加热过程中的烧损率及产品的成材率，要求在不干扰正常生产的同时对钢材进 行快速或短时称量。在港口吞吐货物的计量中，为不影响装卸速度，常常要求 货物在输送或吊运过程中同时完成称量。此时，无论是皮带秤上流经的散料或 是吊秤下悬挂的货物，均处在运动状态。有时要对高速公路上行驶的汽车或铁 道上运行的火车进行称量；有时要对活的动物，诸如牛、医用小兔等进行称 量；有时要在运动的或振动的环境中，诸如在远洋轮船、飞机或货车上对物体 进行称量；在机加工行业中，与加工中心相结合的柔性制造系统( f m s ) ，大大 提高了机床的加工适应性和加工效率。但刀具破损已经成为系统正常运行的主 要故障，常常需要用动态测力仪来连续地监测回转刀具的运行状况：安装在机 器人手臂与手爪之间的“关节”多分量传感器或腕力传感器，在机械手操作时 能提供三维的力和力矩，它也是在运动条件下进行测量的。所有上述情况形成 了动态称重测力状态，它们的主要特征可以归纳为： ( 1 ) 被测对象处于非静止状态，即被称重或测力的物体在运动； ( 2 ) 测量环境处于非静止状态，即称重测力计量仪器置于其中的测量床身 台面或支架等在运动； 间。 ( 3 ) 在短时内进行快速测量，即测量时间短于称重测力计量仪器的调定时 动态称重技术己经广泛用于轨道衡，汽车衡和电子皮带秤等，他们根据各 个不同的运动规律确立了与之相应的数据处理方法。国际上已经取得了动态精 密测量的技术突破，称重技术水平已跨入高技术王国。 1 2 课题来源及课题提出的背景 本课题由郑州棉麻工程技术设计研究所出资，由我华北水利水电学院自动 化研究所自主完成。 目前棉花加工业在进行籽棉称重时，大部分采用的是静态称重的方法，即 采用机械磅秤的方式逐批称重棉花。在称重过程中，棉花需要车辆运输到称重 现场，花费了大量的人力、财力、和时间，严重的影响了生产效率。同时籽棉 2 1 绪论 出厂的报表数据以司磅员提供数据为依据，报表数据的准确性取决于司磅员的 责任心和事业心，也即籽棉产量数据严重依赖于人为因素，由于整个加工过程 不连续，生产效率较低 近几年来，我国投入了大量的资金来改进籽棉的称重方式，比如现阶段市 面上常见的电子称重系统、使用计算机进行称重等各种称重方法。这些称重方 法大大提高了籽棉的称重效率，省去了车辆的运输费用，节省了时间和资金 但是这些电子称重方法在籽棉称重方面有很大的不足之处，例如无法进行实时 连续地对籽棉进行称重，而且使用寿命也不长，由于受到籽棉下落时的重力的 影响，使得称重结果不精确，从而给生产带来了不必要的麻烦。 ， 为了提高作业的效率，人们期望得到快速连续自动称量的结果，使称重在 正常作业中同时完成，而不占用作业以外的时间。无论是传送带上的籽棉或吊 钩下的悬挂籽棉，均处于动态状态在运动或振动环境条件下的籽棉的称量， 都必须在动态条件下实施快速称量，才能提高作业的效率 1 3 动态称重的研究现状和发展趋势 称重技术在近百年的历史中大致经历了四个发展阶段：( 1 ) 约半个多世纪 的机械式模拟测量阶段；( 2 ) 电气测量和电子测量阶段；( 3 ) 2 0 世纪7 0 年代 末期，全面进入了数字化测量及微机智能化测量的阶段；( 4 ) 9 0 年代，开始进 入了模型化测量的新阶段。人们不仅要求取得测量的正确结果，而且要求对测 量结果的状态趋势进行估计，对动态变化中的量进行实时测量。这种要求仅仅 依靠传统的测量方法和数值处理的方法已经不可能实现，只有模型化测量才能 为解决日趋复杂的动态测量问题开辟一条新的路径近年来的发展取得了相当 惊人的进展，主要表现在称重测量技术由静态测量向动态测量、在线测量和模 型化方向发展。尤其在动态数学模型的建立，系统理论、模糊理论、人工智 能、神经网络、数字滤波、振动理论，阻尼技术等科学技术在称重领域的广泛 应用。系统的自诊断、自适应及功能自组织的形成，使称重计量向测量系统的 信息处理智能化、组合化和功能白适应化发展。动态称重技术水平日益完善， 分别在动态测量，自动在线测量，模型化测量和数字化测量等方面取得了较大 的进步。 3 华北水利水电学院工学硕士学位论文 ( 1 ) 动态测量 为了进行快速、连续、 重测力传感器、信号适调、 统进行正确的描述和分析， 度、解除多分量间的耦合， 准确的测量，求得被测量的稳态示值，就要求对称 处理、显示、记录及由此而组成的动态称重测力系 还要求削减动态测量的不确定度、提高动态响应速 进行动态补偿。 传感器部分是测量系统的输入端，它与被测的重量或力、过程或系统相连 接，并给出一个取决于被测量的输出信号。信号适调部分则将传感器的输出信 号进行加工，例如将电阻变换为电压或电流、信号放大或衰减、滤波、调制与 解调、阻抗变换、线性化及转换成数字编码信号等，以便成为适宜于进一步处 理的形式。信号处理部分接受适调部分输出的信号，并对其进行必要的运算而 转换成适宜于显示或记录的信号显示、记录部分是测量系统的输出端或终端 能让观测者便于认识或显示出或记录下重量或力值。 称重测力系统的上述四个组成部分的划分是相对的，有时甚至可以不存在 中间部分或某部分不止一次出现，但是对被测对象进行称重、测力并给出具体 量值的基本功能必须予以保证，也包括保证静态与动态计量特性、安全性能及 消费者利益的专用功能在内。一个称重测力系统，可由若干台仪器组成，也可 将全套测量系统组装成一台整机。 众所周知，动态测量是指为确定量的瞬时值及( 或) 其随时间变化所进行的 测量，即被测量是随时间而变化的；而静态测量则是指测量期间其值可认为是 恒定的量的测量。虽然在动态测量中，必须考虑信号的响应时间，即考虑激励 受到规定突变的瞬间与响应达到并保持其最终稳定值在规定极限内的瞬间之间 的时间间隔。而在静态测量中，通常并不考虑信号的响应时间，只关注测量结 果的不确定度和随时间的稳定性或可靠性。 在动态称重测力技术方面，尽管传感器的最新硬件技术起着重要的作用， 但是基于动力学系统模型的软件技术，对于设计动态测量的算法来说，却是更 为本质和更为重要的。这也就是说，应当利用测量系统的数学模型，把解决问 4 1 绪论 题的主要精力放在软件方面。诚然，硬件和软件这两条途径，对于研究动态称 重测力技术都是必要的 ( 2 ) 自动在线测量 在生产过程中需要快速而简单地在线采集和校验统计数据。传统的抽查方 式已不再适用，有逐渐被在线检测取而代之的趋势。七十年代末微机引入称重 计量仪表，给称重技术的发展注入了活力当前，用于在线测量的自动秤，已 不仅仅是为了剔除重量不足的产品，更是为了进行重量控制、统计分析与处 理称重计量仪表与计算机相联后可以编制出生产者想要的书面报告，例如实 时计数的直方图，重量的标准偏差，运行的平均值，相关的参数报告、统计报 告以及按时间、数量或重量分类的间隔报告等。因此生产者可以在远离计量站 的质量控制室里，通过遥控面板来改变参数。用于重量在线测量的自动秤主要 有以下5 种嘲： 重力式装料自动秤。根据o i l i l ( 国际法制计量组织) 第r 6 1 号国际建议。它 是通过自动称量程序，把物料分成预定的、重量恒定的散状物品( 载荷) 装入容 器的自动秤，通常包括选择组合秤，多斗组合秤及减量装料秤三种。它们主要 由一个或多个自动给料器或者与一个或多个称量单元相关的装置，以及适当的 控制装置与卸料装置组成。 检重自动秤。根据o ik ( l 第r 5 l 号国际建议，它是对预包装的分离载荷进行 称量或对非包装物的载荷进行分类的自动秤，国外直接称为抓料自动秤其中 x ( z ) 级秤用于按照o i m l 第8 7 号国际建议对包装品净含量的称量；y ( y ) 级秤则用 于按照重量对物品进行分类( 例如检验秤、分选秤) ，也可以用于按重量对单个 物品进行计价打上标签( 例如价格标签秤) 。 连续累计自动秤。根据o i m l 第5 0 号国际建议，它是安装在皮带输送机的适 当位置上，对散状物料进行连续、累计称量的自动秤，简称皮带秤。 5 华北水利水电学院工学硕士学位论文 非连续累计自动秤根据o i m l 第1 0 7 号国际建议，它是把一批散料分成若 干份分离的、不连续的载荷，按预定程序依次称量每一份载荷后分别进行累计 以求得该批物料总量的自动秤，简称累计料斗秤。 自动轨道衡。根据o i 虬第1 0 6 号国际建议，它是在铁路线上称量运行中货 车重量的一种自动秤。其称量台面( 秤台) 有足够的工作长度，以保证列车通过 台面时有足够的时间进行有效的采样。按其计量方式可分为轴计量、转向架计 量以及整车计量三种。 带有包装机构与相关控制装置的选择组合秤包括一个或多个称重单位，并 可计算出各称重单元的相应载荷及由它们组合而成的灌装载荷，在我国通常称 它们为定量包装秤或灌装秤；检验秤是将不同重量的物品，按其重量与标称设 定值之差，细分为两组或多组的检重自动秤；分选秤则是按给定的重量范围， 细分为若干组的检重自动秤；皮带秤无需对物料按重量进行细分，输送机的皮 带可按单一速度或多种速度运转；料斗秤在逐次称量时物料的重量通常各不相 等。在确定每斗的实际重量后即进行累计，我国粮食业( 例如储备粮食等) 也称 它为散粮自动秤：自动轨道衡已经发展成为轨道载荷、车辆状态安全监测系 统。能在较快速度f ( 4 0 8 0 k m h ) 测量车辆的轮重、轴重、超载、偏载、车轮 扁疤，以及识别车轮严重减载可能危及的行车安全。从而为列车提速、保障安 全提供了检测手段。以上不同种类的自动秤，在重量、力值、载荷的自动在线 测量中各具特色，发挥着不同的作用。 ( 3 ) 模型化测量 称重测力仪器作为一种常用的计量测试设备，可以认为近百年来经历了4 个 阶段：首先是半个多世纪的机械式的模拟仪器时代，接着是机电式的电气仪器 和电子仪器时代，然后于七十年代末跨人近期的数字式仪器和微机化仪器时 代，随之而来的便是九十年代开始进入模型化测量( m b m ) 仪器的新时代这是 因为人们不仅要求得到测量结果，还要求对测量结果进行综合评价，即对被测 的重量和力值进行状态估计、诊断或趋势分析。人们实际面对的，常常是需要 实时测量的、多变量的动态过程或系统。所以，仅仅采用传统的测量方法及数 值处理手段是不够的，需要借助于模型建立和参数估计，以实现智能化测量。 6 1 绪论 智能称重测力仪器嘲与微机化称重测力仪器的显著区别，就在于智能仪器中 无论是学习、推理、判断或自适应等功能，均需要各种数学模型构成的知识 层，在这个层面上，需要学习经验，获取与记忆知识，推理、判断与解决问 题。例如需要进行自动补偿、自动校准、自选量程、自寻故障、双向通信以及 适应外界环境等。具有这样能力的测量，方可称作是智能化测量。 事实上，利用数学模型或模型化测量的称重测力方法是很有前途的。它把 测量视为一个过程，把计量仪器视为一个系统。根据事先掌握的信息即先验知 识，以及实验获得的数据即后验知识，利用系统辨识来建立计量仪器的数学模 型，并通过相应的算法来处理数据和全面地描述仪器，从而对其性能进行状态 估计，或通过软件来改善计量仪器的硬件环境。 模型化测量为解决日趋复杂的动态测量问题开辟了一条新路7 1 。例如，称 重系统采用二阶系统的自回归滑动平均模型，借助于这个模型和递推的最小二 乘法即r l s ，即可由极短的称重阶跃响应估计出模型参数和被称的重量。仿真计 算表明，在输入端有白噪声干扰时，可用r l s 估计出重量。该法要求的测量时间 很短，通常不超过一个振荡周期即可得到良好的结果。 在微机化称重测力仪器中，目前也有引入知识模型而构成专家系统。即把 优秀的称重测力专家的思维过程固化到测量程序的软件中，与计算机修正程序 结合起来，进而提高计量仪器的测试能力和故障检测能力由此可见，测量软 件对于称重测力技术未来发展的意义不可低估。 ( 4 ) 数字化测量 为了适应动态测量的需要，在动态称重测力系统中，作为系统输入端的传感 器至关重要”特别在需要智能化的场合，传感器的直接或间接数字化已必不可 少，此时测量不确定度和测量速度往往是一对矛盾，两者很难兼得，而须根据 实际情况作折衷选择。在称重测力领域，我国目前大量生产和应用的都是传统 的模拟式传感器。模拟信号的输出较小，以生产量最大的、采用电阻应变原理 的称重测力传感器为例，一般最大输出为3 0 4 0 m v ，故其信号易受射频干扰和 电磁干扰，电缆传输距离也短，通常在1 0 m 以内。而同样是电阻应变式的数字化 7 华北水利水电学院工学硕士学位论文 传感器，其输出信号可达4 v ，是模拟式传感器的1 0 0 倍。强信号电缆传输距离可 在1 5 0 m ，附加电源后则可超过6 0 0 m 。 人们一直在为改善模拟式称重测力传感器性能所需的各种补偿而耗时耗 力，特别是在寻求廉价的灵敏度温度补偿，零点温度补偿，非线性补偿、滞后 补偿、蠕变补偿，以及它们之间可能存在的交互( 耦合) 作用的补偿机理和补偿 办法阻伽而数字补偿技术却为此提供了新的解决途径，因为即使是基于微处理 机的数字化传感器也能够通过线路设计和软件设计实现数字补偿。 在使用多个传感器并联的容器称重系统( 料斗秤或配料秤) 、平台称重系统 或秤桥( 汽车衡或轨道衡) 中，利用数字系统可实现。自校准”。这是因为多通 道的数字传感器系统，不存在阻抗匹配问题。用户输入各传感器的地址、秤量 和灵敏度，即可自动进行秤的“四角”或“边角”平衡，不必一次次地反复调 整，而在模拟系统中多个传感器并联接线后，每个传感器的特性就不再是可辨 别的了，校准时需要在每一个传感器上施加砝码并利用接线盒中的分压器进行 调整，由于调整时存在着交互作用，因而需反复多次。在数字系统中，则允许 分别复核作为单体的每一个传感器。实际上，校准装有数字传感器系统的秤所 花费的时间，仅为模拟系统的1 4 利用数字系统可以实现“自诊断”，即诊断程序会连续地检查各传感器信 号是否中断、输出是否明显超出范围等。若有问题，在仪表或控制器面板上会 自动显示或报警，用户利用面板上的键即可寻找各个传感器，独立地确定问题 原因并进行故障排除o “”1 。这种直觉诊断和故障排除能力，对用户显然是一种 重要优点，而在模拟传感器系统中则是很难以低成本实现的。 在称重测力领域中，典型模拟传感器系统的模数变换器有1 6 比特，即有5 万 个可用计数，而数字系统中每一个传感器的分辨率为2 0 比特，即有1 百万个可用 计数。所以，一个装有4 个数字传感器的系统即可提供4 百万个计数的分辨率。 这种高分辨率的优点，特别适用于秤架自重大而被称物重量小的场合。例如在 配料称重系统中，有时其中某配方的物料仅占很小比例，但准确度要求却仍然 很高。这在传统的模拟系统中同样是很难实现的。 i 绪论 目前，传感器数字化的方式通常有两种一种是将a d 变换连同前级的放 大、滤波及后级的微处理机芯片、温度敏感元件等一起，放在传感器壳体的内 部，形成一个整体。由于传感器的输出已经是数字信号，所以称重仪表中的模 拟信号处理单元可以取消，其结构得以简化另一种是传感器本身一切照旧， 而只是将a d 变换等放到附近的接线盒( m o d e m ，也称模块) 中前者称为整体型。 后者称为分离型。一台普通的双剪切梁传感器大约包括1 1 个电子元件，共有3 0 个焊点。变成整体的数字式传感器后，目前包括约6 0 个电子元件和3 5 0 个以上焊 点。传感器的平均无故障时间( m t b f ) 是与其包含的电子元件数和焊点数成反比 的，因而整体型数字称重传感器的可靠性显然有所下降 分散型数字称重传感器“”，或确切地说数字称重系统，用基于微处理机 的数字传感器模块替代了通常的接线盒每个传感器信号的高速和高分辨率的 a d 变换，就是在此模块中完成的，最多可以接1 2 只传感器。数据或资料被数字 化后，通过串行通信接口，传输到。数字过程称重控制器”这种光耦台式的 数字数据或资料的连结，可传输高电平数字信号而不受射频干扰和电磁干扰等 电噪声的任何影响。 显然，分散型方式更适宜于在原有模拟称重系统的基础上，不必更换传感 器就可以向数字称重系统发展，不失为对传统技术改造的一条捷径。可以预 见，数字传感器和数字称重测力系统在我国的发展将会是很快的。 动态称重测力系统已由一个单一的称重装置而逐渐的发展成为一个集称 重、自动控制和信息处理等部分组成的综合性的称重系统。随着称重系统的日 趋成熟，这种称重系统必将随着科学技术的进步和工业自动化水平的提高而继 续向前发展成为小型化、模块化、智能化、集成化为一体的称重系统，其技术 性能趋向于速度高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其应用性趋于综合性、 组织性。 1 4 本文的研究内容 我们根据客户需求，和郑州棉麻工程技术设计研究所合作，针对当今籽棉 称重方法的不足之处，提出了基于虚拟双料斗的动态称重方法。 9 华北水利水电学院工学硕士学位论文 本文主要从系统的硬件和软件设计两个方面来重点加以阐述。为了提高操 作效率，设计了键盘电路、l e d 显示电路和通讯电路这些人机交互电路，使 8 0 5 1 单片机能实时完成对整个称重系统进行管理，连续测量，并显示输出测量 数据。本文研究内容包括： 1 介绍了课题的来源、课题提出的背景，论述了动态称重的研究现状和发 展趋势。 2 系统硬件电路的设计：对照系统的硬件装置图说明了称重的原理。硬件 电路的设计是该系统的重点，包括8 0 5 1 芯片，称重传感器的选择，信号放大 电路，a d 转换模块，显示电路设计，键盘设计，数据通讯接口和防死机掉 电的设计。 3 系统的软件设计：阐述了主程序的设计思想，分别用程序和流程图两种 形式来说明物料称重模块， d 转换模块，数码管显示电路和通信模块。 4 对传感器的故障进行分析，同时对系统硬件进行了抗干扰设计。 2 基于单片机的耔棉动态称重系统的硬件设计 2 基于单片机的籽棉动态称重系统的硬件设计 系统硬件结构框图如下图2 一l 所示主要包括称重传感器、信号放大与偏置 电路、 d 转换器构成的前向通道，l e d 数码管显示电路、键盘电路、计算机构 成的人机对话系统 料位检测 电机运行信号 图2 1 系统硬件结构简图 f i g 2 - 1 t h ef r a m eo ft h es y s t e mh a r d w i r ed e s i g n 上图中数字电路主要包括8 0 5 1 单片机、a d 转换器，l e d 接口电路，键盘接 口电路和通讯接口电路等。当籽棉箱中有棉花时，压力传感器将压力信号转换 成模拟电信号，再通过放大器送到 d 转换器的模拟输入端，将转换后的数字量 送往单片机做为采样值进行算法处理。处理结果送往l e d 进行显示，同时将处理 结果通过通信接口送入上位机保存，为以后的数据统计提供确切的数据。系统 硬件的电路图如图2 - 2 所示 华北水利水电学院工学硕士学位论文 图2 - 2 系统硬件电路图 f i g 2 - 2t h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h es y s t e m 下面对系统硬件的几个重要组成部分详细介绍如下： 2 1 籽棉称重箱的设计与实现 动态籽棉称重系统的主要功能是测量正在工作着的籽棉箱底受力，并计算 相应静态籽棉重量。用来测量在特定地点、特定时间工作着的籽棉箱底受 力，计算籽棉的重量，并处理和存储这些信息，从而实现全自动、不停机计 量。根据生产实际，最终设计出了籽棉称重箱，其正视图如图2 - 3 所示。 2 基于单片机的籽棉动态称重系统的硬件设计 图2 - 3 机械装置正视图 f i g 2 - 3 t h ee n v i s a g ec h a r to ft h eb e c h a n i s m 结合图2 - 3 ，系统的称重原理如下： 一、标定 标定过程的目的是为了表示一箱相当于多少脉冲，即脉冲当量结合系统 的装置图，关闭下料电机l ，开进风阀9 ，开始进料当籽棉箱中的籽棉达到料 位开关l 时，关迸风阀，停止进料，同时计量该箱籽棉的重量g i ，8 0 5 1 单片机 计数器t o 采样该箱籽棉的相当脉冲值达到一，。以后在连续称重过程中，就把本 次记录的采样脉冲值挥，作为虚拟一箱的高度，对应的重量为g 。 二、称重 运行过程完成的就是生产过程中的连续秤重，当料到达上料位，关闭大气 阀；当下到下料位，开通大气阀，电机不停，按下启停键即可运行。 对照系统硬件图，系统的进料量大致等于出料量，且下科电机运转速度均 匀。开下料电机1 ，同时打开进风阀9 ，当8 0 5 1 单片机计数器t 0 采样脉冲值达到 华北水利水电学院工学硕士学位论文 雄，时，相当于虚拟的一箱已装满，前一个虚拟箱籽棉下完，即第k 箱装满，第 k 一1 箱下完，系统自动称量第k 箱的重量，并把此重量累加到g l 上，同时单片 机计数器t o 经过大量的实验，分析相关数据，发现脉冲计数完毕复位。如此不 断重复上述过程，连续计量籽棉重量。 三、误差修正 系统运行一段时间后，由于机械振动或系统本身计量元件的原因，会产生 累积误差。为提高称重准确度，需对此误差进行修正。该过程目的是为了修正 累计误差，当一箱物料下完，即脉冲当量计算完毕且此时物料正好到满箱，则 修正过程开始。关闭下料电机，当箱中的籽棉达到料位开关l ，即8 号料位时， 关进风阀，记录箱中籽棉的重量g x , 。当达到料位开关2 ，即7 号料位时，记录 单片机t o 采样脉冲值肛与箱中籽棉的重量g ：，则修正码字厅为：厅。善筹 2 2 动态称重系统微处理器的选择 微处理器是动态称重系统的核心单元，所有的动态信号都经由微处理器采集处理 并将结果送往数码管显示和上位机传送，a d 采集和大量数据的精确复杂运算是确保本 系统得以实现的核心，应用d s p 和1 6 位或者3 2 位的单片机是合适的，但是它们价格 较为昂贵同时性价比不高，在系统应用开发时，综合考虑，我们采用m c s 一5 1 系列的 8 0 5 1 单片机。8 0 5 1 单片机包含中央处理器、程序存储器( r o m ) 、数据存储器 ( r a m ) 、定时计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总 线、地址总线和控制总线等三大总线。8 0 5 1 采用4 0 p i n 封装的双列直插d i p 结 构，图2 4 是它们的引脚配置图。 鼎嚣； t o p 34 戳；： i 击，p 3t ，d i ， 图2 - 48 0 5 l 引脚 f i g 2 4t h ep i n so ft h e8 0 5 1 2 基于单片机的籽棉动态称重系统的硬件设计 v c c “0 ) ：+ 5 1 ，电源v s s ( 2 0 ) ：接地 p 0 口( 3 2 3 9 ) ：为8 位双向三态i o 口 p 1 口( 8 1 ) ：是带内部上拉电阻结构的8 位准双向i o 口 p 2 口( 2 8 2 1 ) ：也是带内部上拉电阻结构的8 位准双向i o 口 p 3 ( 1 7 1 0 ) ：也是带内部上拉电阻结构的8 位准双向i o 口，但在整个系统中，对 相应的口锁存器置“l ”后，这8 个脚还具有第二功能 r s t v p d ( 9 ) ：复位信号线。 a l e p r 0 6 ( 3 0 ) ：地址锁存有效信号线。 p s e n ( 2 9 ) ：外部程序存储器读选通信号线 酬v p p ( 3 1 ) ：内部和外部程序存储器的选择线i x t a l l ( 1 9 ) 和x t a l 2 ( 1 8 ) ：接外部石英晶体。 2 3 称重传感器的选择 传感器( t r a n s d u c e r 或s e n s o r ) 亦称为换能器。广义而言，传感器是将被溯 的某一物理量( 或信号) ，按一定的规律转换为与其对应的另一种量( 或信号) 输 出的装置。目前对传感器的定义，普遍的认为仍局限于非电物理量到电量的转 换，即传感器是将被测的非电物理量( 如力、重量、力矩、温度、流量、角度、 声响、转速等) ，转换成与之对应的、易于精确处理的电量或电参量( 如电流、 电压、电阻、频率等) 输出的一种测量装置随着现代科学技术的迅猛发展，非 电物理量的测试与控制技术，已广泛应用于各个领域之中，正逐步走入了人们 的日常生活。而传感器是实现测试与自动控制( 包括遥感、遥测、遥控) 的首要 环节旧。 在机电一体化系统中有各种不同的物理量( 如位移，压力，速度等) 都需要 控制和监测，如果没有传感器对原始的各种参数进行精确而可靠的检测，那么 对机电产品的各种控制都是无法实现的1 。因此，能够把各种不同的非电物理 量转化成为电物理量的传感器便成为机电一体化系统中不可缺少的部分信息 的采集与转换主要依赖于各类传感器，信息的处理则主要依赖于各类计算机。 虽然，电子技术的发展为信息处理提供了极其完善的手段，但是，如果没有各 华北水利水电学院工学硕士学位论文 类型的传感器去准确的捕捉并转换信息，最先进的计算机也无法发挥其应有的 作用所以说称重传感器是电子衡器中是将重力转换为电压信号，用以实现 力电转换的关键部分魄。 2 3 1 称重传感器的原理 在现代非电量的电测系统中，传感器通常情况下主要有两部分组成。它们 分别是敏感元件和转换元件，传感器的组成部分还可以用框图2 - 5 来表示。 图2 5 传感器组成框图 f i g 2 - 5s t r u c t u r ef r a m eo ft h es e n s o r 称重传感器是将被测力重力( 压力) 等机械量转换为与之成比例的电信 号的仪器。随着现代电子技术的发展，目前以采用电阻应变称重传感器作为力 一一电转换元件者居多。这种称重传感器结构简单、线性和动态特性较好，对 工艺和调试的要求都较为简单，因而本系统中选用电阻应变式称重传感器。 电阻应变式称重传感器由电阻应变计和金属弹性梁两个主要器件组成电 阻应变计由康铜箔在绝缘基底材料上做成丝状电阻丝，利用导线的电阻率与直 径大小成反比的特性鲫1 ，当丝状电阻丝在外力作用下，在弹性范围内其直径发 生细微变化时，它的电阻值也随之发生变化，因而电阻应变计能将称重传感器 所受到的力变为电信号。电阻应变计所产生的电阻变化率精度大约在1 0 - 1 6 _ 1 0 1 2 数量级，如此小的变化必须用灵敏度较高的惠斯顿桥式测量电路来测量溉 2 3 2 称重传感器的选取 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对 象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问 题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了测 量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理汹，“。 2 基于单片机的籽棉动态称重系统的硬件设计 ( 1 ) 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要 分析多方面的因素之后才能确定。 ( 2 ) 灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好因为只有 灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。 但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也 会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪 比，尽量减少从外界引入的干扰信号 ( 3 ) 频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内 保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越 短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特- 性的影响，机械系统的惯性较大，固有频率低的传感器可测信号的频率较低。 在动态测量中，应根据信号的特点( 稳态、瞬态、随机等) 响应特性，以免产生 过大的误差乜7 ，z s 。 ( 4 ) 线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。理论上讲，在此范围 内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一 定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是 否满足要求。 ( 5 ) 稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性影响传感 器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此， 要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。 1 7 华北水利水电学院工学硕士学位论文 ( 6 ) 精度 精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度 的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只 要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同 一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。 当选定传感器类型之后，主要应考虑组成称重系统的量程、准确度、传感 器的安装空间、周围环境对传感器可能产生的影响、加载的类型以及传感器的 寿命等多方面的因素。但选择传感器时又不局限一个方面而忽视其它因素。总 之要灵活掌握，以达到最佳性能价格比的要求。 综合以上考虑，所以本系统中选用b k - 3 型称重传感器。其特点： ( 1 ) 弹性体为三片梁、采用单悬臂梁( 或复梁) 结构，结构小巧，具有良 好的输出特性和抗偏能力 ( 2 ) 精度高，安装使用方便，性能稳定可靠。 ( 3 ) 拉压或压式承载。 ( 4 ) 适用于建材行业的电子秤、皮带秤、小量程测力称重的工业自动化测 量控制系统一 工作原理：根据电阻应变原理把力矩产生的应变转换成与其线性关系的电 信号。其主要技术指标如表2 1 所示。 2 基于单片机的耔棉动态称重系统的硬件设计 表2 - 1b k - 3 型称重传感器技术指标 t a b l e2 - 1t h et e c h n o l o g yg u i d el i n eo ft h eb k - 3 w e