基于虛擬技術(shù)的高精度稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葛 亮，李俊蘭，胡 澤，趙薇薇

（1. 西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，成都 610500；2. 中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 西南分公司，成都 610041）

0 引言

傳統(tǒng)的量具是桿秤或盤秤，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展, 傳統(tǒng)的稱重系統(tǒng)在功能、精度、智能化、性價(jià)比等方面越來(lái)越難以滿足人們的需要。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的電子秤，在各行各業(yè)中開始顯現(xiàn)其測(cè)量精度高，測(cè)量速度快，操作簡(jiǎn)單易學(xué)，已經(jīng)取代傳統(tǒng)型的機(jī)械杠桿測(cè)量秤。隨著人們生活水平不斷提高，計(jì)算機(jī)走進(jìn)千家萬(wàn)戶，電子秤往往都是商家提前制作好的成品，不能和現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)相連接，功能單一，不能根據(jù)用戶需要進(jìn)行實(shí)時(shí)更改系統(tǒng)的使用功能[1]。

基于虛擬技術(shù)的稱重系統(tǒng)是一種智能化電子秤，采用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的一體化的電子稱量裝置[5,6]。用虛擬軟件顯示界面，可接打印機(jī)，還可自主設(shè)置被稱量物體的價(jià)格，并顯示付款金額，來(lái)滿足并解決現(xiàn)實(shí)生活中提出的“快速、準(zhǔn)確、連續(xù)、自動(dòng)、遠(yuǎn)程同步”稱量要求，同時(shí)有效地消除人為誤差，使之更符合法制計(jì)量管理和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的應(yīng)用要求。因此，設(shè)計(jì)基于虛擬技術(shù)的高精度稱重系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值[2]。

1 系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

經(jīng)過(guò)方案比較和論證，最終確定的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。當(dāng)物品放到懸臂梁上，懸臂梁受到被稱重物的重力作用變形，使得粘貼在懸臂梁上的電阻應(yīng)變片阻值發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)電橋測(cè)量電路轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)的強(qiáng)弱隨物重的大小而變化，該電信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后，送入AD574進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與物重成正比，再進(jìn)入AT89S52進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后經(jīng)過(guò)串口MAX232送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，在LabVIEW軟件界面中實(shí)現(xiàn)實(shí)際質(zhì)量顯示、付款金額顯示以及稱量歷史記錄保存等功能。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感器

懸臂梁式彈性元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工比較容易、應(yīng)變片粘貼方便、靈敏度較高等特點(diǎn)，適用于制作小量限測(cè)力傳感器。此類彈性元件有兩種基本形式，一種為等截面懸臂梁，另一種為等強(qiáng)度懸臂梁，本設(shè)計(jì)采用等截面懸臂梁式傳感器。

2.2 信號(hào)放大電路

根據(jù)傳感器輸出信號(hào)特點(diǎn)，放大器的設(shè)計(jì)主要是高增益，低噪聲。AD公司生產(chǎn)的AD620以其低噪聲的優(yōu)越性能為低頻微伏信號(hào)檢測(cè)提供了很好的選擇[3]。將傳感器輸出的電信號(hào)通入AD620的輸入端，經(jīng)放大后從AD620的第6腳輸出，輸出電壓作為放大器OP07輸入電壓，再進(jìn)行放大。由于懸臂梁式傳感器輸出信號(hào)易受外界因素影響，電壓值有微小變化，為了使放大倍數(shù)更精確，故在OP07的反饋電阻上串聯(lián)一個(gè)50K的滑動(dòng)變組器。傳感器的輸出電壓信號(hào)在0～6.5mv左右，在整個(gè)放大電路中只需相應(yīng)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變組器阻值來(lái)滿足所需的放大倍數(shù)。其放大電路原理圖如圖2所示。

圖2 信號(hào)放大電路

2.3 數(shù)據(jù)采集電路

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器輸出壓力信號(hào)的采集，設(shè)計(jì)了如圖所示的AD574與單片機(jī)的接口電路圖。由于AT89S52單片機(jī)是八位機(jī)，對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果只能按雙字節(jié)分時(shí)讀取，故2腳接地。 AD574輸出帶三態(tài)輸出的連接方式，故可以將其直接掛在數(shù)據(jù)總線上。圖中AD574的高八位數(shù)據(jù)線接單片機(jī)的數(shù)據(jù)線，低四位數(shù)據(jù)線接單片機(jī)的低四位數(shù)據(jù)線，AD574的CE信號(hào)要求無(wú)論是單片機(jī)對(duì)其啟動(dòng)控制，還是對(duì)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的讀入，都應(yīng)該為高電平有效，所以和通過(guò)“與非”邏輯接CE信號(hào)；由于AD574的轉(zhuǎn)換速度很快，故采用查詢方式讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，將單片機(jī)的P2.5引腳與 AD574的工作狀態(tài)指示（STS）引腳相連，通過(guò)P2.5引腳查詢STS端口狀態(tài)，當(dāng)STS為0時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束。

2.4 通信電路

數(shù)據(jù)通信在硬件上采用三線制，將計(jì)算機(jī)串口和單片機(jī)串口的三個(gè)引腳（RXD，TXD，GND）分別連在一起，即將單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的發(fā)生數(shù)據(jù)線TXD與接收數(shù)據(jù)線RXD相互交叉連接，同時(shí)將兩側(cè)的接地線GND直接相連。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為單片機(jī)軟件和計(jì)算機(jī)軟件兩個(gè)部分，單片機(jī)軟件使用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編寫，主要實(shí)現(xiàn)時(shí)間的測(cè)量和距離的計(jì)算功能；計(jì)算機(jī)端軟件選用LabVIEW圖形語(yǔ)言進(jìn)行編寫，實(shí)現(xiàn)登陸密碼驗(yàn)證、重量顯示、單價(jià)設(shè)定、顯示付款金額和稱量歷史記錄等功能[4]。其中，計(jì)算機(jī)端軟件界面如圖4所示。

工作原理：?jiǎn)纹瑱C(jī)上電復(fù)位后，由程序進(jìn)行初始化操作，控制ADC選擇輸入模擬通道，并將模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行保存和數(shù)據(jù)處理，再通過(guò)串口通信送入計(jì)算機(jī)。

圖3 數(shù)據(jù)采集接口電路

圖4 計(jì)算機(jī)端軟件界面

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

結(jié)果測(cè)試，得到數(shù)據(jù)如表1所示，通過(guò)數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)測(cè)量誤差在0.2%以內(nèi)，可以滿足日用稱重測(cè)量需要。

5 結(jié)論

1）本文提出了一種基于虛擬技術(shù)的高精度稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，從系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分詳細(xì)地闡述了該稱重系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程。

表1 系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

2）通過(guò)對(duì)該稱重系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)測(cè)量誤差在0.2%以內(nèi)，滿足日常高精度測(cè)量需要。

3）在設(shè)計(jì)該高精度稱重系統(tǒng)中，利用了虛擬儀器技術(shù)，用戶可以根據(jù)需要對(duì)計(jì)算機(jī)端軟件進(jìn)行修改以適應(yīng)不同的使用需要。

[1] 李秉榮, 劉夫云, 程雄, 王喬義, 藍(lán)毓勝, 馬永輝. 自動(dòng)稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子器件, 2010, (02) .

[2] 周祖濂. 數(shù)字稱重系統(tǒng)——稱重技術(shù)新概念[J]. 衡器,2005, (05) .

[3] 胡澤, 葛亮, 李俊蘭, 張禾, 陶真. 鉆井工程參數(shù)測(cè)試的小信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2011, (04) .

[4] 程路, 張宏建, 曹向輝. 車輛動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2006, (08) .

[5] 鄔蓉蓉, 滕召勝, 譚旗, 林海軍. 基于C#.NET的智能化汽車衡稱重管理系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2010, (07) .

[6] 張樂(lè), 魯仁全, 徐生林. 車輛衡自動(dòng)稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2010, (07).