基于电磁力平衡传感器的在线称量系统的研制.pdf

第 1 章 引言 第 1 章 引 言 第 1 章 引 言 1 1 选题背景及研究意义 选题背景及研究意义 物体的质量计量渗透在生活的方方面面中 其发展也经过了漫长的历程 在 文献 1 中提到的最早发明的天平是公元前约 2500 年埃及所使用的天平 而将计 量器具天平作为科学研究的工具 用于定量测量 是十八世纪以后的事 随着现代化工业的发展 称重技术也经历了一个极大的发展过程 其作用已 经不仅仅是一个单件的计量器具 更多的是在工业生产中起着调节和控制的作 用 流水化生产线初现于工厂时 生产线上物料或者产品的重量都由人工控制 工人定时从生产线上抽取产品进行称量 这种停顿状态下的抽查方式 成了高速 生产和质量管理的瓶颈 而一个实时的在线称重系统在生产过程中快速地在线称 重 既省去了人力 同时还能对数据进行统计分析与处理 如输出实时的重量曲 线的波形图 直方图 重量的标准偏差 平均值 相关的参数报告 统计报告以 及按时间 数量或者重量分类的间隔报告等 2 在线称重系统在国外较早地应用于食品 制药 化工 机械工业以及农副产 品等领域 近几年 国内的相关行业也都引进了国外设备应用到生产线上 提高 了生产能力和生产质量 如福建南平南孚电池 宁波豹王电池等中国电池行业的 知名企业均采用在电池生产线上配置梅特勒 托利多仪器有限公司的 S2 自动检 重秤来控制电池正负极的填料量 CCTV 中的一段视频介绍了扬子江药业是如何 立足于本国与国际接轨的生产环境的 采用了先进的生产及包装设备 实现全自 动 规模化生产 值得一提的是 其采用的先进的产品检测设备 其中就包括梅 特勒 托利多 Garvens 的 S 系列自动检重秤 其高精度能保证检测到缺少说明书 1 2g 的药盒 并且从生产线上自动剔除 蒙牛集团有液态奶利乐枕自动灌装 线若干条 每天提供大量的新鲜牛奶供应市场 牛奶的灌装量检验和控制一直是 生产上一个头疼的问题 德国碧彩公司通过对灌装机调节装置的改进 配合其 CWM750 自动检重和反馈控制系统的利用 有效控制了灌装重量 降低了企业 成本 上述企业采用的在线称重系统均为国外产品 我国自主研制的自动在线称重 系统较少 在准确度和速度上也难以满足用户的需求 所以目前国内亟需要研制 出一套属于自己的能够满足用户需求的在线称重系统 另外 自从称重技术发展 以来 在学术上对静态称重作了大量的研究 对动态称重的学术研究开展的还是 不多 主要是准确度和速度这一对矛盾未能很好的解决 因此 探索新方法 寻 求高精度高速的在线称重系统在学术上颇具价值 1 成都理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究动态及发展现状国内外研究动态及发展现状 1 2 1 国内外研究动态 在电子称重装置的研制和生产上 日本 德国 瑞士等国家起步较早 早在 上世纪八十年代初期 他们就已具备批量生产电子天平的能力 如今其年产量有 几百万台以上 占全世界电子天平产量的 90 以上 其电子天平技术处于国际先 进水平 我国从上世纪六十年代中期开始研制和生产电子称重装置 初期为模拟指针 式 后来发展为数字式 由于早期技术条件的限制 产品准确率低 可靠性差 适应工厂环境的能力差 故障率和损坏率也一直很高 八十年代以来 我国开展 了与国外的技术交流和合作 引进了一批样机 生产技术和加工测试设备 通过 消化 吸收和改造 使电子称重装置的综合水平有了很大提高 衡器的发展必须 建立在国内传感器行业的发展基础上 从 20 世纪 80 年代 我国 20 多家称重传 感器企业先后引进美 日等国的设计与制造技术进行小批量生产 如今 中国传 感器行业已初具规模 步入快速发展阶段 称重装置中使用的传感器 其高端就 是电磁力平衡式传感器 电磁力平衡式传感器是一项相对成熟的专利技术 对传感器的生产条件要求 较高 目前 世界上只有为数不多的几家大厂掌握这种技术 这种高精度的电子 称重装置由于其独特的工作原理和成熟的工艺水平 精度非常高 主要用于高端 市场 例如用高强度航空铝合金材料通过高精度电火花切割加工而成的单模块传 感器 瑞士梅特勒 托利多集团和德国赛托利斯都有该项专利技术 它将传统的 电磁力平衡式传感器中的杠杆 上下导杆 底座以及簧片等多个零部件融为一体 由于内部无连接螺丝 从而大大提高其可靠性同时 高效的机械传输性能和扭力 保护 提高了其使用寿命 值得一提的是 环境变化而引起的温度漂移是影响精 度的原因之一 由于单模块具有同一性的温度变化 使测量的可靠性得以大大提 高 虽然国内也有几家企业掌握了电磁力平衡式传感器的称重技术 但是在动态 和在线称重方面 目前国内的食品 药品 化工 机械及农副产品等多个行业中 用到大部分都是国外的进口设备 如瑞士 Mettler Toledo 集团旗下的 Garvens 公 司推出的一系列高速度 高精度在线检重设备 包括堪称最新动态称重技术经典 之作的 S 系列自动检重秤 具有多种量程和精度范围 主要用于制药 日化 食 品 电池等行业 经济实用的 E 系列自动检重秤 大件产品在线检重的 ID1 Plus 系列 将 Garvens 自动检重秤和 SafeLine 金属检测器合为一体的金属异物检测的 Combichecker 金检 重检一体机等等 德国赛托利斯旗下也有很多的自动检重设 备 如 BOEKELS EWK 系列和 SYNUS 系列 均采用为动态检重秤专门开发的 2 第 1 章 引言 超级单体电磁力传感器 使产品具有极高的精度 超快的稳定时间 不可比拟的 稳定性和坚固的工业级结构 1 2 2 动态称重技术的发展趋势及相关产品 称重技术集传感器技术 微电子技术 计算机控制及测试技术 机械制造自 动化技术 物料输送和管理技术等一体 3 是现代称重计量和控制系统工程的重 要技术基础 涉及到各行各业 其功能也不再是单纯的计量 而是向多参数 多 专业综合控制方面拓展 逐渐形成多元化的智能管理和控制系统 对于动态称重 技术的发展方向 大致可以概括为以下几个方面 4 5 1高速度 高精度 高性能 2小型化 模块化 集成化 智能化及综合化 3 稳定性 质量可靠性 长寿命 故障自诊断能力及可维护性 4网络化管理 实现网上通讯和远程计量 总之 智能化 自动化 多功能化将成为现代称重技术的发展方向 6 应用动态称重技术 主要可开发成产品类型有 连续累计自动衡器 皮带秤 国际建议 OIML R50 自动分检衡器 国际建议 OIML R51 重力式自动装料衡器 国际建议 OIML R61 自动轨道衡器 国际建议 OIML R106 非连续累计自动衡器 累计料斗秤 国际建议 OIML R107 动态汽车衡 国际建议 OIML R134 1 3 动态称重系统的关键技术动态称重系统的关键技术 一个好的控制系统 关键是要解决动态特性和稳态误差的关系 在动态称重 系统中这两个关键问题就是准确度和速度的问题 尽可能快的速度下还要得到尽 可能高的准确度度 是本次设计也是计量领域的难题之一 在本次设计中 该难 题分解为以下三个问题 称重传感器的调试 力学模型的建立和算法实现以及动 态称重信号的处理 称重传感器的调试主要是对传感器线圈电流的控制 根据物体的重量大小来 调节电流 同时线圈电流调节器又反过来控制电流的大小使传感器保持在一个平 衡位置 对运动中的物体进行称重 除了需要考虑物体的静态特征外 更重要的是要 考虑到物体的运动特征 这使得动态称重的方法完全不同于静态称重 目前 动 态称重主要是用数据处理的方法来实现 数据处理过程需要基于一种相应的运动 3 成都理工大学硕士学位论文 力学模型及其算法 需要解决运动物体的速度 加速度 运动方向 振动频率 振动幅度等诸多方面的因素造成的称重误差 可以说 力学模型的建立和算法实 现是动态称重发展的最大阻力 动态称重信号的处理主要是对在振动过程中采集到的称重信号进行滤波平 滑 非线性等处理 并对系统进行动态特性分析 以得到一个精确的称重值 1 4 课题来源及主要研究内容课题来源及主要研究内容 本次毕业设计来源于中国测试技术研究院的横向合作项目 目的是设计一个实时高准确度的在线称量控制系统 该系统基于电磁力平衡 传感器实现 得到高准确度的称重结果的同时 还能对称量的数据结果进行实时 分析及统计 论文的主要研究工作有以下几个方面 1 调研 收集及查阅相关资料对系统进行整体规划 画出系统整体框图及 各功能模块 2 设计系统硬件 绘制原理图及制作 PCB Printed Circuit Board 印制板 板 在静态称量时能得到量程为 200g 检定分度值 e 为 1mg 3 对系统运用经典控制理论的方法 建立系统传递函数 对其动态特性进 行分析 在动态变化的情况下估计出重量曲线 在皮带传输速度为 80 件 分时 能得到1g 的分辨率 4 系统软件设计 对采集到的称重信号进行滤波和线性处理 同时实现称 量过程的多功能化 包括去皮 检重 计件 累加 单位转换和数据传输功能 5 编写上位机软件 对数据进行实时的直方图或折线图的绘制 手动或自 动保存数据至数据库 方便日后进行统计分析或查询 4 第 2 章 电磁力平衡传感器原理及特性分析 第 2 章第 2 章 电磁力平衡传感器原理及特性分析电磁力平衡传感器原理及特性分析 2 1 几种常用的称重传感器比较几种常用的称重传感器比较 称重传感器是整个称重系统的心脏 不管是小型的台秤还是大型的程序控制 系统 它是最有可能影响系统准确性和可靠性的部分 称重传感器按转换方法分 为光电式 液压式 电磁力式 电容式 振动式 陀螺仪式 电阻应变片式等 7 类 以电阻应变片式使用最广 下面是几种常用的称重传感器的工作原理 特性 及优劣比较 2 1 1 电阻应变式传感器 电阻应变片式传感器是将被测件上的应变片受力形变转换成为一种电信号 的敏感器件 应用最多的是金属电阻应变片 图 2 1 和半导体应变片 电阻应 变片通过特殊的粘合剂紧密的粘合在产生力学应变的基体上 当基体受力发生应 力变化时 应变片也一起产生形变 使应变片的阻值发生改变 从而使加在电阻 上的电压发生变化 这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小 一般这种应 变片都组成惠斯顿电桥 图 2 2 并通过后续的仪表放大器进行放大 金属导体的电阻值可用下式表示 S L R 2 1 式中 金属导体的电阻率 cm2 m S 导体的截面积 cm2 L 导体的长度 m 图图 2 1 金属电阻应变片的结构 图图 2 2 惠斯顿电桥 5 成都理工大学硕士学位论文 电阻应变式传感器的称量范围为 300g 至数千 kg 计量准确度达 1 1000 1 10000 结构较简单 可靠性较好 大部分电子衡器均使用此传感器 电阻应变式传感器的优点是准确度高 测量范围广 寿命长 结构简单 频 响特性好 能在恶劣条件下工作 易于实现小型化 整体化和品种多样化等 它 的缺点是机械滞后 蠕变和零漂 应变极限 对于大应变有较大的非线性 输出 信号较弱 但是可通过一定措施改进 由于电阻应变片式传感器的广泛使用 对 其的特性研究也是最多的 可以说是一项相对很成熟的技术 2 1 2 电容式传感器 电容式传感器是一种把被测的机械量 如位移 压力等转换为电容量变化的 传感器 它的敏感部分就是具有可变参数的电容器 其最常用的形式是由两个平 行电极组成 极间以空气为介质的电容器 见图 2 3 它利用电容器振荡电路的 振荡频率f与极板间距d的正比例关系工作 7 若忽略边缘效应 平板电容器的电容为 d A c 2 2 式中 为极间介质的介电常数 A 为两电 极互相覆盖的有效面积 为两电极之间的距离 d A 三个参数中任一个的 变化都将引起电容量变化 并可用于测量 因此电容式传感器可分为极距变化型 面积变化型 介质变化型三类 极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力 压力 振动等引起的极距变化 图图 2 3 常用的电容器示意图 电容式传感器的优点是结构简单 价格便宜 灵敏度高 过载能力强 耗电 量少 造价低 准确度为 1 200 1 500 动态响应特性好 对高温 辐射 强振 等恶劣条件的适应性强等 缺点是输出有非线性 寄生电容和分布电容对灵敏度 和测量精度的影响较大等 2 1 3 光电式传感器 光电式传感器包括光栅式和码盘式两种 光栅式传感器的工作原理是将光栅形成的莫尔条纹角位移转换成光电信号 一个装在表盘轴上可移动的光栅 另一块固定光栅 加载物体后 传力杠杆带动 使表盘轴旋转从而带动移动光栅转动 莫尔条纹也随之移动 利用光电管 转换 电路和显示仪表 计算移过的莫尔条纹数量 测出光栅转动角的大小 从而确定 和读出被测物质量 6 第 2 章 电磁力平衡传感器原理及特性分析 码盘式传感器的码盘 符号板 是一块装在表盘轴上的透明玻璃 上面带有 按一定编码方法编定的黑白相间的代码 加载物体后 通过杠杆使表盘轴旋转时 码盘也转过一定角度 光电池透过码盘接受光信号并转换成电信号 由电路进行 处理并得到测量结果 光电式传感器曾主要用在机电结合秤上 具有稳定工作 抗干扰能力强的优 点 可用于恶劣的煤矿等工业环境 但是运行速度低 不能满足高速称重的要求 2 1 4 液压式传感器 液压式传感器承受被测物重力作用时 液压油压力增大 增大的程度与物体 重力成正比 测出压力的增大值 就可得到被测物的质量 液压式传感器结构简 单而牢固 测量范围大 但准确度一般不超过 1 100 2 2 电磁力平衡传感器的工作原理电磁力平衡传感器的工作原理 2 2 1 基本概念及理论基础 电磁力是电荷 电流在电磁场中所受力的总称 也有称静止电荷在电场中所 受力为静电力 而载流导体在磁场中所受力为电磁力 通电导线在磁场中受到的 作用力称为安培力 电流为 I 长为 L 的直导线 在匀强磁场 B 中受到的安培力 大小为 sinILBF 2 3 其中 为电流方向与磁场强度方向间的夹角 I 为通电直导线上通过的电流 B 为通电直导线所在磁场的强度 L 为通电直导线在磁场区域内的长度 应该注 意 当电流方向与磁场方向相同或相反时 电流不受磁场力作用 当电流方向与 磁场方向垂直时 电流受的安培力最大 为 图图 2 4 左手定则判断安培力方向示意图 ILBF 2 4 安培力的方向由左手定则判定 如图 2 4 所示 将左手掌摊平 让磁力线穿过手掌心 四指表示电流运动方向 则与四指垂直的大拇 指所指方向即为安培力的方向 安培力的实质是形成电流的定向移动的 电荷所受洛伦兹力的合力 7 成都理工大学硕士学位论文 2 2 2 电磁力平衡传感器的工作原理 本次设计采用的电磁力 4 和 7 联接杆 5 横梁 6 支点 13 组成悬浮系统 承 载平面 1 和吊杆连接 施加 重物时 吊杆下沉 带动与 横梁相连的动圈 8 也下沉 当横梁位置偏移零位时 光 栏 10 也偏移 光电池对 1 接收光照不平衡故输出电 流 处于磁钢 9 中的动圈 8 产生的电磁力和物体产生 的重力相等时 横梁回零 置于磁钢内的三极管 12 检 测磁钢的温度变化 实物图照片见图 2 6 平衡传感器的结构见图 2 5 由吊杆 2 支架 3 簧片 1 图图 2 5 传感器结构图 图图 2 6 传感器实物图 8 第 2 章 电磁力平衡传感器原理及特性分析 电磁力平衡传感器的称重过程基于安培力实现 通电导线在磁场中受到的作 用力如图 2 7 所示 在导线上加上秤盘 秤盘及导线本身具备的重力方向朝下 而通电导线受到向上的电磁力 当通过导线的电流值达到某一值时 这两个力互 相平衡 此时传感器就处于平衡状态 如图 2 8 所示 图图 2 7 通电导线在磁场受力示意图 54 图图 2 8 传感器空载状态示意图 秤盘上加载重物后 向下的重力增加 秤盘自然就朝下移动 传感器就处 于不 54 在 平衡状态 如图 2 9 所示 如需要再次达到平衡状态 就要加大通过导线的 电流 使得由电流产生的电磁力的大小与加上物体后受到的重力相等 秤盘才恢 复到原平衡位置 如图 2 10 图图 2 9 传感器承受负载状态示意图 54 图 图 2 10 传感器承受负载后恢复平衡状态示意图 54 于一根导线上通过电流很小 产生的电磁力也小 在实际应用中 将导线 绕成 由 线圈 一匝线圈就是一根导线 N 匝线圈产生的电磁力为单根导线的 N 倍 在电磁力平衡传感器的应用中 就是采用这种方式来产生电磁力的 并用前面提 及的安培力公式来描述电磁力的大小 其微分形式如下 sinsindIdLBBLIdLBBLIdF rrrr 2 5 9 成都理工大学硕士学位论文 对于环形导线而言 力 F 为 L BIdLdFF sin 2 6 当 90 时 有BILF 当具有 N 匝线圈时 则NBIDLF 假设在匀强磁场中 即 B 为常数时 DL 为定值 则电磁力 F 的大小与电流 成正比 NImmgFIF 2 7 从上式可以得出 物体的重量与电流的大小成正比 2 3 传感器的特性分析传感器的特性分析 传感器的特性是指输出与输入的关系 包括静态特性和动态特性 静态特性 好的传感器动态特性不一定好 2 3 1 静态特性 测量时 测试系统的输入 输出信号基本不随时间而变化 或变化极慢 这时测试系统表现出来的响应特性称为静态特性 静态特性的衡量指标主要有非 线性 灵敏度 分辨率和阈值 回程误差和重复性等 传感器的线性度是给传感器施加等增量的激励电压 根据其输出的信号值来 判断输入输出是否呈直线关系 线性度越好的传感器 得到的输入输出曲线越接 近一条直线 一般情况下 输出与输入不会符合要求的线性关系 同时存在迟滞 蠕变 摩擦等因素的影响 使输出输入对应关系的唯一性不能实现 因此可通过 传感器本身的改善来加以抑制 或者对外界条件加以限制 8 灵敏度单位用 mV V 表示 指称重传感器在额定量程 如 20KG 则额定拉 力为 20KG 时 当给传感器 1V 的激励电压时 传感器输出端会有 2mV 的电压 变化 一般电阻应变式传感器在出厂时 都会有该指标 分辨率就是传感器最小能感受到的输入变化 分辨率越高 得到的精度也就 越高 结合电磁力平衡传感器就是指其光电位置检测器能检测到得光栏的位移变 化 阈值就是指传感器的工作范围 在这里就是指称重范围 回程误差是指传感器同一个检定点上 上行程和下行程读数之差 重复性是指同一载荷或者同一激励电压 多次施加传感器上 得到输出数据 的极差值 10 第 2 章 电磁力平衡传感器原理及特性分析 2 3 2 动态特性 传感器的动态特性是指随时间变化的输入量的相应特性 与静态特性的区别 是 动态特性中输入量与输出量的关系不是一个定值 而是时间的函数 它随输 入信号的频率而变化 传感器的动态特性取决于传感器本身 也取决于与被测量 的变化形式 动态响应特性可以分为稳态响应特性和瞬态响应特性 一个动态特性良好的 测试系统 其输出量随时间变化的规律将能同时再现输入随时间变化的规律 16 研究测试系统动态特性 可从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响 应法来分析 由于输入信号的时间函数形式是多种多样的 在时域内研究测试系 统的响应特性时 只能研究几种特定的输入时间函数 如阶跃函数 脉冲函数和 斜坡函数等 在频域内研究动态特性一般是采用正弦输入得到的频率响应特性 传感器的动态特性研究内容主要有动态实验 动态建模 动态仿真 动态误差修 正等等 其中动态实验是基础 动态建模是关键 动态补偿 动态误差修正和动 态解耦是目的 叶湘滨等 2004 2 3 3 称重系统力学模型分析 1 开环称重系统 开环称重系统 如目前大量使用的采用以电阻应变片式传感器的衡器 将受 力产生的应变变化转换成电信号 经放大后进行 A D Analog to Digital 模数 转换 转换 MCU Micro Controller Unit 单片机 采集 A D 信号进行处理 在这 种系统中没有反馈环节 在工程上 一般将称重传感器等效于质量 弹簧 阻尼系 统 故可等效于二阶系统 其数学传递函数为 22 2 2 nn n ss sH 2 8 式中 是系统的阻尼比 n是系统的固有频率 传感器的时间常数为 2 1 n T K1 K2分别是传感器和放大器的传递系数 系统等效框图如图 2 11 所示 X Y U 12 22 1 TssT K K2 传感器放大电路 图图 2 11 开环称重系统方框图 11 成都理工大学硕士学位论文 由图 2 11 得开环称重系统的传递函数为 12 22 TssT K sH 2 9 其中K K1K2 采用阶跃信号X t 作为激励时 系统输出为 12 1 22 TssT XKsY 2 10 得到 TT s2 1 1 2 当 0 1 则41 KKc 可见 整个闭环系统的传递 系数主要取决于反馈部分的传递系数K4 而与机械部分 光电检测 放大部分的 传递系数无关 根据式 2 16 得到闭环系统的传递函数为 4011 1 KK K K Kc 2 17 对式2 17取微分形式 可得到 4 4 4 4 411 1 K dK KK KK K dK KKKc dKc 由于KK4 1 故上式可简化为 4 4 04 4 41 1 1 1 K dK K dK KK dK K dK KKKc dKc 显然 K0越大 K的变化对Kc的影响就越小 举例来说 开环的K变化 10 就 会对结果造成 10 的误差 而在闭环中 K0取 9 时 K的变化只会引起 1 的误差 14 第 2 章 电磁力平衡传感器原理及特性分析 所以在闭环称重系统中 对开环环节的传递系数的稳定性要求不是很高 故而降 低了开环环节的设计难度 但是反馈部分的变化却会对结果造成 100 的影响 所以对反馈环节的设计要求就较高 在闭环系统中加入了扰动外力F后 为了与开环的情况对比 假设等 于 0 求得闭环系统的输出为 43 FF 1 1 1 1 1 1 0 22211 43214321 YY K KFKKF KKKK Y KKKK Y 与开环比较得出 闭环和开环在扰动状态下的输出就是相差了一个 的系数 似乎扰动分量带来的影响并未衰减 但是由式 2 16 可 知 闭环相比较开环来说 系统的动态范围增大 1 10K 21 FF 01K 倍 但是扰动外力F并不 增大 相对来说 对外力的影响有相应的抑制作用 9 2 4 影响电磁力平衡传感器性能的几个方面影响电磁力平衡传感器性能的几个方面 电磁力平衡传感器的原理似乎比较简单 看起来实现也不难 不过在实际应 用中却存在许多问题 理论上 被测物的质量是和流过导线的电流大小成正比的 而得到这个结论的前提是 假设导线是处在一个匀强的磁场中 即磁感应强度B 为一个恒定的值 但是在实际情况中 要做到磁感应强度B为以常数 并且在整 个磁场中B的值处处相等 是十分困难的 实际的磁场是由永磁体产生的 而就 算两块材料 形状 质量完全一样的磁铁 它们的磁场却不完全一样 因为不论 以何种材料铸成的磁钢 它们都有温度系数 据文献10 现在使用较多的永磁体是稀土永磁材料 因为这种材料相对来 说容易获得较高的磁感应强度和较好的稳定性 将成型后的永磁材料放置于强磁 场中 将产生磁化 也就是所谓的充磁 而充磁后的永磁体的磁感应强度会随温 度 时间 环境磁场的变化而变化 另外 腐蚀 冲击和振动也影响永磁体磁感 应强度的稳定性 影响永磁体性能有以下几个方面 温度影响 温度影响主要来自于环境温度的变化和流过动圈的电流过大引起的发热 当 温度升高 磁感应强度减小 温度降低 磁感应强度增加 而且磁感应强度的温 度效应是非线性的 它随温度变化后 不能完全随温度的回复而回复 时漂影响 15 成都理工大学硕士学位论文 永磁体存在自然退磁现象 即磁感应强度B会随时间变化 没有经过老化处 理的永磁体 它的磁感应强度随着时间的推移而逐渐变小 大约每年降低 0 5 永磁体磁感应强度随时间变化是电磁力平衡传感器产生时漂的主要原因 永磁体材料在加工铸造过程中 会造成内部组织的不均匀 形成内部应力 但是随着时间的推移 其内组织将逐步趋于均匀 内部应力逐步消失 永磁体的 磁感应强度自然也就发生了变化 环境磁场影响 当永磁体周围存在交流或直流磁场作用时 永磁体的工作点将发生 漂移 会导致因环境磁场干扰引起的充磁或退磁现象 外界磁场消失后 这种干扰引起 的影响就是一个固定变化值 影响传感器的输出 冲击与振动影响 当存在冲击 振动时 导致改变永磁体材料的内部结构 产生内应力 使磁 分子重新排列而磁感应强度发生变化 进而影响传感器的输出精度 腐蚀影响 酸 碱 氧气 氢气等化学因素带有腐蚀性 使永磁体化学结构发生变化 磁性能受到较大影响 16 第 3 章 系统软硬件设计 第第 3 章章 系统软硬件设计系统软硬件设计 3 1 系统结构及工作原理系统结构及工作原理 本次系统设计的目的是通过电磁力平衡传感器采集经过输送带的物体质量 并判断产品是否符合定量包装商品净含量标准要求 将不合格产品进行剔除控 制 同时将采集到的数据实时传输到计算机中进行数据保存 分析或实时曲线的 绘制 目前常用的系统设计有三种方案结构 单片机系统 计算机为处理核心的 系统 单片机和计算机构成上下位机系统 以单片机为处理核心的系统 成本低 结构简单 易于实现系统功能 但是 运算能力差 也不容易得到良好的人机交互界面 以计算机为处理核心的系统 运算速度快 处理信息能力强大 能完成复杂运算 可以得到良好的人机交互操 作界面 但在应用中 由于传感器线不能太长 不易于实现工业现场与控制中心 的分离 单片机和计算机构成的上下位机系统则可以充分利用两者的优点 用单 片机采集数据 完成数据的初步处理 计算机完成信息管理功能并得到良好的人 机界面 两者之间采用串行通信方式 利用通信线路的有效长度可以实现现场和 控制中心的分离 本系统就是基于第三种方案 由单片机和计算机构成的上下位机系统完成 见图 3 1 传感器输出的信号 经过信号调理和 A D 转换后输入单片机 完成数 据的简单处理 由计算机完成最终的信息管理 图图 3 1 系统整体框图 52 如图3 1所示 被检物体由皮带装置输送至称重机构 MCU根据光电开关 传感器输出的信号表明有物体到达称重台 传感器开始采集A D转换后的信号 17 成都理工大学硕士学位论文 物体到达传感器位置承载面受力 受力平台通过横梁与线圈联接 传感器横梁位 置发生变化并带动光栏移动 光电检测器输出与物体重量相对应的电信号 该信 号经过前置放大器 PID Proportion Integration Differentiation 比例积分微分 调节器 功率放大 反馈给加力线圈一个电流 磁场在电流的作用下将产生一个 与横梁位移方向相反的电磁力F 根据式2 4得到多匝导线的电磁力为 KBILF 3 1 其中 K为常数 B为磁感应强度 L为线圈导线的长度 I为通过线圈导线 的电流强度 电磁力F和被测物体的重力 mg 大小相等 方向相反而达到平衡 因而有mgKBILF 即 IKm 3 2 其中 由式 3 2 可知 只要测得电流I的大小就可以知道物体 的质量 gKBLK m 在系统中加入闭环控制可进一步提高平衡控制系统的精度 光电传感器输出 的信号经过放大 PID 调节之后与固定的锯齿波进行比较 得到一调宽脉冲信号 控制恒流源开关 使线圈电流增大 电磁力也增大并与被测物重力相等而达到新 的平衡状态 这个闭环的控制过程是一个动态的过程 只要通上电 整个传感器 就一直处在不断调整 不断达到平衡的过程 电流调节原理如图 3 2 所示 图图 3 2 电流调节原理图 比较器输出脉冲信号的宽度和物体的重量成正比 用计数器算出宽度 并转 换为数字量 该数据经过 MCU 滤波处理后就可得到实际的称重值 把重量信号与 预设的上下限制进行比较 如果符合条件 则物体通过皮带装置继续往前输送 检测 PID 锯齿波 比较器 基准电压恒流源 电流控制有源滤波电流 力矩变换 放大 同步门 温度补偿 M2 M1 M 18 第 3 章 系统软硬件设计 否则 MCU 控制蜂鸣器报警并打开剔除装置 剔除欠重或超重产品 MCU 得到的重 量值 通过 RS 485 串口通讯连接至 PC 机 上位机监控程序接收该数据 进行实 时曲线的绘制 通过 SQL 语言将称重数据保存至 ACCESS 数据库 以便日后查询 制作报表等 3 2 硬件电路设计硬件电路设计 硬件电路的设计分为模拟电路的设计和数字电路的设计 其中模拟电路包括 电源电路 对线圈电流的控制 传感器光电检测输出电流的处理 数字部分包括 CPLD Complex Programmable Logic Device 可编程逻辑器件 外围电路的设计 单片机 ATmega16L 的外围电路设计 串口通讯电路的设计以及液晶显示模块的设 计 硬件电路的总体框图见图 3 3 图图 3 3 硬件电路总体框图 3 2 1 模拟电路设计 图 3 4 所示为光电检测电路图 检测传感器横梁受力引起的位置变化 该电 路由发光二极管 光电池和电流 电压转换放大器组成 传感器横梁处于平衡位 置时 两光电池接收到的光照相同 因而受光照产生的电流也相同 加载重物后 横梁位置发生偏移 由于遮光杆作用使两光电池接受的光产生变化 所产生的电 流也就不一样 19 成都理工大学硕士学位论文 图图 3 4 光电检测电路图 图 3 5 所示为差分放大和 PID 调节电路 由 TL082 U3A R15 R16 R36 R35 构成差分放大器 对光电位置检测器检测光栏移动位置的输出信号进行差分 放大处理 由 TL082 U3B R38 C29 C30 D4 D5 R19 R20 C28 构成的 PID 调节电路是将差分放大后的输出电压变化保持在一个稳定的电压输出 其中 D4 D5 R19 的加入是为了提高电路的比例放大倍数 当输入电压比较大时 D4 或者 D5 导通 电阻 R19 就与 R20 并联 比例放大倍数就为 当 输入电压很小或者接近 0 时 D4 或 D5 断开 这时的比例放大倍数为 因此电路可以较快得达到稳定状态 20 19 38RRR 20 38 RR 图图 3 5 差分放大和 PID 调节电路 图 3 6 所示为电压比较和锯齿波产生电路 Q5 Q6 电容 C10 及电阻 R23 R24 R25 R27 构成锯齿波电路 由可编程逻辑器件 EPM570 内部的 14 位计数器 进位信号控制锯齿波的产生 PNP 三极管 Q6 基极由电阻 R24 和 R39 分压电路得 到 脉冲信号为低时 Q6 导通 对电容进行充电 当脉冲信号为高时 NPN 三极 20 第 3 章 系统软硬件设计 管按一定的速率对电容 C10 进行放电 电阻 R23 和 R25 保证了锯齿波的线性 由 此在电容 C10 上产生一线性锯齿波 并送入比较器 2 脚 与 3 脚送入的经 PID 调 节后的信号进行比较 产生随差分信号大小变化的脉宽信号 比较器输入输出波 形示意图见图 3 7 图图 3 6 电压比较和锯齿波产生电路 图图 3 7 比较器输入输出波形示意图 图 3 8 所示为主恒流源电路 绝缘栅场效应管 IRFD120 漏极输出电流是磁钢 中线圈工作的主电流 Vref 由基准电压源 LM399 提供 经过 R12 R26 R28 电阻 分压后进入 OP07 放大器放大 放大器输出电压就是场效应管栅极的控制电压 调整 R26 可调电阻或者负载电阻 R30 R34 的值可以调节恒流电流的大小 21 成都理工大学硕士学位论文 图图 3 8 主恒流源电路 图 3 9 所示为辅助恒流源电路 CON3 插座输出的温度补偿电压 即磁钢内 部的 PN 结温度传感器输出电压 该电压经放大后作为恒流源电路的正极输入信 号 所以此辅助恒流源电路输出电流的大小随温度的变化而变化 调节可调电阻 可调节恒流电流的大小 场效应管 2SK30 漏极 D 输出电流可根据温度变化而调线 圈的供电电流大小 图图 3 9 辅助恒流源电路 图 3 10 所示为调节开关电路 开关三极管 2N2907 基极输入信号为随重物重 量变化的脉宽信号 该脉宽信号由后面介绍的比较电路与锯齿波比较后取反得 到 根据控制脉冲脉宽的不同控制加力线圈的电流 当脉冲信号为高电平时 三 极管 Q1 导通 集电极也为高电平 则二极管 D1 截止 这时 CON4 插座上的 2 脚 供给线圈电流只有补偿电流 而当脉冲为低电平时 Q1 截止 D1 导通 补偿电 流和主电流同时供给线圈 随着脉冲宽度的增加 线圈中电流作用时间也增加 从而电磁力增大 在电磁力的作用下 偏移的遮光杆回到原来的平衡位置 22 第 3 章 系统软硬件设计 图图 3 10 线圈电流调节开关电路 3 2 2 CPLD 器件电路设计 可编程逻辑器件选用 Altera 公司 MAX II 可编程器件 EPM570T100C5 MAX II 系列是业界成本最低的 CPLD 成本化构架 以最小裸片面积为目标 低功耗 内置用户非易失性 Flash 存储器 实时在线可编程能力 ISP 此器件具有 570 个逻辑单元 LEs Logic Elements 相当于 440 个宏单元 Macrocell I O 口引脚延时最大为 5 5ns 满足本系统数字信号处理的速度 此器件主要完成以 下几方面功能 1 产生单片机时钟信号 2 产生锯齿波控制信号 3 对比较器输出的脉宽信号进行计数 4 24 位累加器 将脉宽计数数据进行累加至 24 位 5 产生单片机的读 A D 数据的中断信号 6 单片机读 A D 数据的接口 图3 11所示为可编程器件内部功能方框图 其内部设计了三个功能模块 分别是14位计数器模块 24位累加器及锁存器和10位计数器模块 单片机数 据接口模块 23 成都理工大学硕士学位论文 40MHz 锯齿波产生 单片机中断信号 单片机时钟 8 位数据 2 位选择信号 脉宽信号 14 位计数器 24 位累加器 及锁存器 单片机数据接口 进位信号 10 位 计数器 4 分频 图图 3 11 可编程器件内部功能方框图 图图 3 12 可编程器件外部接线图 24 第 3 章 系统软硬件设计 图3 12所示为可编程器件EPM570外部接线图 五组输入输出PORT 分 别是单片机时钟CPU CLK 单片机数据接口PD IF 单片机中断CPU INT 比 较器输出的脉宽信号COMP OUT和锯齿波产生控制信号CNT C 3 2 3 MCU 及外围电路设计 主控 MCU 采用 AVR 单片机 ATmega16L 它是一款基于增强的 AVR RISC 结构 的低功耗 8 位 CMOS 微控制器 MCU 外围器件的原理图如图 3 13 所示 MCU 提供时钟信号 CPU CLK 由 EPM570 中 14 位计数器的外部晶振 40MHz 四分频后得到 当 EPM570 中 10 位计数器溢出时 给 MCU 提供外部中断信号 CPU INT 读取锁存器中 A D 值 图图 3 13 MCU 及其外围电路 25 成都理工大学硕士学位论文 PD IF 总线是与 MCU 通讯的数据接口 其中 PC6 PC7 是数据锁存器地址 片选信号 PA0 PA7 是锁存器输出 A D 数据端口 TXD RXD 是串口通讯的收发端口 PD3 口接收发控制端 RE 和 DE PB0 PB4 是 2 3 矩阵键盘接口 SDA数据线和SCL时钟线是MCU与LCD显示芯片PCF8576 进行I 2C通讯的两根 信号线 PD4 口接的是光电开关的输入口 当有物体通过时 光电开关输出低电 平 PD5 口连接报警电路 当检测的产品不满足要求时 发 嘀 声报警示意 PD6 口接 LCD 的背光控制电路 PD7 是继电器的控制端 当产品不合格时 打开 继电器将产品剔除 3 2 4 通讯接口电路设计 本次设计中通讯端口采用 RS 485 RS 485 解决了许多 RS 232 的不足之处 RS 485 的逻辑 1 以两线间的电压差为 2 6 V 表示 逻辑 0 以两线间的 电压差为 2 6 V 表示 接口信号电平低就不容易损坏接口芯片 另外 它采 用差分传输和接收的模式 提高了抗共模干扰能力 最大传输距离可达 3000 米 最大负载能力为 32 个有效负载 包括主控设备和被控设备 通讯驱动芯片采用 SN75176 其外围电路如图 3 14 所示 图图 3 14 通讯接口电路 光耦 TIL117 是对通讯电路进行电源隔离和电气隔离 在 RS 485 输出末端接 匹配电阻 R21 可以吸收总线上的反射信号 保证正常传输信号干净无毛刺 由于 26 第 3 章 系统软硬件设计 RS 485 通讯采用特性阻抗为 120 的半双工通讯总线 故取匹配电阻阻值为 120 在差分信号线的正端与 5V 之间接 2K 电阻 负端与地之间接 2K 电阻 当 总线上没有信号时 A 端电平大约为 3 2V B 端电平大约为 1 6V 这样就避免没 有传输信号时 总线处于悬浮状态而导致误操作 增强了总线抗干扰能力 另外 在差分信号输出端用旁路法分别接 TVS 管 Transient Voltage Suppressor 瞬态抑制二极管 D12 D13 该管可以抑制瞬态的高频信号 防止 电压过高将接口烧毁 3 2 5 显示电路设计 PCF8576 为带有I 2C总线接口的字符式LCD驱动 控制器 有 4 个背极输出和 40 个显示段输出 图 3 15 中SCL和SDA是I 2C的两根信号线 SCL为时钟线 SDA为数据线 通过 这两根线完成显示驱动芯片 8576 和MCU的通讯 DIS为笔段式LCD显示屏 图图 3 15 显示电路 3 3 软件设计软件设计 软件设计分为主控芯片 MCU 的软件设计 可编程逻辑器件 EPM570 的软件设 计和上位机的软件设计 27 成都理工大学硕士学位论文 3 3 1 MCU 程序设计 软件设计中采用模块化的编程思想 控制程序主要分为四个模块 定义模块 初始化模块 主程序模块和子程序模块 定义模块是对程序运行中使用的各个变 量及寄存器的定义 初始化模块是系统正式运行前各寄存器初始值的设定及中 断 串口等的工作方式的设定 子程序模块包含了中断模块 串口传输模块 零 点跟踪 外部校正 标定 键盘扫描等 1 主程序软件设计 在编写软件之前 先进行程序流程图的绘制 在完成了流程图的设计之后 就可以编写出程序 主程序流程图见图 3 16 开始 显示 故障信息 故障 图图 3 16 主程序流程图 初始化 校零 校满度 读取采样值 计数中断 数字滤波 修正漂移 线性化 数字滤波 有光电信号 定时器开启 显示 串口通讯 零点跟踪 欠轻 超重 报警 剔除控制 Y N Y N N Y Y N Y N 1 功能键 Y N 处理 键功能 定时到 1 28 第 3 章 系统软硬件设计 MCU 是整个系统的主控芯片 完成对光电开关的判断 称重数据的读取与处 理 自动零点跟踪 范围设定 去皮 校准 单位转换 报警及剔除控制 RS 485 串口通讯等 2 串口通讯软件设计 串口通讯数据的发送是通过判断程序内定义的稳定标志 FWD 来进行启动 当 采集完 A D 数据并进行滤波得到稳定的数据后 将该数据放入通讯数据寄存器 再通过该寄存器放入 SBUF 串口缓冲器 图 3 17 是 MCU 和上位机的串口通讯流程图 开始 开始 图图 3 17 MCU 和上位机串口通讯流程图 发送寄存器空 发送握手信号 接收寄存器空 接收应答信号 是应答信号 发送数据 发校验和 接收寄存器空 接收应答信号 是应答信号 接收寄存器空 接收握手信号 是握手信号 发送缓冲器空 发送应答信号 接收数据 计算校验和 接收发校验和 接收与发送相等 发应答信号 发错误信号 结束 结束 传输次数 发 EEH N N Y Y N N N N Y N N Y Y N Y Y Y 29 成都理工大学硕士学位论文 3 3 2 EPM570 编程设计 该器件共分三个模块 即14位计数器模块 24位累加器及锁存器和10位 计数器模块 单片机数据接口模块 各模块功能用Verilog语言编写实现 开发 平台为Quartus II 6 0 1 14 位计数器模块 14 位计数器对输入的 40MHz 时钟计数 完成以下三种功能 计数器进位信号输出到锯齿波产生电路 用于产生锯齿波 计数器 4 分频输出 作为外部单片机的时钟信号 计数器的 14 位数据位用于脉宽计数 该部分代码详见附录 A 1 2 24 位累加器及锁存器和 10 位计数器模块 24 位累加器及锁存器接收的信号有 14 位计数器输出的 14 位数据和脉宽信 号 主要完成以下几方面的功能 脉宽信号的下降沿到来时 读入 14 位计数器数据 作为该脉冲宽度数据 并将此宽度数据送入 24 位累加器 第二个脉宽信号的下降沿到来时 同样读入 14 位计数器数据 送入累加 器进行累加 每接收一个脉宽信号的下降沿 24 位累加器进行一次累加操作 同时 10 位计数器计数一次 当 10 位计数器计满时 将 24 位累加值送入到 24 位的锁存器 同时发出 中断脉冲信号通知外部单片机读数 代码详见附录 A 2 3 单片机数据接口模块 单片机数据接口为一多路选择器 根据单片机送入的 2 位选择信号 输出 24 位锁存器中的不同数据位 选择信号为 00 时 多路选择器输出 24 位锁存器中的 0 7 位 选择信号为 01 时 多路选择器输出 24 位锁存器中的 8 15 位 选择信号为 10 时 多路选择器输出 24 位锁存器中的 16 23 位 代码详见附录 A 3 3 3 3 上位机软件设计 上位机软件主要完成数据点的监测采集 实时动态显示 数据的存储 图表 分析 打印报表等 开发环境采用 Visual Basic 和 Access 数据库 Visual Basic 是可视化的面向对象的程序设计语言 拥有图形用户界面 GUI 和快速应用程 30 第 3 章 系统软硬件设计 序开发系统 可以轻易的使用 DAO ADO RDO 连接数据库 使用该语言开发周期 短 主要完成以下几个部分的功能 1 串口数据的接收 串口通信通过 MSComm 控件实现 该控件 隐藏 了大部分串口通讯的底层 运行过程和事件驱动通讯的机制 当发送数据 收到数据或产生传输错误的时候 均触发 MSComm 控件的 OnComm 事件 然后可以通过判断 CommEvent 属性值获得事 件类型 再根据事件类型进行相应的数据处理 为保证数据接收的准确性 上下位机采用软件握手方式 Xon Xoff 协议 即在数据发送前发送 Xon 02H 命令 发送结束后发送 Xoff 03H 命令 根据 协议 将接收的数据进行格式转换 位数处理等 上位机串口的通讯流程详见在 图 3 15 2 称重数据及实时曲线显示 MSCHART 控件是 VB 自带的图形绘制控件 该控件能实现多种图形的绘制 包括折线图 柱状图 区域图 饼图等多种图形 实验发现 VB 自带的绘图控 件 MSCHART 实现静态绘图的效果比较理想 但做实时图时 每次刷新时都会引起 屏幕的闪烁 大大降低了图形界面的可视性和美观性 因此 采用在 MSCHART 控 件相同位置放置相同大小的 Picture 控件 设成不可见 进行更新时 把 Picture 控件提到顶层设为可见 把 MSCHART 的内容通过剪切板