（电路与系统专业论文）高钛渣自动称重系统设计.pdf

摘要 摘要 自动称重系统的准确度、稳定性及可靠性是系统极其重要的质量指标，也是用 户最关心的问题。本课题是针对攀枝花元亨实业有限公司机械分公司的高钛渣碎 分设备进行的自动称重系统设计。在认真研究了国内外自动称重设备现状及发展 趋势的基础上，通过对各种控制方案进行比较和分析，确定采用单片机与f p g a 相 结合的控制方案。 本文在研究中重点做了以下工作： 1 详细论述了称重传感器、a d 转换器、放大器等的选型依据及参数配置。 2 在电路设计过程中，对电源电路、放大电路、由f p g a 构成的接口电路、u s b 接口电路等五部分的原理和设计方法进行探讨。在详细论述的前提下，给出了这 些电路的具体构成和仿真结果。 3 通过对控制对象进行数学建模，确定控制策略。针对系统是一阶惯性环节 加滞后的特点，论述了预测控制的原理，及采用最小方差控制的受控自回归积分 滑动平均( 简称为c a r i 姒) 模型来对被控对象进行预测建模，从而找出最优控制 参数。并对其进行了m a t l a b 仿真。 4 与负载联机试用并调试，满足了称重的准确度及稳定性的要求，得到了厂 家的认可。 关键词：单片机，f p g a ，计算机仿真，自动称重 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea c c u r a c y , s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ea u t o m a t i cw e i g h i n gs y s t e m ，w h i c ha r e m o s tc o n c e r n e db yu s e = t s ，a l ee x t r e m e l yi m p o r t a n ti n d i c a t o r so fq u a l i t y t h ec o n t e n to f t h i si s s u ei sa b o u ta na u t o m a t i cw e i g h i n gs y s t e md e s i g n e df o rt i t a n i as l a gs m a s h i n g e q u i p m e n to ft i t a n i u ms l a gw h i c hb e l o n g st op a n z h i h u ay u a n h e n gm a c h i n e r yi n d u s t r y c o ，l t d b yc o m p a r i s o na n da n a l y s i so fc o n t r o lp r o g r a m ，w ea d o p t e dt h ec o m b i n a t i o n o fm c ua n df p g ac o n t r o lp r o g r a ma f t e rs t u d y i n gt h et r e n do fd e v e l o p m e n ti nf i e l do f t h ea u t o m a t i cw e i g h i n ge q u i p m e n t i nt h ep r o c e s so fr e s e a r c h ，t h ef o l l o w i n gk e yw o r kh a sb e e nd o n e ： 1 t h es e l e c t i o nb a s i sa n dp a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o no fw e i g h i n g 明n s o r ，a d c o n v e r t e ra n da m p l i f i e ra r ee x p o u n d e d 2 i nt h ep r o c e s so fd e s i g n i n gt h ee l e c t r i c a lc i r c u i t , f i v ep a r t so ft h e o r ya n d d e s i g n i n gm e t h o da b o u tp o w e rc i r c u i t , a m p l i f i e r 哳c u i t , i n t e r f a c ec i r c u i tc o n s t r u c t e db y t h ef p g a ，u s bi n t e r f a c ec i r c u i ta r ed i s c u s s e d t h es p e c i f i cc o m p o s i t i o no fc i r c u i ta n d s i m u l a t i n gr e s u l t sa r eg i v e no u tw i t he x p o u n d i n g 3 n ec o n t r o ls t r a t e g yi sd e t e r m i n e db ym a t h e m a t i c a lm o d e l i n gf o rt h ec o n t r o l l i n g 0 b j e c t f o rt h es y s t e mc h a r a c t e r i s t i co ff i r s t - o r d e ri n e r t i al i n ka n dl a g g i n gb e h i n d ，t h e t h e o r yo fp r e d i c t a b l ec o n t r o li sd i s c u s s e da n dt h e0 b j e c tc o n t r o l l e di sc a r r i e do u t p r e d i c t a b l em a t h e m a t i c a lm o d e l i n g 研t l lc a r i m am o d e lt h e nt h eo p t i m a lc o n t r o l p a r a m e t e ri sf o u n do u t w ec a r r i e do u tc o m p u t e rs i m u l a t i o nf o ri tw i t hm a t a l a b 4 t h eo n - l i n et e s ta n dd e b u g 百n gw i t ht h el o a dm e tt h er e q u i r e m e n t so fa c c u r a c y a n ds t a b i l i t ya b o u tw e i g h i n gs y s t e m w eo b t a i n e dt h em a n u f a c t u r e r sr e c o g n i t i o n k e y w o r d s ：s c m ，f p g a ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，a u t o m a t i cw e i g h i n g l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：拉虢 日期：俨y 年f 月r2 日 l 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：甑导师签名：兰l 兰磊 日期：刎 ) 年) 月，t 日 第章绪论 1 1 研究的目的与意义 第一章绪论 t s f 系列高钛渣碎分设备是攀枝花元亨实业有限公司机械分公司自主开发研 制的。具有效率高，自动化程度较高，便于检修等特点。但在该设备中没有产品 的自动称重包装工序，目前全部采用人工操作进行人工装料，台称称重。这样不 但称重包装持续时间长，包装效率低，工人劳动强度大，而且由于碎分后的高钛 渣颗粒非常小，因而在人工包装过程中，会造成材料外泄，从而引起空气污染， 使现场工作环境较恶劣，对工人的身体造成较大影响。随着攀枝市政府对攀枝花 钒钛产业园区加强安全环保管理，对企业进行全面检查，开展了扬尘污染的专项 整治工作。使得对该设备提出了封闭式自动称重包装的要求。 由于传感器技术和电子技术的迅速发展，电子称重技术日趋成熟，并逐步取 代机械秤。微处理机的出现使电子称重技术得到了进一步的发展。快速、准确、 操作方便、消除人为误差、功能多样化等方面已成为现代称重技术的主要特点。 称重方式也由过去的手动、离线和静态方式发展为自动、在线和动态方式。自动 在线称重和动态称重将成为主导的称重方式。所谓的自动在线称重是在生产线上 自动进行称重。在保证正常的连续作业的情况下，及时掌握重量信息。在提高生 产效率和产品质量、节省能源等方面起到了重要作用【i 羽。 1 2 研究内容、技术路线及实施方案 1 2 1 自动包装称重的工艺流程 如图1 1 所示为自动包装称重系统的工艺流程图。当把一个空的包装袋送往落 料管下方时，称重系统开始工作。异步电动机启动，带动粗螺旋推进器( 又称绞 笼) 旋转，推动渣粉从落料管落下。当渣粉重量达到设定重量的9 0 0 , , - 9 5 时，停 止粗螺旋推进器进料，然后启动细螺旋推进器进行微量添加，直到渣粉重量满足 给定重量的要求。细螺旋推进器由步进电机带动。一袋渣粉称重满足要求后，启 动封口装置，进行封口。渣粉称重系统分为两个阶段，第一阶段由异步电机带动 屯子科技人学硕十学位论文 粗螺旋推进器给料，这一阶段可看成为粗调过程，给料重量一定要小于额定重量。 第二阶段由步进电机带动细螺旋推进器进料，可看成是细调过程，使实际重量等 于要求的额定重量。实现每1 0 秒完成一次3 0k g 的称重，达到称量精度和称量速 度的要求。 1 2 2 总体方案设计 图1 1 高钛渣包装称重系统工艺流程图 机 针对高钛渣碎分设备的自动称重系统设计，主要包括称重传感器、模数转换和 f p g a 接口电路、单片机数据处理及控制，及数字显示等部分。其系统组成如图 1 2 所示。 图1 2 系统组成框图 在系统中重量值通过称重传感器变换成电信号送到线性放大器放大，经a d 转换后经f p g a 构成的接口电路进行滤波处理后，送到单片机系统通过与给定量 做比较，从而控制异步电机和步进电机进行工作。 称重传感器是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置，是电子称重 系统的心脏，它的性能在很大程度上决定了电子称重系统的准确度和稳定性。称 重传感器品种繁多，规格齐全，合金钢、铝合金、不锈钢、铍青铜制品应有尽有： 2 第章绪论 水下、钻井下测量，耐压防爆、抗辐射、耐腐蚀产品；微小和超大量程；多称量 与动态称量；集成化与模块化结构任用户选购。近几年外观质量的改进与提高十 分明显，基本没有喷漆产品，几乎全部是亮光或亚光化学镀镍、镀铬，烤漆，喷 塑，瓷质阳极化和不锈钢产品。从工作原理上分常用的称重传感器有应变式、霍 尔式、气膜式、差动变压器式、压阻式、电容式、振频式等。在设计电子自动称 重系统时，称重传感器的选择极其重要，选择称重传感器时应从精度等级、测量 范围、输出信号、体积、温度影响、抗振动冲击性能及安装维护等方面来考虑忙】。 放大器是对来自传感器的毫伏级信号进行放大以提高分辨率和降低噪声，使调 理后信号的电压范围和a i d 的电压范围相匹配。放大器应尽可能靠近传感器，使 得信号在受到传输信号的环境噪声影响之前已被放大，使信噪比得到改善p 】。 现在均采用集成运算放大器。集成运算放大器根据其应用被分成通用型、低功 率型、高精度型及高速和视频型等几个重要的类别，对于不同类别其器件参数会 有些不同。例如，高频交流放大器需要最大增益带宽积，但是不关注偏置电流和 偏置电压；电池供电的电路希望在最小的电源电流和电压下获得最好的所有参数 指标；用户设计时会以技术性能为代价使成本最小化；精密仪器的放大器会需要 最小的输入偏置和噪声，但是可能牺牲速度和低廉的价格1 4 】。 在本设计方案中由于对称重精度要求较高，故在放大器的选择上考虑用精密仪 用放大器，在器件参数上主要考虑其失调电压、失调漂移、共模抑制比、转换速 率、噪声等。 模数转换器是完成数据采集任务的，各种类型信号采集的难易程度差别很大。 实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意， 还有更多的实际的问题要解决。在a d 转换器中，因为输入的模拟信号在时间上 是连续量，而输出的数字信号代码是离散量，所以进行转换时必须在一系列选定 的瞬间对输入的模拟信号取样，然后再把这些取样值转换为输出的数字量。因此， 一般的a i d 转换过程是通过取样、保持、量化和编码这四个步骤完成的【5 1 。 假设现在对一个模拟信号x ( t ) 每隔at 时间采样一次。时间间隔at 被称为 采样间隔或者采样周期。它的倒数1 at 被称为采样频率，单位是采样数每秒。 t = 0 ，at ，2at ，3at 等等，x ( t ) 的数值就被称为采样值。所有x ( 0 ) ，x ( t ) ，x ( 2at ) 都是采样值。如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率， 缺少了时间尺度，也不可能知道信号x ( t ) 的频率。 根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了 采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率， 电子科技人学硕十学位论文 它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于恩奎斯特频率的成分，信号将在 直流和恩奎斯特频率之间畸变。采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与 原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠( a l i a s ) 。出现的混频偏差( a l i a sf r e q u e n c y ) 是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。因此输入信号必须在 转换前由输入滤波限制带型】。采样频率应当怎样设置昵? 理论上设置采样频率 为被采集信号最高频率成分的2 倍就够了，实际上工程中选用5 1 0 倍，有时为 了较好地还原波形，甚至更高一些。把取样电压转换为相应的数字量都需要一定 的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。可见，进行a d 转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的输入电压。 数字信号不仅在时间上是离散的，而且在数值上的变化也是不连续的。这就 是说，任何一个数字量的大小，都是以某个最小数量单位的整数倍来表示的。因 此，在用数字量表示取样电压时，也必须把它化成这个最小数量单位的整数倍， 这个转化过程就叫做量化。所规定的最小数量单位叫做量化单位，用表示。显 然，数字信号最低有效位中的l 表示的数量大小，就等于。把量化的数值用二 进制代码表示，称为编码，这个二进制代码就是a d 转换的输出信号【洲。 常用的a d 转换器可分为并行比较型、逐次比较型和双积分型等几种。 并行a d 转换器由于转换是并行的，其转换时间只受比较器、触发器和编码 电路延迟时间的限制，因此转换速度较快：使用这种含有寄存器的并行a d 转换 电路时，可以不用附加取样一保持电路，因此比较器和寄存器这两部分兼有取样 保持的功能；随着分辨率的提高，元件数目要按几何级数增加。一个n 位转换 器，所用的比较器个数为2 。一l ，因而，位数越多，电路越复杂，因此要得到分辨 率较高的集成并行a d 转换器，需要很复杂的电路，这也是并行a d 转换器最大 的缺点。 逐次比较型a d 转换器的转换过程与用天平称物体质量的过程非常相似。逐 次比较型a d 转换器的工作原理就是将输入的模拟信号与不同的参考电压做多次 比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值。逐次比较型 a d 转换器完成一次转换所需的时间与其位数和时钟脉冲频率有关，位数越少，时 钟频率越高，转换所需时间就越短。这种a d 转换器具有转换速度快、精度高的 特点。 双积分型a d 转换器是一种间接a d 转换器。它的基本原理是，对输入模拟 电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间 间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。 4 第一章绪论 由于该转换电路是对输入电压的平均值进行转换，所以它具有很强的抗工频干扰 能力，在数字测量中得到了广泛应用。 a d 转换器的主要技术指标有： 1 转换精度：它是用分辨率和转换误差来描述的。 ( i ) 分辨率：它说明a d 转换器对输入信号的分辨能力。 ( 2 ) 转换误差：表示a d 转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之 自j 的差别。 2 转换时间：指a d 转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的 数字信号所经过的时间。其中并行比较a d 转换器转换速度最高，8 位二进制输出 的单片集成a d 转换器转换时间可达5 0 n s 以内。逐次比较型a d 转换器次之，转 换速度较慢，一般在l o u s 5 0 u s 之间，也有达几百纳秒的。双积分型a d 转换器 次之，转换时间大都在几十毫秒至几百毫秒之剐7 1 。 在实际应用中，应根据系统数据总的位数、精度要求、输入模拟信号的范围 及输入信号极性等方面综合考虑选用何种a d 转换器。 在输入信号的连接方式上，一个电压信号可以分为接地和浮动两种类型。测量 系统可以分为差分( d i f f e r e n t i a l ) 、参考地单端( r s e ) 、无参考地单端( n r s e ) 三种类型。 差分测量系统中，信号输入端分别与一个输入通道相连接。一个理想的差分测 量系统仅能测出( + ) 和( 一) 输入端口之间的电位差，完全不会测量到共模电压。 参考地单端测量系统，也叫做接地测量系统，被测信号一端接模拟输入通道， 另一端接系统地a i g n d 。 无参考地单端测量系统，信号的一端接模拟输入通道，另一端接一个公用参考 端，但这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的。 在数据处理上及自动控制中，一般有3 种选择，分别是嵌入式微机、d s p 和单 片机，它们的性能比较如表1 1 所示【引。 表1 - 1 嵌入式微机、d s p 和单片机性能比较 指标嵌入式微机 d s p 单片机 运算速度一般快慢 信息处理量 大 大小 体积和重量大小小 系统集成度 高一般低 5 电子科技大学硕十学位论文 开发成本适中高低 典型器件s u p e r d x 嵌入式模块t m $ 3 2 0 c 5 4 xm c s 5 1 单片机最明显的优点是价格便宜，从几元人民币到几十元人民币。这是因为这 类芯片的生产量很大，技术也很成熟。 其次，单片机的体积也远小于其它两种方案。单片机根据功能多少引脚封装从 十几个到四十多个等。 当然，单片机无论在速度还是容量方面都远小于其它两种方案，但是在实际工 作中，由于只是完成相对比较简单的控制因而其速度与容量也够用了。 单片机是微电子技术与计算机技术的结晶，现已成为集成电路大家庭中的重要 成员。单片机是将中央处理器( c p u ) 、随机存储器( r a m ) 、只读存储器( r o m 或e p r o m ) 、定时器芯片和一些输入输出接口电路集成在一个芯片上的微控制器。 中央处理器主要包括运算器、控制器和寄存器3 个部分，是单片机的核心。 存储器按工作方式可以分为两大类：随机存储器r a m 和只读存储器r o m 。 r a m 可被c p u 随机地读写，断电后存储的内容消失；r o m 中的信息只能被读取， 一般用于存放固定的程序。r o m 中的内容只能用编程器专用设备写入。 输入腧出接口( i o 接口) 是单片机的重要组成部分。程序、数据以及现场信 息需要通过输入设备送到单片机，计算结果需要通过输出设备输出到外设。常用 的输入设备有按键、键盘、a d 转换器等，输出设备有l e d 、电机等翻。 目前，单片机正朝着兼容性、单片系统化、多功能和低功耗的方向发展。突出 表现在以下几个方面：第一，从i n t e l 公司m c s 5 1 系列单片机的一枝独秀，发展 成它与各种兼容机互为补充、兼容并蓄、各领风骚、百花齐放的新格局；第二， 单片系统( s o c ) 是内含单片机的系统级芯片，它把电子整机之间( 测控系统) 的功能集成到一个芯片中，这预示着在不久的将来，i c 与电子整机之间的界限将 被彻底打破；第三，单片机正被集成到智能传感器芯片之中，构成具有高性价比 的智能化专用i c 。单片机与单片机系统、智能传感器、网络通信等高新技术的融 合，必将成为2 1 世纪新的经济增长点【9 1 。 传统的单片机系统设计由于必须使用许多常规控制芯片和专用i c 来组成单片 机的外围电路( 如地址锁存，s r a m ，e p r o m 端口的译码以及i o 扩展等) ，这样 势必使系统的芯片数增多，系统接线复杂，从而使系统的可靠性和e m i 性能下降， 同时使电路的设计制造变得复杂。随着电子器件的不断更新，电子技术得到了飞 速的发展，可编程逻辑器件p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 在结构、工艺、集 成度、功能、速度和灵活性等方面都有了很大的改进和提高，从而为高效率、高 6 第一章绪论 质量、灵活地设计单片机系统提供了可能。 可编程逻辑器件是在2 0 世纪8 0 年代发展起来的器件，p l d 是一种由用户 根据自家的需要来设计逻辑功能并对此期间进行编程后实现的。随着微电子技术 的发展，可编程逻辑器件从早期只能存储少量的数据，完成简单的逻辑功能的可 编程只读存储器( p r o m ) ，发展到能完成中大规模的数字逻辑功能的可编程阵列 逻辑( p a l ) 和通用阵列逻辑( g a l ) ，今天发展到可以完成超大规模的复杂组合 逻辑与时序逻辑的现场可编程逻辑器件( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 。 随着工艺技术的发展与市场需要，超大规模、高速、低功耗的新型f p g a c p l d 不 断推陈出新。新一代的f p g a 甚至集成了中央处理器( c p u ) 或数字处理器( d s p ) 内核。f p g a 和c p l d 的内部结构稍有不同，通常，f p g a 中寄存器资源比较丰 富，适合做同步时序较多的设计；c p l d 中组合逻辑资源比较丰富，适合做组合 电路较多的设计【1 0 1 。 由于f p g a 的l c a 结构以及它内部丰富的资源。可以用来设计组合逻辑、编 码译码器、a l u 、同步时序逻辑、移位寄存器及计数器、总线控制器、三态门、 异步时序逻辑等任何数字电路，因此使用f p g a 对单片机进行优化可以构成简单 的2 片系统，能够大大简化系统硬件电路，提高系统的可靠性，使系统的设计、 修改和扩展都变得十分灵活方便，同时系统具有较强的保密特性，便于知识产权、 的保护。 1 2 3 拟达到的主要技术参数 1 每袋渣粉额定重量为3 0 k g ： 2 要求每小时包装数量为8 0 袋； 3 系统的称重控制精度要求为o 2 。 7 电子科技大学硕十学位论文 第二章系统硬件设计 硬件设计部分将先寻找单元电路最合适的设计方案，再进行单元电路设计。在 硬件设计过程中，曾考虑过两种实现方案。一种是采用单片机作为系统控制核心 单元，辅以适当的外围芯片及软件构成测量控制系统。硬件系统中包括一些常用 的单片机外围芯片，有键盘及显示接口芯片8 2 7 9 ；输出接口扩展芯片8 2 5 5 ；常见 的7 4 系列的锁存器及译码器；及放大器、a d 转换器、显示器等等，合计使用芯 片约为2 0 块。这种以单片机为基础，原理简单，但由于硬件所用芯片较多，从而 使电路连线复杂，性能稳定性差，制作难度较大。二种是采用单片机与f p g a 相 结合的方法，利用可编程芯片取代外围的接口芯片，这样整个系统集成度提高， 单片机用于数据计算、单位转换和对f p g a 控制。由于在系统中可将a d 转换与 f p g a 相连，在f p g a 中完成中值滤波，这样可大大提高数据采样的速度，从而进 行更有效的实时控制。在单片机和f p g a 之间采用s p i 形式进行通信，这样可使 电路连接线变得较少，电路制做的难度降低，电路的稳定性也可以得到较好的保 证。采用f p g a 提高了电路的工作速度和可靠性，降低了电路功耗。并可进行在 线调试及改进，因而决定采用第二种方案设计该测控系统。 2 1 称重传感器 称重传感器是电子称重的核心部件，它把重力转换成电信号。称重传感器从原 理来分有很多种，包括电阻应变式、压阻式、电容式、振弦式、电感式等。选择 称重传感器时首先应考虑以下几个方面： 首先是灵敏度的选择。通常，在传感器的线性范围内，希望灵敏度越高越好。 因为只有灵敏度高时，与被测量对应的输出信号值才比较大，有利于信号处理。 但灵敏度高时，与被测量无关的外界噪声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。 第二是稳定性的选择。传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力称为稳 定性。影响传感器长期稳定性的因素除其本身结构外，主要是使用环境。因此， 要使传感器具有良好的稳定性，必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之 前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择适合的传感器，或采 第二章系统硬件设计 取适当的措施，减小环境的影响。其中环境对称重传感器的影响表现在高温环境 造成传感器的涂覆材料融化、焊点开化、弹性体内应力发生结构变化；露天粉尘、 潮湿对传感器造成短路的影响，在此环境条件下应选择密闭性很高的传感器，不 同的传感器其密封的方式是不同的，其密闭性存在很大差异。常见的有密封胶填 充或涂覆；橡胶挚机械紧固密封；焊接和抽真空充氮密封。从密封效果来看，焊 接密封为最佳，充填涂覆密封为最差。对室内干净、干燥环境下工作的传感器， 可选择涂胶密封的传感器，而对于一些在潮湿、高粉尘环境下工作的传感器，应 选择膜片热套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的传感器；在腐蚀性较高的环境 下，如潮湿、酸性对传感器造成弹性体受损或产生短路等影响，应选择抗腐蚀性 能好且密闭性好的传感器；电磁场会使传感器输出信号发生紊乱，在此情况下， 应对传感器的屏蔽性进行严格检查，看其是否具有良好的抗电磁干扰的能力；易 燃、易爆环境必须选用特制的防爆传感器。传感器的稳定性有定量指标，在超过 使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。 第三是准确度的选择。传感器的准确度等级包括传感器的非线性、蠕变、蠕变 恢复、滞后、重复性、灵敏度等技术指标。传感器的准确度越高，其价格越昂贵， 因此，传感器的准确度只要满足整个测量系统的准确度要求就可以，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。如果测量目的是定性分析的，选用重复准确度高的传感器即可，不宜选用绝 对量值准确度高的；如果是为了定量分析，必须获得准确的测量值，就选用准确 度等级能满足要求的传感器。在一个自动称重系统中是对传感器的输出信号经过 放大、a d 转换等处理之后驱动电机负载或显示称量结果的。因此，灵敏度要满 足称重系统对输入信号的要求，传感器的输出信号要与称重系统相匹配。准确度 的选择要满足称重系统的要求。在对传感器准确度选择的时候，应使传感器的准 确度略高于理论计算值，因为理论往往受到客观条件的限制。总之，既要从各方 面提高要求，又要考虑经济效益，确保达到高性价比。 第四是传感器数量和量程的选择。传感器数量的选择是根据自动称重系统的用 途、秤体需要支撑的点数( 支撑点数应根据使秤体几何重心和实际重心重合的原 则而确定) 而定。传感器量程的选择可依据称重系统的最大称量值、选用传感器 的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。根据 经验，一般应使传感器工作在其3 0 - 7 0 量程内，但有较大冲击力的衡器，在选 9 电子科技人学硕十学位论文 用传感器时，一般要使传感器工作在其量程的2 0 - - 3 0 之内，才能保证传感器的 使用安全和寿命。 第五是传感器型号的选择。传感器型号的选择要考虑各种类型传感器的适用范 围。这主要取决于称量的类型和安装空间，保证安装合适，称量安全可靠。另一 方面，要考虑厂家的建议。厂家一般会根据传感器的受力情况、性能指标、安装 形式、结构形式、弹性体的材质等特点规定传感器的适用范围【 9 1 。 从以上列举的五个方面综合考虑，目前大量生产的仍然是电阻应变式传感器。 它在称重传感器中所占的比例达9 0 以上。由于现场使用环境相对比较恶劣， 高钛渣的温度较高，粉尘较大。为此需选择膜片热套密封或膜片焊接密封的电阻 应变片式传感器。 传感器组数的选择由下式计算得出： ：k g o + c 肘 ( 2 1 ) 式2 1 中，k 为安全系数，该系统选k 予2 ；c 为秤台自重，该秤台自重为1 0 k g ， m 为最大量程，取m = 3 6 k g 。g o 为一袋渣粉的重量为3 0 k g 。将以上各值代入式 2 1 中算得n = i 9 4 ，实取n = 2 。两组以上的传感器在连接时有串联电路和并联电路 二种。由于串联电路每只传感器需独立供电，使得供桥电源复杂，工作可靠性低， 串联后输出阻抗的增大又易于引入干扰。故采用并联电路，并联输出时，所有的 传感器都用同一供桥电源，因而工作可靠性高，并联后输出阻抗低，相应地抗干 扰能力增强。为避免并联方式由于传感器内阻不等，灵敏度不一致的各传感器在 受载不均时产生附加误差，在组秤时，应使传感器的灵敏度与输出阻抗之比尽可 能一致，如相差较大时，可在电路中增加隔离电阻，隔离电阻的阻值大约是传感 器的输出阻抗的2 0 , - 4 0 倍。这样可有效地消除或降低偏载误差。 综合各方面考虑最终采用了b h r 1 0 型电阻应变式称重传感器。该传感器采用 单孔悬臂梁弹性元件结构，具有优良的自然线性和较强的抗侧向力、强度高、稳 定性好及安装方便等特点。可广泛用于各种轨道衡、皮带秤、料斗秤以及各系统 中作力的分析和测量。 其主要技术指标： 1 非线性垒o 0 2 f - s 2 滞后误差s o 0 2 f s 3 重复性误差郢0 2 f - s 1 0 第二章系统硬件设计 4 输出灵敏度 2 i i l v v 0 0 0 1 5 输出阻抗及桥压3 5 0 剑1 0 v d c 6 蠕变( 3 0 r a i n )：t o 0 2 f s 7 工作环境温度 1 0 + 5 5 8 过载能力 1 2 0 f s 9 温度零点影响 0 0 0 2 f s 2 2a d 转换器 a d 器件和芯片是实现单片机数据采集的常用外围器件。a d 转换器的品种繁 多、性能各异。为了选择合适的a d 转换器以满足系统的要求，主在从二个方面 的指标来选择。 首先是a d 转换器位数的确定，主要从系统的静态精度和动态平滑性这两方 面进行考虑。从静态精度方面来说，要考虑输入信号的原始误差传递到输出所产 生的误差，它是模拟信号数字化时产生误差的主要部分。量化误差与a d 转换器 位数有关。l o 位a d 芯片以下误差较大，l l 位以上对减小误差并无太大贡献，但 对a d 转换器的要求却提得过高。因此1 0 位或l l 位是合适的。由于模拟信号先 经过测量装置，再经a d 转换器转换后才进行处理，因此，总的误差是由测量误 差和量化误差共同构成的。a d 转换器的精度应与测量装置相匹配。也就是说， 一方面要求量化误差在总误差中所占比重要小，使它不显著地扩大测量误差：另 一方面必须根据目前测量装置的精度水平，对a d 转换器的位数提出恰当的要求。 由于的称重传感器的精度值为0 2 ，故a d 转换器的精度取0 0 5 * , 4 ) 1 即可。 相应的二进制码为l 啦! 1 位，加上符号位，即为1 1 1 2 位。故选择分辨力为1 2 位 的a d 芯片。 第二是a d 转换器的转换速率的确定，主要考虑系统的采样速率。由于粗绞 笼的转速是2 0 0 r m i n ，因而输入信号的变化频率应低于3 5 k h z 。根据采样定理和 实际需要，一个周期需采样1 0 个点，那么a d 转换器的转换速率应大于3 5 k h z 。 也就是说a d 转换器的转换时间应小于2 9 u s 。 根据以上两个主要技术指标，再加上考虑到成本、安装、功耗等。最后选定 a d 转换器为a d 5 7 4 a 。 a d 5 7 4 a 是1 2 位逐次比较型a d 转换器，无需外接元器件，就可以独立完成 a d 转换，内部设有三态数据锁存器，非线性误差为i 2 l s b 或1 l s b ，一次转 电子科技人学硕十学位论文 换时间为2 5us ，电源供电为1 5 v 和5 v 。基准电源电路采用光刻工艺，温度系 数很小，时钟振荡器为电流控制型，具有很高的温度稳定性，满量程误差和零位 漂移误差可在片外调至零，由于芯片内部比较器有改变量程的电阻和双极性输入 偏置电阻( 1 0 k ) ，因此a d c 5 7 4 a 输入模拟量量程范围分为0 + 1 0 v ，m 斗2 0 v ， 5 v 斗5 v 以及1 0 v - - - + 1 0 v 共四种。在此采用0 v + 1 0 v 量程范围的单极性模拟信号 转换电路 1 。 其工作原理如图2 1 所示。 图2 1a d 5 7 4 a 原理方框图 a d c 5 7 4 a 的逻辑控制输入信号有c e 、c s 、r c 、1 2 8 、a 0 ，用以对a d c 5 7 4 a 控制启动、输出，当c e = i 、c s = o ，同时满足时，a d c 5 7 4 a 才能处于工作状态。 其逻辑关系见表2 1 。状态输出端为工作状态指示端用s t s 表示，s t s = i 表示正处 于转换状态，s t s 返回到低电平时表示a d 转换结束，该信号可供微处理器作为 1 2 第二章系统硬什设计 中断或查询端。 转换后的数据以并行形式从三态输出缓冲器输出，对于单极性输入信号，输出 的转换码为标准二进制数，对于双极性输入信号，输出的转换码为偏移二进制数。 在该系统中a d c 5 7 4 以独立方式工作，故将c s 和a o 接至数字地，c e 和1 2 8 接至+ 5 v ，通过控制r c 来完成数据的转换与读出。采用1 2 位数据输出方式。当 r c 从高电平跳到低电平时，启动转换。当r c 为高电平，s t s 端为低电平时， 打开三态数据输出缓冲器读取转换数掘。在此r c 脉冲至少需保持5 0 n s 的低电平。 a d c 5 7 4 a 电路如图2 2 所示【1 0 1 。 表2 1a d 5 7 4 a 的逻辑关系 r c1 2 8a 0工作状态 o o启动1 2 位 d 转换 0 l 启动8 位a d 转换 1 接l 脚( 5 v ) 1 2 位并行输出有效 l接1 5 脚( 0 v ) o 高8 位并行输出有效 1 接1 5 脚( 0 v ) l 低4 位加上尾随4 个零有效 图2 2a d 5 7 4 a 外接电路 通过改变a d c 5 7 4 a 的引脚8 、l o 、1 2 之间的外接电路，可以完成a d c 5 7 4 a 的零点和增益的调节以及进行单极性模拟信号和双极性模拟信号的转换。 跨接在a d c 5 7 4 a 8 脚与l o 脚之问的1 0 0 欧姆电位器可用于调节a d c 5 7 4 a 的 增益。与1 2 脚相连的外部电路则用于零位的调整。为避免两个电位器的相互影响， 电子科技人学硕+ 学位论文 一般应先调零位，再调增益。对应单极性模拟信号，在调整零位时，首先将输入 的模拟电压信号调为1 2 2 m v ，然后调整零位调整电位器p o t i ，使得输出的数字 量的高1 l 位为零( d l i d i = ”0 ”) ，最低位d o 在“0 一，“1 一之间跳动。便可认为 零位已调整好。调整完零位后，将输入的模拟电压信号调高至+ 9 9 9 6 3 v 后调整增 益电位器p o t 2 ，使得输出数字量的高1 1 位保持全“l 一，最低位d o 在“o ”与“l 之间跳动，便可认为增益已调好。 a d c 5 7 4 内部没有没有将模拟地( 引脚9 ) 和数字地( 引脚1 5 ) 连接在一起， 但是在印制电路板上应尽可能靠近a d c 5 7 4 器件将这两个引脚连接在一起，并且 连接至器件下方的模拟地平面上。此外，在引脚9 和模拟电源地之间，引脚1 5 和 数字地之间，应分别直接连接一条宽的印制线。 模拟输入信号的地回路应以a d c 5 7 4 的引脚作为基准，这样可以防止电源地回 路中产生的任何电压降与输入信号相串联。引脚1 3 应该与地平面屏蔽以降低噪声 干扰。模拟输入和数据线之间的耦合应通过仔细的设计减到最小。例如，如果这 些线必须交叉，它们应该成直角交叉。并行的模拟和数据线应该通过连接至地的 印制线相互隔离【i 们。 2 3 测量放大器 由于电阻应变传感器的输出信号是采用电桥形式输出的毫伏级模拟信号，其输 出信号的特点是“浮地”，所以必须采用“双端输入差动放大器”对信号进行调理，以 满足a d 变换器的输入电平要求。因传感器输出的信号往往较弱，而且其中还包 含工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很 高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。通常选用仪用放大器。仪用 放大器是一种高性能放大器，输入阻抗高，易与各种信号源相匹配。它的输入失 调电压和输入偏置电流小，并且漂移小，因而稳定性好。共模抑制比大，适于在 大的共模电压的背景下对微小差值信号进行放大【n l 。在该系统中放大器的增益可 根据称重传感器输出灵敏度、a d 转换器的最大输入电压确定。 因称重传感器输出灵敏度为2 m v v ，意指在额定载荷、桥路电压为1 v 时，桥 路输出为2 m v 。本系统选额定载荷为3 0 k g ，桥路电压为1 0 v ，传感器输出灵敏度 s 1 为 ， n s ：竺竺= 6 6 7 1 0 4 y k g 3 0 一 ( 2 2 ) 1 4 第二章系统硬件设计 当载荷为a w = o 0 1 k g 时，桥路输出电压u 0 1 为 虬i = s i a w = 6 6 7 x 1 0 西v ( 2 3 ) a d c 5 7 4 a 转换器的满度输入电压v h = 1 0 v ，则量化值q 为 d ：旦：旦：2 4 4 2 1 0 3 v 2 ”一14 0 9 5 ( 2 4 ) 放大器的增益s 2 为 & ：旦：一2 4 4 2 x 1 0 - 3 ：3 6 6 2 玑l 6 6 7 x 1 0 一 ( 2 5 ) 该系统选择i n a l 0 1 型高精度测量放大器。内部有三个精密运算放大器及经激 光修正的电阻。该器件的增益范围为l 一1 0 0 0 ，其增益与外接电阻r g 有关，其关 系式为【1 2 1 铹 g = l + 4 0 艘 ( 2 6 ) 一 当选择r g = - 7 5 + ( 0 - - 1 0 0 ) q 时，增益的变化范围为2 2 9 , - , 5 3 3 ，可满足设计要求。 此外，考虑到a d 转换器的最大输入电压v h = 1 0 v ，当最大载荷形2 3 0 k g ! 对，桥 路输出电压为： 虬l = s ix a w = 2 0 x 1 0 。矿 ( 2 7 ) 于是，i n a l 0 1 的最大增益 蜀 e 。( k ) 时， ( 七+ 1 ) = a n y ( k ) + a o l y 肼( 七一1 ) + p o l “( j i ) ： ( 3 一1 1 ) 当e 2 ( k ) e 。( k ) 时，第k 次模型输出有 y m + 1 ) = a l l y 啊( j | ) + i y 。他一1 ) + p o l “( 七) ，计算u ( k ) 从u t 跳变到u z 后的y i 输 出值，则有 ( | | ) - - a l i ( 七一1 ) + 口o l y 研( 七一2 ) + p o l u ( k 一1 ) 到k + k 次有 y 啊他+ ) 一y 肘( k + k o 1 ) = y 肘( k + k o 一1 ) - y 历( k + k o 一。 此时模型输出变化率达到稳定，即出现进料稳定段。y m ( 七+ ) - y 。( 七) 为u ( k ) 从u 。跳变到u ：时的预测模型的输出差值，可得 a e i ( 七) = y 肺( 七+ j | o ) 一y 艉( 七) 。( 3 1 4 ) 同理，可预测出u ( k ) 从u z 跳变到0 的预测模型的输出差值，即ae z ( k ) 。由 e 。( k ) 与ae 2 ( k ) 调整切换系数e 。，e ：的大小，从而决定控制器输出的下一个控制量 u ( k + 1 ) 。 3 在线校正： 4 5 电子科技= 学顶十学位论文 设第k 次时，如( ) 2 。i n ( 女一1 ) + a 0 ( 一2 ) + p u ( k 1 1 ，对于第k 次观测实 际值y ( k ) 与预测模型计算值之间的偏差为 f ( 女) = y ( 女) 一y 。( t ) 此时偏