毕业设计-基于at89s52单片机的传输带动态称重系统设计

摘要随着传感器技术、电子技术和微机技术的崛起，动态称重技术得到了迅速发展。动态称重系统在数字化，智能化等方面有长足的进步，称重系统的研究与开发也进入了一个崭新的阶段。传输带动态称重系统是对传输带上的散状固体物料或粉料进行连续称量的系统，在电力、化工、煤炭、粮食等行业都有较广泛的应用，市场需求巨大。但是，我国自行研制的相关产品普遍功能单一，精度不高。所以改善现有称重装置、开发研究功能齐全的动态称重系统是势在必行的。设计了一套基于单片机的传输带动态称重系统，很好的解决了上述问题。首先对硬件电路所需的器件进行介绍。说明系统所应用的称架和传感器的类型。选择系统所用微处理器，模数转换器等。具体提出了系统硬件和软件的设计方法，给出了数据处理算法和其编程的设计。系统使用24位精度模/数转换芯片AD7730转换称重传感器信号，保证了数据转换的高精度。经过实验证明，该系统能够有效提高动态称重系统的计量精度，误差在02以内。并且系统功能完善，实现了计量数据的实时监控显示和保存打印，系统扩展了现场总线接口，很好的满足了工业自动化和管理现代化的需求。关键词动态称重传输带AD7730现场总线；ABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFTECHNOLOGYOFSENSOR,ELECTRONICANDCOMPUTER,THEDYNAMICWEIGHINGTECHNOLOGYISDEVELOPINGRAPIDLYWEIGHINGSYSTEMMADESIGNIFICANTPROGRESSINTHEDIGITALANDINTELLIGENT,THERESEARCHOFWEIGHINGSYSTEMHASENTEREDANEWPHASEBELTEDDYNAMICWEIGHTEQUIPMENTISDESIGNEDFORCONTINUOUSWEIGHINGTHEBULKSOLIDSORPOWDERSONCONVEYORBELTANDITISWIDELYUSEDINTHEFIELDSOFELECTRICITY,CHEMICAL,COALANDFOODHOWEVER,OURRELATEDPRODUCTSGENERALLYWITHSINGLEFUNCTIONANDLOWPRECISIONTHEREFORE,THEIMPROVEMENTOFEXISTINGWEIGHINGDEVICES,RESEARCHANDDEVELOPMENTFUNCTIONALDYNAMICWEIGHINGSYSTEMISIMPERATIVETHISPAPERDESIGNSABELTEDDYNAMICWEIGHINGSYSTEMBASEDONSCM,WHICHISAGOODSOLUTIONTOTHISPROBLEMINTHISPAPER,THEOVERALLSTRUCTUREOFTHEWEIGHINGSYSTEMISPRESENTFIRST,ANDDETAILEDANALYSISOFTHESYSTEMMODELANDWORKINGPRINCIPLEITANALYZESTHECAUSEOFDYNAMICMEASUREMENTERRORS,ANDBUILDSAMATHEMATICALMODELFORDYNAMICMEASUREMENTERRORSOFSINGLEIDLERELECTRONICBELTCONVEYORSCALEACCORDINGTOTHEMODEL,THEPROPOSEDAPPROACHUSEALGORITHMTOCORRECTERRORSSOLVEDTHEPROBLEMOFLOWDYNAMICMEASUREMENTACCURACYTHENTHEDESIGNOFSYSTEMHARDWAREANDSOFTWAREISPRESENTANDDATAPROCESSINGALGORITHMSANDTHEIRPROGRAMMINGDESIGNSYSTEMUSES24BITPRECISIONA/DCONVERTERAD7730CONVERTTHEWEIGHINGSIGNALTOENSUREHIGHPRECISIONMEASUREMENTRESULTSTHERESULTHASSHOWNTHEMEASUREMENTERRORSAREEFFECTIVELYREDUCED,ANDTHEMEASUREMENTACCURACYCANUPTO02THESYSTEMPRESENTEDINTHISPAPERISCHARACTERIZEDBYHIGHPRECISION,GOODSTABILITYANDACHIEVEDTHEFUNCTIONSOFREALTIMEMONITORINGANDDATAPRESERVATIONANDWITHTHEPROFIBUSINTERFACE,THISSYSTEMWASWELLPOSITIONEDTOMEETTHEREQUIREMENTSOFINDUSTRIALAUTOMATIONANDMANAGEMENTMODERNIZATIONKEYWORDSDYNAMICWEIGHINGTRANSMISSIONBELTAD7730PROFIBUS目录摘要ABSTRACT1绪论111背景及意义1111背景1112意义112国内外发展现状2121国内外称重技术发展现状2122国内外称重技术发展趋势313主要工作及论文结构52系统整体设计621系统结构概述622动态称重计量原理723小结83系统器件简介931称架和传感器9311称架介绍9312称重传感器介绍与选择103121称重传感器的分类103122称重传感器的选择11313测速传感器介绍与选择133131测速传感器分类133132测速传感器选择1532小结154系统硬件设计1741系统硬件概述1742系统微处理器17421功能特性描述17422引脚功能描述1843系统模数转换器19431AD7730的工作原理20432AD7730内部结构20433AD7730与单片机的接口设计2144数据采集电路通信接口设计22441串口通信22442RS232C标准23443MAX232芯片简介23444串口通信接口电路设计2345程序下载线连接2446传感器接口设计2547PROFIBUSDP接口扩展2648小结275单片机软件设计2851KEILC51介绍2852单片机系统软件设计2853主程序模块流程框图29结论30致谢31参考文献32附录341绪论11背景及意义111背景对物料重量的动态称重在工业生产和流通贸易中占据重要地位，其中动态称重计量工具是不可缺少的计量工具。在各种大宗散装物料的传输带上，都广泛应用动态称重计量工具，起到了提高计量精度、缩短作业时间、提高管理效率、节约资源和改善经营等多方面作用。目前动态称重计量工具已经遍及各个领域，带来了显著的经济效益。随着国民经济迅速发展，贸易商品流通量不断扩大，传统的动态称重计量工具已经不能适应时代的发展，需要新产品在自动化生产和现代化管理两方面不断提高。随着近几十年计算机技术、微电子技术和传感器技术的崛起，动态称重技术在智能化、数字化和计量迅速化方面都有了长足进步。新型的动态称重计量工具不仅仅是提供重量信息的独立仪表，而是现代工业一体化和管理自动化的重要组成部分。所以新型动态称重系统不但要能快速、准确提供计量数据，还需要消除人为和环境造成的误差，提高计量精度，并且应具备计量数据实时监控、数据保存和数据管理等功能。112意义传输带动态称重设备是对传输带传送的散状固体物料或粉料进行连续称量的设备，有着应用行业面广、使用目的广泛等特点，实现了物料储存、运输和称量的一体化。广泛应用于大宗散状固体物料或粉料的运输、加工、储存行业，如港口、仓库、冶金、煤炭、电力、建筑和烟草等行业。从使用目的方面而言，可以精确监管生产环节，提高结算精度，还可用于组成各种自动化配料系统和工业控制系统。随着目前企业工业生产自动化和管理自动化程度的不断提高，迫切需要提高自身的生产效率，这就需要性能更好更完善的传输带动态称重设备。但是，目前国内的相关产品品种少，且功能单一，不能满足企业的迫切需要，所以改进传统设备，研究开发性能好功能完善的传输带动态称重系统是势在必行的。本课题正是针对这一问题，开发的动态称重系统具有计量精度高，稳定性好，并且系统还实现了上位机实时计量数据可视化和数保存打印功能，其界面直观，便于使用，从而杜绝不真实计量现象，维护了企业和客户的利益，方便了计量工作。另外系统扩展了现场总线接口很好的满足了工业自动化和管理现代化的要求。12国内外发展现状121国内外称重技术发展现状动态称重技术的发展可分为以下四个阶段1动态称重技术起源世界上最早的动态称重装置出现在19世纪末期的西方国家，用于输送机对散状固体物料动态自动称重。1880年第一台动态称重装置获得计量许可。1908年第一个动态称重专利在英国公布。自此，形成了较完整的动态称重技术定义和动态称重装置，拉开了动态称重技术发展的序幕。2纯机械式动态称重装置第一代成熟的动态称重装置以纯机械式皮带秤为主导，只有带配重物的秤架结构和增量式码盘结构的编码装置，实现了简单的速度和重量数据的采集，但由于受到机械装置制造水平的限制，精度很差，而且计量过程复杂繁琐。1970年英国制定了第一个系统的动态称重检验模式，标志着动态称重行业走上规范化道路。3传感器和仪表结合式动态称重装置二战后，随着传感器技术和电子技术的飞速发展，出现了传感器和电子仪表结合的第二代动态称重装置。使用光电脉冲式或磁电脉冲式传感器测量速度，电子仪表通过模拟积分放大电路或数字积分放大电路实现配重平衡、启动识别和流量累加功能。第二代动态称重装置在计量精度和计量过程简化上都有了很大程度的提高，但是仍然存在计量精度较低和缺乏误差纠正等缺陷。4传感器和微机结合式动态称重装置随着近十年来传感器制造工艺和微机智能技术的崛起，为动态称重装置的性能大幅度提高创造了有力条件。第四代动态称重装置不但在计量精度上有了长足进步，而且在机构集成化和功能完善化方面取得了进步，可以根据企业现场环境的需求研制不同类型的传感器微机智能化动态称重系统。目前正在使用的传输带动态称重装置种类繁多，结构形式不同，分类依据多种多样。从秤架结构类型分有单托辊秤架、多托辊双杠杆秤架、悬臂式秤架、悬浮式秤架等结构，其中单托辊秤架由于结构简单、安装便捷等特点，市场占有率较高。从使用的称重传感器类型分有电阻应变片式传感器、磁压式传感器、差动变压式传感器和核子式传感器等，其中电阻应变片式传感器应用最为广泛。目前使用的动态称重装置较为成熟的有电子传输带称重装置、核子传输带称重装置和激光核子传输带称重装置。1电子传输带称重装置电子传输带称重装置依靠称重传感器测量传输带上的物料重量数据，一般使用接触式测速传感器测量传输带运行速度，这导致计量精度受制于机械结构，计量结果误差来自传输带张力、自重、抖动等多种因素。所以这种动态称重装置计量精度不稳定，维护工作繁琐，需要每隔一段时间对装置各项参数进行调节，以达到所需精度。而且这种动态称重装置适用于大量散状物料较长时间累积流量的连续计量，测量瞬时重量的精度不高，难以满足某些对物料瞬时重量要求较高的使用场合。2核子传输带称重装置核子传输带称重装置是利用伽马射线对传输带上的物料进行计量。当伽马射线强度一定时，射线穿过物料的衰减强度与物料的成分、密度、厚度等参数呈指数关系。计量时将载物时的射线强度的连续测量数据与传输带空载时的测量数据进行比较，再与测量的传输带速度进行计算，可以直接得到物料的瞬时载荷重量、累积物料流量等计量数据。由于核子传输带称重装置的工作原理是基于伽马射线穿透物料时的衰减规律，是非接触式测量，有安装独立简便、后期维护容易、计量精度不受机械装置影响等显著优点。但是，伽马射线的衰减强度与射线方向上的物料厚度有直接关系，这使得核子传输带称重装置的计量结果受物料形状影响很大。实验证明，相同载荷的同种物料不同的摆放形式下，计量的结果相差很大，甚至高达17，存在物料形状影响导致核子传输带称重装置计量精度较差的问题。3激光核子传输带称重装置激光核子传输带称重装置工作原理是利用伽马射线辐射测量传输带上物料的密度，利用激光图像分析来测量物料的堆积体积，进而计算出传输带上物料的重量。由于这两种测量技术都是非接触式测量，所以激光核子传输带称重装置具有装置结构简单、安装便捷、不受机械性能影响、后期维护简便、能准确测量瞬时重量等显著优点。而且激光图像分析技术弥补了核子测量技术的缺陷，测量结果不受传输带上物料摆放形状的影响，使得这种装置计量精度较好。但是，这种装置的成本较高，而且伽马射线的辐射对物料内部结构的稳定性和工作人员的身体健康都是不利的，所以激光核子传输带称重装置应用并不普遍。传输带称重技术最早传入我国是在本世纪60年代，经过几十年来不断的发展与完善，品种不断增多，在我国工业生产自动化中发挥了巨大作用。传输带称重方式由静态发展到动态，计量方式由模拟量转变为数字量，测量参数由单个参数转变为多个参数测量。随着传感器工艺的提高和微电子技术的崛起，我国传输带动态称重技术的研究得到了进一步发展。但是，由于核心技术与工艺落后、机械设备与电子仪表老化、新产品研发能力欠缺等因素困扰，我国相关产品的质量和品种都与发达国家相差甚远，而且功能单一，可靠性差。所以目前相关产品的性能和品种，不能满足中国现在和未来的巨大市场需求，这就为传输带动态称重设备的研究开辟的广阔前景。122国内外称重技术发展趋势随着传感器制作工艺和微机技术的不断发展，加之引入模糊控制理论、神经网络、建立数学模型、人工智能、阻尼振动理论等技术，称重计量系统向着功能自适应、智能化信息处理方向发展。国际上已经取得了动态称重技术的突破，称重技术已经跨入了高科技领域。目前，称重技术的主要发展趋势为以下几个方面1小型化体积小、重量轻、便于安装调试。近几年称重装置的研究特点上，充分体现了秤架结构向小、轻、薄方向发展。为了适应低容量的计量场合，可将传感器制成薄或超薄型称重传感器直接嵌入秤架受力的铝板或钢板底上与传感器外径一致的盲孔内，从而组成低外形的秤架结构，通过秤架的力学要求和额定载荷可以计算出称重传感器的安装位置和使用数量。秤架的铝板或钢板就是称重平台，称重传感器既作为计量装置，又作为秤架支点存在，这种设计极大地精简了装置结构，减少了机械连接环节，不但缩减了制作成本，而且提高了装置的可靠性和稳定性。对于较大容量的平台称重装置和电子地上称重装置，采用长方形或正方形闭合截面的薄壁钢排列成一个竹排式秤体结构，在最外边两根薄壁钢两端的切口内分别安装4个称重传感器，称重传感器的固定支撑结构就是秤架的受力支点，这种设计既能简化称体结构，又能缩减称体高度，是一种很有发展前景的设计方式。2集成化对于一些特定结构的称重装置，如专用称重装置、小型电子秤、静态电子轨道秤以及便携式静动态轮轴秤等产品，可以实现称重传感器与钢轨，称重传感器与秤架，称重传感器与轨道秤台的集成化。例如称重传感器与秤架集成化的静动态便携式电子轮轴秤，其集成化结构由厚质硬铝合金板制成，主要原理是通过固溶热处理来强化硬铝合金板，在合金板4个角通过铣槽或钻孔的方式安装4个悬梁式称重传感器，或者在合金板的地面通过铣槽或钻孔的方式安装多个剪切梁式称重传感器。从而使秤架与称重传感器高度集成化。3智能化称重装置的计量显示与控制部分与微型计算机相连，通过微型计算机的智能化处理增加称重装置的显示和控制功能。使得称重装置在保留原有功能基础上增加了自适应、自诊断、自组织、推理和判断等智能功能。这方面提高就是智能化称重装置的显示与控制器与目前普遍使用的微机控制显示与控制器的主要区别所在。4综合化称重技术未来的发展方向是在加强基础研究的基础上扩大应用范围，扩展应用领域，向相关行业和学科渗透，应用各个学科的技术综合化的解决计量称重、信息处理、自动控制等问题。对于某些应用场合，只具备计量、显示、量化等功能的称重装置远远不能满足用户需求。随着生产自动化和管理一体化的进程的不断推进，称重装置应具备称重、计价、提供各项相关信息、出入库管理、网络服务等各项功能。需要电子称重设备与计算机和互联网相连，共同组成一个综合化生产控制系统。5组合化在某些重量计量场合或过程中，为满足实际需求，还需要电子称重装置具备一定的组合能力。如机械部分根据实际场合的调整，与外围设备的组合，系统硬件与外围设备的连接，调节计量范围和精度，通过软件设置调整输入输出方式、通信方式等功能。13主要工作及论文结构1进行系统整体设计规划将软、硬件按实现的功能划分成析系统所用各传感器的性能，全面了解被采集信号的各项指标。2设计系统硬件及制作PCB板实现对系统称重传感器和采集、上位机通信、在线编程等功能，制作原理图及PCB板图。本论文结构如下1绪论阐述了本课题的研究背景及意义，介绍内外研究发展现状，最后总结了自己所做的工作，并且给出了论文结构。2系统整体设计提出了传输带动态称重系统的总体系统的基本结构和计量原理。详细说明了系统实现的功能。3系统器件简介主要包括称架和传感器类型，系统微处理器和模数转换器的选择。4系统硬件电路设计详细介绍系统的硬件设计，数据采集电路和通信接口的设计，传感器接口设计，现场总线接口的扩展，重点介绍基于AD7730芯片的称重传感器数据采集电路的设计与实现。2系统整体设计21系统结构概述传输带动态称重系统由五部分构成秤架、称重传感器、测速传感器、数据采集电路和工控计算机。采用单托辊秤架、梁式称重传感器和接触式测速传感器的传输带动态称重系统结构示意图如图21所示。图21传输带动态称重系统结构示意图物料在传输状态下，称重传感器和测速传感器将传输带上物料的瞬时重量和瞬时速度转换成电信号，数据采集电路采集该电信号并进行适当处理，然后送入工控计算机进行量化和计算，最后显示流量累计结果。扩展功能通常是靠开发软件完成的，如监控功能、报警功能以及数据库相关功能。22动态称重计量原理数据采集电路工控计算机称重传感器测速传感器通常情况下，计算传输带上物料的流量需要采集物料的瞬时重量数据和传输带的瞬时速度数据。物料的瞬时重量需要连续采样或者周期采样计量区段传输带托辊所受到的压力。传输带的瞬时速度可以通过接触式和非接触式两种方式获得，再经过一定的算法来减小误差。物料的瞬时重量和传输带的瞬时速度进行运算，可得传输带上物料的瞬时重量和累计流量。瞬时重量为某一瞬间传输带上的物料重量，累计流量为某一段时间内传输带上所通过的物料总重量。目前主要通过积分法和累加发计算物料的瞬时重量和累计流量。目前计算物料流量和累计重量主要采用的方法有积分法和累加法1积分法积分法计量流量时，首先测量传输带上输送的物料的瞬时重量QKG/M和相同时刻传输带的瞬时速度UM/S，相乘可以得到传输带上物料的瞬时流量WTKG/M21QUTW式（21）算出的是传输带某一时刻的瞬时流量，但传输带上的物料瞬时重量和传输带的瞬时速度都是随时间不断变化的，所以瞬时流量WT对时间的积分可以得出T段时间内传输带的累积物料流量W（2TDTW0TDTUQ02）式中QT瞬时荷重值UT瞬时皮带速度传输带的速度可由采样间隔距离L和走过L段程度所消耗的时间T来计算（2TLU3）式中T走过占L长度所需的时间L采样间隔行程2累加法用累加法计量传输带上物料流量时，传输带每移动距离S时，就对传输带的瞬时重量采集一次，这是传输带整体的加权重量，会与实际重量有一定的差距。然后通过近几次的瞬时总量采样计算出S段的瞬时重量值QI。把N段测量的瞬时重量累加就读出传输带走过NS段长度的累积流量W（2NINQQW1324）累加法计量原理如图22所示图22累加法计算物料流量T时刻传输带上物料的瞬时重量可以由W对时间微分求的25DTW使用累加法计算物料流量可以很好的减少皮带跳变和传感器转换误差对计量结果的影响，并且经过大量实验证明使用累加法要比采用积分法的准确度高，所以对计量精度要求严格的系统均采用累加法方式计量。本系统设计正是基于累加法计量物料流量和累计重量。23小结本部分提出了系统的设计方案，阐述了传输带动态称重系统的基本结构和计量原理。详细说明了本系统的组成结构和实现的功能，介绍两种基本计量算法，对优缺点进行了对比，选择累加法作为系统的基本计量算法。NSS3系统器件简介31秤架和传感器传输带动态称重系统的载重部分称为秤架。秤架安装在传输带输送机上，在完成输送功能的同时实现传输带上物料的动态称重。物料流过传输带时，秤架上的称重传感器和测速传感器将秤架瞬时重量和传输带瞬时速度值转换成电信号，并由数据采集装置采集。311称架介绍在系统计量过程中，由于运行中的传输带的张力，抖动和跑偏等因素对流量计量结果的影响甚大，这种影响又称“皮带效应”。为减轻这种影响，以及安装难度和设备成本等考虑，秤架的种类繁多。单托辊秤架因其安装方便，维护量低，信号响应速度快等明显优点，占据了市场份额的50以上，但在秤架设计中没有消除传输带张力对称重结构的影响，需要设计算法来消除误差。为保证研究的普遍意义和实用价值，本系统选择单托辊秤架作为研究对象，并通过算法有效消除了水平张力对计量结果的影响。称重传感器只安装在一组托辊上的称架结构称为单托辊称架如图31所示，单托辊称架由安装了称重传感器的称重托辊，称重托辊相邻的两组过渡托辊和称架支撑结构共同组成。其中称架支撑结构分为平衡杠杠支撑和直接支撑，平衡杠杠支撑结构还可以选择是否配置平衡重物。过渡托辊称重托辊传输称重传感器支撑架配置平衡重物图31配置平衡重物的单托辊称架结构示意图配置平衡重物重量可以实现调节传输带空载时对称重传感器的压力，有利于系统零点标定，确保计量精度。312称重传感器介绍与选择称重传感器是将作用在其上的压力转换为等比例的电信号的仪器。随着科学技术的迅猛发展，称重装置因其能实现对被测对象的迅速、精确称量，在各行各业得到广泛应用，而称重传感器正是称重装置的核心部件。尤其是传感器材料技术和传感器制作工艺的不断提高，使得基于称重传感器的称重装置的计量区间向大吨位和微量物体两个方向不断延伸，并且在工业自动化控制领域中已经成为一种必须的设备。而且目前几乎所有的领域应用的称重装置都使用了不同种类和规格的称重传感器。3121称重传感器的分类目前使用的称重传感器种类繁多，可按工作原理分类为压力电荷式、压力电阻式、压力电磁式和电阻应变式称重传感器。下面分别介绍1压力电荷式称重传感器压力电荷式称重传感器的工作原理是基于一种离子电材料，当这种材料受到外力时，内部会产生极化效应，获得或失去一定量的电荷，从而带电，当加在其上的外力去掉时，材料恢复为不带电状态。这种特性称为材料的压电效应，这种材料称为压电材料。压力电荷式称重传感器的基本工作原理就是采用这种材料研制而成的，压力电荷式称重传感器的固有频率较高，所以在适用高频响应的场合要优于其他种类的称重传感器。2压力电阻式称重传感器压力电阻式称重传感器的基本工作原理是基于一种具有压阻效应的材料，这种材料在收到外力后会产生形变，并且它的电阻会随之产生变化。利用带有压阻效应的材料制成的传感器就称为压力电阻式称重传感器。根据具体材料性质的不同，可将压力电阻式称重传感器分为半导体应变式称重传感器和扩散型压力电阻式称重传感器。半导体应变式称重传感器的基本结构类似于电阻应变式称重传感器，不同点是利用半导体压电材料代理电阻应变式称重传感器的金属材料制成电阻应变片，虽然也容易损坏，但与金属材料相比具有灵敏度高和体积小等优点。扩散型压力电阻式称重传感器所采用的压电材料是半导体单晶硅。由于单晶硅材料各项极性相异，所以要根据实际受力形变情况来加工特定的应变基片，因而测量精度稳定性较差。3压力电磁式称重传感器压力电磁式称重传感器的基本工作原理是基于一种具有压磁效应的材料，这种材料在受外力时会在内部产生机械应力，改变材料的磁导系数。压力电磁式称重传感器就是基于这种材料制成的。4电阻应变式称重传感器电阻应变式称重传感器的基本功能是基于电阻应变计实现的，电阻应变计由电阻丝在绝缘基片上制作而成，根据电阻大小与直径成反比于电阻长度成正比的基本原理，当应变基片受到外力作用是，其上金属丝直径和长度都会发生细微的变化，导致所在的应变基片的电阻阻值产生变化。根据此原理，电阻应变式称重传感器可以将受力量转换为电信号。由于电阻阻值只能产生细微变化，所以要使用惠斯顿桥式测量电路测量。惠斯顿桥式测量电路要求四个组成电阻的阻值相差量很小。3122称重传感器的选择传输带动态称重系统使用的称重传感器要具备以下几个特征1具有较高的稳定应，能在投料或输送时造成的冲击或振动下正常工作，而且各项系数漂移量较小。2零点漂移和温漂系数较小，可以在不同温度环境下使用。3装卸简便。传输带动态称重设备一般在大量散状物料输送过程中使用，不能允许整个进度停滞过长时间。4密封性好。防潮防粉尘，能够适应较恶劣的工作场合。5较好的抗跑偏与偏载性能。因为在传输过程中，物料分布是不均匀的，作用力偏离重心的情况是不可避免的。具备了以上几个特性的称重传感器，在实际使用时还要考虑多方面因素。如传感器的类型、传感器的精度指标、传感器的使用数量和传感器的使用环境等诸多因素。1传感器的类型传感器类型的选择时首先要了解传感器各项信息，如性能指标、安装方法、原理结构、受力方式、材料材质等，这些一般由制造厂商提供。然后主要考虑称重场合性质和安装空间问题，既要保证安装稳定，又要保证测量可靠安全。如材质电桥传感器适用于汽车称量和轨道称量等；铝质悬梁式传感器适用于普通电子称、平台秤和案秤等；钢质柱式传感器适用于汽车称量、动态轨道称量和大吨位料斗称量等。2传感器的精度和量程选择传感器的精度指标时不能盲目寻求高精度的传感器，要综合考虑实际称重场合的需求和成本等问题。通常情况下，传感器指标包括蠕变系数、灵敏度、额定载荷、零点温漂、综合误差、滞后、不重复性和非线性等。选用的传感器的不重复性、非线性和滞后三项指标的均方根的值要略高于系统需求精度。传感器的量程主要根据秤架自重、造成的最大偏载、安装传感器数量和动态计量等标准综合考虑来选择。在传输带动态计量时，秤架分配到各个传感器的载荷量越接近传感器量程，计量精度和稳定性越高。在现场实际条件下，除了考虑分配到传感器的载荷量之外，秤架重量、传输带自重、动态振动、下料冲击等因素也会影响传感器的量程选择。3传感器使用数量在选择传感器的使用数量时，主要考虑电子称重装置的实际受力结构、秤架支撑点的数量和称重装置的用途等因素，其中秤架支点个数应由秤架实际重心和秤架几何重心重合的原理而定。通常情况下，传感器的使用数量等于秤架支点的数量，但也存在特殊情况，如存在吊梁结构的秤架只能在吊梁连接点处使用一个传感器。4传感器使用环境传感器的使用环境是一项重要的考虑因素，实际环境中的温湿度、粉尘、振动等要素对于正确选择传感器至关重要，而且关系到传感器的使用寿命、安全稳定性和测量精度。在动态称重中，称重传感器的选择对整个系统的计量精度和响应速度有直接影响，所以要结合实际需求根据以上条件综合考虑。由于悬梁式称重传感器是基于电阻应变原理将力矩产生的应变力转换成与其线性关系的电信号，而且承载方式为平面载重，抗偏载和抗侧向能力强。固本系统的称重传感器选用宁波柯力电气制造公司的悬梁式传感器，该传感器是电阻应变片式传感器的一种。其外形如图32所示。图32柯力电气制造公司的悬梁式传感器电阻应变式称重传感器的基本功能是基于电阻应变计实现的，电阻应变计由电阻丝在绝缘基片上制作而成，根据电阻大小与直径成反比于电阻长度成正比的基本原理，当应变基片受到外力作用是，其上金属丝直径和长度都会发生细微的变化，导致所在的应变基片的电阻阻值产生变化。根据此原理，电阻应变式称重传感器可以将受力量转换为电信号。由于电阻阻值只能产生细微变化，所以要使用惠斯顿桥式测量电路测量。惠斯顿桥式测量电路要求四个组成电阻的阻值相差量很小。在各项参数指标中额定载荷、灵敏度、推荐激励电压三项为关键参数，直接关系到传感器的合理使用和转换数据的正确计算。该传感器的灵敏度为200003MV/V，表示当传感器受到额定载荷重量时，每1V激励电压下，产生200003MV输出电压。本系统实际采用激励电压为10V时，额定载荷为2T，则在2T满量程下，输出电压为10200003MV。其技术参数指标见表31。表31称重传感器性能参数项目性能测试参数项目性能测试参数额定载荷2T工作温度范围3070灵敏度200003MV/V安全过载120FS综合误差003FS极限过载200FS蠕变（30分钟）003FS推荐激励电压1012VDC零点平衡1FS最大激励电压15VDC零点温度影响003FS10密封等级LP66输出温度影响003FS10材质合金钢输入阻抗40010电缆输出阻抗3523LENGTH4M绝缘电阻5000MDIAMETER5MM313测速传感器介绍与分析传输带运行速度是计算动态称重结构的关键指标，所以测速传感器是传输带动态称重系统的重要组成部分。测速传感器按转换原理可分为数字方式和模拟方式，数字测速传感器目前国内外使用广泛，使用模拟测速传感器来检测传输带运行速度的方式基本不再使用。3131测速传感器分类单就数字测速传感器而言，其分类方式也很多。按传感器采集速度信息的方式，可分为接触式测速传感器和非接触式测速传感器。其中按接触式测速传感器的接触轮的大小又可分为宽式接触传感器和窄式测速传感器。接触式测速方式的基本原理是基于接触传输带的摩擦轮，当传输带行驶时，依靠于传输带之间的摩擦带动自身运动，热按通过光电或磁电式将速度信号转换成电信号。接触式测速传感器结构简单、安装方便、造价低廉，所以目前被广为采用。但依靠摩擦力的原理限制了速度的测量精度。非接触式测速传感器没有与传输带接触的机械装置。非接触式测速传感器理论上是可以消除接触打滑、速度损耗等接触式传感器不能解决的问题，并且实现直接获得传输带速度的结果。但实际使用中还有很多未能解决的问题，目前主要体现为测量稳定性差、影响结果因素多、结构复杂、造价较高等方面，所以尚未广泛使用。按速度信息转换为电信号的实现原理分类，可分为光电式测速传感器和磁电式测速传感器。现在国外甚至出现了“多普勒”测量原理的测速传感器，国内也已经开发了相同原理测速传感器。目前比较普遍的分类方式是分为光电转换式测速传感器和磁电转换式测速传感器。1光电转换式测速传感器光电转换式测速传感器的计量原理是由机械传动装置将传输带运行时的速度转换为光栅编码圆盘的转动速度，光栅圆盘的一边放置光源，另一边放置光感元件。当传输带带动光栅圆盘转动时，速度转换为光栅对光线的遮挡频率，并通过光电转化生成脉冲信号或具体数字编码。故光电转换式测速传感器又称为光电编码器。光电转换式测速传感器体积小、安装简便、精度高、应用范围广，实现了数字测量和数字控制，连接计算机和相应显示设备后可以实现实时控制和实时测量角位置。与其它种类测速传感器相比，有性价比高、可靠性好、维护简便等优点。根据光栅圆盘的光栅形式可将光电转换式测速传感器分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器。增量式光电测速传感器内部圆盘上的光栅是等间距的，每道光栅为一个分辨区，产生一个周期脉冲信号，采集电路使用计数器对脉冲进行累加运算，以零点为基准位置，正转累加，反转递减。增量式光电测速传感器具有体积小、重量轻、结构简单、响应速度快等优点，但是中途中断计数会造成测量数据的缺失，而且会造成误差积累。绝对式光电测速传感器内部圆盘上的光栅是按二进制码规律排列的，由于为每一个分辨区间设计了不同的二进制码，所以码盘转动的位置不同，编码输出的值也不同。基于这种设计原理，绝对式光电测速传感器有固定零点、无误差的累积、中断后不会造成数据损失、输出量与角度符合一定函数关系和测量稳定性强等优点，但同时导致绝对式光电测速传感器结构复杂、体积较大和安装繁琐。目前使用并不广泛。2磁电式测速传感器磁电式测速传感器的工作原理与光电式测速传感器相同，也分为增量式和绝对式。但是磁电式测速传感器对环境要就较严格，传输带的震动等状况会导致传感器工作异常，造成测量数据损失。3132测速传感器选择综合各方面因素考虑，本系统测速传感器选用欧姆龙E6B2CWZ6C增量型旋转编码器，该编码器属于接触式轴光电编码器。欧姆龙E6B2CWZ6C光电编码器。外形如图33所示图33欧姆龙E6B2CWZ6C增量型旋转编码器接触式测速方式的基本原理是基于接触传输带的摩擦轮，当传输带行驶时，依靠于传输带之间的摩擦带动自身运动，热按通过光电或磁电式将速度信号转换成电信号。接触式测速传感器结构简单、安装方便、造价低廉，所以目前被广为采用。但依靠摩擦力的原理限制了速度的测量精度。光电转换式测速传感器光电转换式测速传感器的计量原理是由机械传动装置将传输带运行时的速度转换为光栅编码圆盘的转动速度，光栅圆盘的一边放置光源，另一边放置光感元件。当传输带带动光栅圆盘转动时，速度转换为光栅对光线的遮挡频率，并通过光电转化生成脉冲信号或具体数字编码。故光电转换式测速传感器又称为光电编码器。光电转换式测速传感器体积小、安装简便、精度高、应用范围广，实现了数字测量和数字控制，连接计算机和相应显示设备后可以实现实时控制和实时测量角位置。与其它种类测速传感器相比，有性价比高、可靠性好、维护简便等优点。其技术参数指标见表3232小结本部分主要介绍了系统所使用的主要器件及其性能参数及特点，包括单托辊称架、称重传感器、测速传感器、系统为处理器和模数转换器的类型等。表32欧姆龙E6B2CWZ6C增量型旋转编码器技术参数项目技术参数项目技术参数电源电压5V24VDC耗费电流170MA以下辨率（脉冲/旋转）2000输出项A、B、Z、相输出方式NPN集电极开路输出输出相位差A、B相位差9045（1/41/8T）高响应频率3100KHZ输出上升下降时间1US以下启动力矩098MNM以下惯性力矩1106KG允许最高转数6000R/MIN轴允许力径向30N轴向20N环境湿度范围3585RH（不结露）绝缘电阻30M以上（DC500V兆欧表）耐电压AC500V50/60HZ震动耐久10500HZ、在HZ保护回路负载短路保护环境温度范围运动1070保存25854系统硬件电路设计41系统硬件概述数据采集电路是系统的主要硬件部分，将称重传感器020MV的输出信号由数模转换器转换为24位精度的数字信号，即000000HFFFFFFH中的一个值，然后送入单片机。速度数据采集部分，首先将测速传感器输出的脉冲信号进行光电隔离，然后由单片机对脉冲计数。数据采集工作完成后，由通信接口将24位转换数据和脉冲计数值送入上位机，在上位机中完成数据的量化和最终计算，实时显示计算结果，并且存入数据库。使用ALTIUMDESIGNERSUMMER08工具完成系统硬件的原理图和PCB板图设计。ALTIUMDISIGNERSUMER08是美国ALTIUM公司开发的设计电路板软件PROTEL的升级版本，沿袭了PROTEL以前版本方便易学的特点，内部界面与PROTELDXP大体相同，为了适应目前高密度和信号高速度的要求新增加了一些功能模块。在元件库中，整合了以前PROTELDXP版本和PROTEL99版本等各个版本的库文件，使功能更强大，使用更方便。冲击耐久1000M/S2X、Y、Z方向保护结构IEC规格IP50连接方式导线引出式材质外壳ABS本体铝轴SUS420J2质量约100G输出容量30VDC以下35MA以下04V以下42系统微处理器由于数据采集系统要求的芯片数据存储空间（RAM）和程序存储空间（ROM）都较小，固微处理器选择AT89S52芯片。AT89S52是ATMEL公司推出的与MCS51兼容系列单片机。它是一种低功耗、高性能的微处理芯片。8KB片内FLASH，可擦/写1000次以上；256字节片内RAM；全静态逻辑，工作频率范围024MHZ；32个可编程I/O口；三级程序存储器加密；一个全双工串行口；三个16位定时/计数器；支持在线编程ISP（INSYSTEMPROGRAMMABLE）功能。421功能特性描述AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程FLASH存储器。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上FLASH允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。422引脚功能描述图41AT89S52引脚图AT89S52VCC电源GND地P0口P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P10和P12分别作定时器/计数器的外部计数输入（P10/T2）和时器/计数器的触发输入（P11/T2EX）。在FLASH编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号第二功能P10T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P11T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P15MOSI（在系统编程用）P16MISO（在系统编程用）P17SCK（在系统编程用）P2口P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVXRI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在FLASH编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能。在FLASH编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。43系统模数转换器本系统称重传感器输出的信号为模拟量，需要转换为数字信号进行记录和处理，所以模数转换部件为本系统的重要部分，对整个系统的计量精度都会产生影响。由于悬梁式电阻应变称重传感器输出为频率较低的模拟量，所以需要模数转换部件具有精确的计量精度，但对响应速度没有过高要求。固本系统采用精度为24位的AD7730芯片作为模数转换器件。AD7730是由美国ADI公司生产的24位无失码、双通道差分模式高分辨率模数转换装置，有效分辨率为21位，线性误差00018。AD7730是类型数模转换装置。类型数模转换装置同时具备反馈比较和双积分式两种数模转换器的优点，以电荷平衡式数模转换器改良而成，类型数模转换装置去掉了在电荷平衡式模数转换器中使用的复杂的稳定式电路，取而代之为结构简单的D触发器，这种设计使类型模数转换器件自身的电路组成对元件的精度要求降到了一个很低的层面。类型数模转换装置还同时具有双积分式模数转换器抑制串摸干扰的功能。类型是一个闭环的连续转换系统，所以对自身电路元器件的精度要求低于双积分式模数转换器，漂移与失调不会影响转换的精度。类型模数转换装置由于使用了数字式反馈比较方式，从而使用量化噪音大大降低、提高了转换精度、增强了系统的抗干扰能力、加快了相应速度、优化了线性度。技术将量化噪声移到了系统数模转换频带之外，所以AD7730抗干扰能力强，适用于低频信号的动态模数转换。本系统采用AD7730转换悬梁式称重传感器输出的模拟量，并将转换结构送入单片机进一步处理。431AD7730的工作原理设FS为采样频率，该芯片采集称重传感器的模拟信号时采用K倍过采样频率KFS，内部通过信噪整形电路将FS/2信带宽度内的大量量化信噪移除模数转换器的转换频带，即移至FS/2至KFS/2之间的频带，从而使得系统量化信噪降低到之前的1K。由于模拟低通滤波器只能滤除大于KFS/2频带宽度的信噪，所以需要利用采样抽取电路和数字滤波器来滤除频带无用信号和量化信噪，提取期望信号，提高转换分辨率和信噪比。使用的采用率应高于两倍输入信号频率，即FS2FA，并且应符合NYQUIST采样定律的原则。用户可以通过软件设置AD7730的工作方式寄存器，设置模数转换器的数字滤波器、信噪比、采样分辨率、采样频率，从而做出最优选择。432AD7730内部结构图42AD7730内部结构图AD7730内部包含24位模数转换器、双路差分模拟输入通道、校正微型处理器、双向串行输入输出端口、两级可编程控制的数字滤波器和十三个功能控制寄存器。AD7730内部结构图如图42所示。其内部的双路差分模拟输入通道，可以通过设置相应的功能寄存器的方式达到量程编程控制，传感器的量程可设置为四种单极性模拟信号以及四种双极性模拟信号范围，分别为010MV、020MV、040MV、080MV、10MV、20MV、40MV、80MV，而且可以根据实际输入的传感器模拟信号电压幅度的不同改变量程。多路转换器（MUX）的输出信号先与片内6为DAC的输出信号相加，从而使输入信号在可编程增益放大器（PGA）的额定量程之内，然后再加到系统PGA上。AD7730的DAC的失调值较大，对于输出信号的抵消电压范围可达775MV。通过串行口写AD7730的功能寄存器时，首先要写输入移位寄存器。当加在AD7730的时钟逻辑引脚POL为高电平时，可执行功能寄存器写入操作，单片机可在SCLK时钟下降沿时将寄存器对应的值按位写入AD7730的串行数据输入引脚DIN，在SCLK时钟为上升沿时，将写入的数据锁存到输入移位寄存器中。直到输入移位寄存器锁存的位数等于要写入的功能寄存器所规定的位数时，寄存器值才从输入移位寄存器移入相应的片内功能寄存器。AD7730的读写周期时序图如图43所示。图43AD7730的读写时序图通过串行口读AD7730的转换数据或寄存器值时，片内相应寄存器的内容会先写入到输出移位寄存器。在加在POL上的电压为高电平时，可以执行单片机对AD7730的读操作。SCLK时钟为下降沿时，输出数据由输出移位寄存器转移到AD7730的串行口输出引脚DOUT锁存，SCLK时钟为上升沿时，锁存在DOUT的数据按位读入到单片机中。433AD7730与单片机的接口设计图44AD7730与AT89S52的接口原理图数据采集电路中，AD7730与AT89S52单片机的接口电路原理图如图44所示。单片机使用查询方式来控制AD7730芯片，单片机的P10、P11、P13、P14引脚分别连接AD77