智能電子灌裝秤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏樹峰 (安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院，安徽 蚌埠 233000)

智能電子灌裝秤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏樹峰 (安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院，安徽 蚌埠 233000)

電子灌裝秤廣泛應(yīng)用于石油液化氣等液體的自動(dòng)稱重灌裝，但在實(shí)際應(yīng)用中存在功能單一、灌裝誤差較大、成本較高等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，在分析研究電子稱重原理與技術(shù)的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和抗干擾技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種自動(dòng)化、智能化的電子灌裝秤。實(shí)驗(yàn)證明，研制的電子灌裝秤灌裝精度較高，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、良好，符合廠商和市場(chǎng)要求。

智能電子灌裝秤；傳感器技術(shù)；單片機(jī)技術(shù)；抗干擾技術(shù)

衡器(weighing machine)是稱量物體重量的器具，如秤、天平。衡器在人類生產(chǎn)、生活過(guò)程中有著非常重要的作用。目前市場(chǎng)上已有一些企業(yè)生產(chǎn)專用于液化氣灌裝的電子秤，但總的來(lái)看，這些產(chǎn)品都存在以下一些問(wèn)題：①誤差較大；②灌裝方式單一；③灌裝數(shù)據(jù)不能保留；④價(jià)格昂貴；⑤操作過(guò)于復(fù)雜。為此，筆者在分析研究電子稱重原理與技術(shù)的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和抗干擾技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種自動(dòng)化、智能化的電子灌裝秤。

1 電子灌裝秤關(guān)鍵技術(shù)

圖1 電子稱重技術(shù)流程

電子稱重是將被測(cè)物體的質(zhì)量通過(guò)稱重傳感器轉(zhuǎn)換為與之成正比的電信號(hào)，再以模擬或數(shù)字量的形式顯示出來(lái)[1]，如圖1所示。

1.1稱重傳感器技術(shù)

稱重傳感器是電子稱重系統(tǒng)的核心，從原理上可以分為電容式、壓磁式、光電式、電磁力式、磁極變形式、振動(dòng)式和電阻應(yīng)變式等[1]。

電阻應(yīng)變式稱重傳感器是利用金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量輸出的一種傳感器，其基本原理是將構(gòu)件表面的變形量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)[2]，再進(jìn)行分析處理。此類傳感器，一般結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度高，適用面廣，且能夠在相對(duì)比較差的環(huán)境下使用。因此電阻應(yīng)變式稱重傳感器得到了廣泛地運(yùn)用，占據(jù)著稱重傳感器90%以上的市場(chǎng)份額[1]。

1.2單片機(jī)技術(shù)

單片機(jī)是將CPU、RAM、ROM、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)和I/O接口電路集成到一起，單個(gè)芯片即構(gòu)成一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[3]。單片機(jī)主要具有體積小、功耗低、性能高、功能強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)[4]。此外，現(xiàn)在很多單片機(jī)都提供基于C語(yǔ)言的開發(fā)環(huán)境，提供了豐富的函數(shù)和示例程序，加快了產(chǎn)品的開發(fā)速度，程序的可讀性和可移植性大大提高。

1.3抗干擾技術(shù)

抗干擾技術(shù)[5]就是研究干擾的產(chǎn)生根源、干擾的傳播方式和避免被干擾的措施(對(duì)抗)等問(wèn)題。從廣義上講，機(jī)電一體化系統(tǒng)的干擾因素包括電磁干擾、溫度干擾、濕度干擾、聲波干擾和振動(dòng)干擾等等。在眾多干擾中，電磁干擾最為普遍，且對(duì)控制系統(tǒng)影響最大。電磁干擾是指在工作過(guò)程中受環(huán)境因素的影響，出現(xiàn)的一些與有用信號(hào)無(wú)關(guān)并且對(duì)系統(tǒng)性能或信號(hào)傳輸有害的電氣變化現(xiàn)象。

抗干擾措施主要從硬件和軟件2個(gè)方面入手：硬件抗干擾的措施有很多，主要包括屏蔽、隔離、濾波和接地等方法；軟件抗干擾的措施主要有軟件濾波、“陷阱”程序、“看門狗”等[6]。

1.4電子灌裝秤稱重灌裝誤差分析

電子秤的誤差是對(duì)稱量結(jié)果準(zhǔn)確度的定量描述。電子灌裝秤的誤差原因主要有以下幾點(diǎn)：①傳感器稱量非線性變化[7]。由于蠕變、溫漂、沖擊力、浮塵等的影響，傳感器承受載荷與其相應(yīng)輸出電壓之間并非成直線關(guān)系。②零點(diǎn)漂移。電子秤在使用過(guò)程中受到大小不同且多次往復(fù)沖擊載荷的影響，傳感器的受力情況非常復(fù)雜，最終導(dǎo)致傳感器的觸點(diǎn)發(fā)生改變，使檢定時(shí)的原始狀態(tài)產(chǎn)生了變化，造成零點(diǎn)漂移，產(chǎn)生誤差。③各種干擾的影響。系統(tǒng)存在的干擾源有電源干擾、AD輸入通道干擾、空間磁場(chǎng)干擾等，均會(huì)影響最終的稱重結(jié)果。

2 智能電子秤核心硬件及抗干擾設(shè)計(jì)

圖2 電子灌裝秤總體結(jié)構(gòu)

電子灌裝秤的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1單片機(jī)選型

智能電子灌裝秤選用的單片機(jī)是STC90C516RD+，在8051基礎(chǔ)上擴(kuò)充了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(1280B)和程序存儲(chǔ)器(61KB)，內(nèi)置3個(gè)定時(shí)器、看門狗和復(fù)位電路等。選用STC90C516RD+單片機(jī)應(yīng)考慮如下幾方面：①功能的要求；②開發(fā)工具的要求；③未來(lái)升級(jí)的要求；④超強(qiáng)的抗干擾能力；⑤超低功耗；⑥性價(jià)比高。

2.2AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

由于傳感器輸出的是毫伏級(jí)模擬信號(hào)，在送入單片機(jī)處理前必須進(jìn)行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于傳感器輸出的信號(hào)極小，要做到精確地測(cè)量，必須做到以下幾點(diǎn)[6]：①基準(zhǔn)參考電壓必須非常穩(wěn)定；②輸出控制的反饋電壓必須保持對(duì)稱穩(wěn)定；③積分時(shí)間和放大倍數(shù)要適當(dāng)。筆者選用ADS1230作為AD轉(zhuǎn)換器件，可以很好地解決上述問(wèn)題。ADS1230是一個(gè)20位的AD轉(zhuǎn)換器，內(nèi)含一個(gè)低噪聲可編程增益放大器、20位增量調(diào)制型AD轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置振蕩器。

2.3硬件抗干擾設(shè)計(jì)

1)電源抗干擾設(shè)計(jì) 電源干擾，尤其是瞬態(tài)干擾，具有隨機(jī)性強(qiáng)、變化速度快、持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的影響很大。在數(shù)字電路中，信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換(如繼電器通斷)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，在傳輸線和電源內(nèi)阻上產(chǎn)生瞬態(tài)噪聲電壓，從而影響與電源連接的其他元器件。針對(duì)電源干擾，采取以下一些措施處理：①采用三端集成穩(wěn)壓電路7805設(shè)計(jì)系統(tǒng)電源，而不是采用開關(guān)電源，使用1000μF大容量電解電容進(jìn)行濾波。②在每個(gè)數(shù)字元器件的電源與地之間接0.1μF電容用于濾除高頻噪聲[8]。③為減少灌裝控制電路中的繼電器通斷對(duì)系統(tǒng)的干擾，在繼電器觸點(diǎn)旁設(shè)計(jì)濾波電路。

2)AD輸入通道抗干擾設(shè)計(jì) 傳感器輸出端送出的是毫伏級(jí)信號(hào)，極易受到干擾，從而產(chǎn)生較為嚴(yán)重的失真，影響系統(tǒng)的精度，甚至?xí)|發(fā)錯(cuò)誤動(dòng)作，引發(fā)安全問(wèn)題。為此，采取的措施有：①采用ADS1230作為AD器件，它內(nèi)置低噪聲、可編程增益放大器，具有增益穩(wěn)定、失調(diào)漂移小等優(yōu)點(diǎn)。②在傳感器輸出端與AD輸入端之間接RC低通濾波器，濾除高頻干擾。

3)空間干擾抗干擾設(shè)計(jì) 空間干擾是指通過(guò)靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)等受到的高壓、大電流或強(qiáng)磁場(chǎng)產(chǎn)生的干擾。在該系統(tǒng)中，結(jié)合液化氣灌裝設(shè)備防爆安全性的要求，將整個(gè)電路系統(tǒng)密封在一個(gè)金屬箱內(nèi)，并將外殼接地，從而很好地解決了空間干擾問(wèn)題。

圖3 軟件系統(tǒng)分層圖

4)PCB電路板抗干擾設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)PCB電路板時(shí)，采用下面一些措施避免干擾[6]：①盡量使用45°折線布線，避免使用直角折線，減小高頻干擾信號(hào)產(chǎn)生。②模擬、數(shù)字和繼電器電路分區(qū)布線，盡量將功率大的器件靠邊。③使用滿足要求的最低晶振頻率，使用STC90C516RD+的雙倍速和1/2增益模式，減少晶振的干擾。④采用多層印刷電路板，優(yōu)化地線布線，防止地電位差和元器件間的耦合。

3 軟件系統(tǒng)及抗干擾設(shè)計(jì)

智能電子灌裝秤的軟件系統(tǒng)可以分為2大部分，一部分是架構(gòu)在硬件上的驅(qū)動(dòng)程序，另一部分是滿足用戶需求開發(fā)的軟件功能模塊，如圖3所示。

3.1驅(qū)動(dòng)程序?qū)又饕K設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)程序?qū)又饕菍?duì)鍵盤、數(shù)碼管陣列、AD、EEPROM等接口進(jìn)行編程，向應(yīng)用層提供硬件驅(qū)動(dòng)服務(wù)。

1)顯示驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 顯示部分的數(shù)碼管和發(fā)光二極管在邏輯上組合成一個(gè)5行6列的陣列。顯示驅(qū)動(dòng)的基本思路是，將需要顯示的數(shù)據(jù)，按列由單片機(jī)串行輸出，然后通過(guò)逐列點(diǎn)亮。再輸出下一列數(shù)據(jù)，再點(diǎn)亮，循環(huán)重復(fù)這個(gè)過(guò)程。

為確保穩(wěn)定顯示，顯示驅(qū)動(dòng)被放到了定時(shí)中斷中，定時(shí)器初值計(jì)算方法如下：

(216-定時(shí)器初值)×指令周期=(定時(shí)時(shí)長(zhǎng)-顯示驅(qū)動(dòng)程序自身運(yùn)行時(shí)間)×10-3

2)AD轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 電子秤的稱重部分，是由傳感器、ADS1230和單片機(jī)等共同構(gòu)成。所以稱重驅(qū)動(dòng)就是以ADS1230的接口編程，將其20位的串行數(shù)據(jù)變換為系統(tǒng)內(nèi)碼值。使用ADS1230的一般過(guò)程是，先進(jìn)行初始化和校準(zhǔn)，再讀取數(shù)據(jù)。由于傳感器輸出的信號(hào)極小，極易受到干擾，為此必須對(duì)ADS1230輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波才可以使用。稱重驅(qū)動(dòng)算法邏輯如下：①初始化；②偏移校準(zhǔn)；③讀20位AD數(shù)據(jù)；④數(shù)字濾波；⑤若濾波次數(shù)不夠，則返回第③步；⑥返回稱重值。

3.2軟件抗干擾設(shè)計(jì)

1)采用數(shù)字濾波技術(shù) 數(shù)字濾波是用軟件的手段實(shí)現(xiàn)與硬件濾波器相同的作用，并且它具有成本低、可靠性高、穩(wěn)定性好、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)采用的是中位值平均濾波法，方法是連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。為了便于在求平均值時(shí)使用移位實(shí)現(xiàn)除法運(yùn)算，N-2取的是2m。

2)使用STC90C516RD+的看門狗技術(shù)(WDT) 單片機(jī)內(nèi)含一個(gè)WDT定時(shí)器，在程序中定時(shí)清除WDT的計(jì)數(shù)值，當(dāng)程序跑飛或死循環(huán)時(shí)，WDT定時(shí)器計(jì)數(shù)值會(huì)溢出，從而強(qiáng)制系統(tǒng)復(fù)位。

3.3應(yīng)用程序?qū)釉O(shè)計(jì)

1)稱重灌裝 完成液化氣的自動(dòng)稱重灌裝，系統(tǒng)自動(dòng)登記皮重和灌裝數(shù)據(jù)，聲光報(bào)警，防盜報(bào)警，可單瓶灌裝，也可連續(xù)灌裝。

2)灌裝方式設(shè)定 根據(jù)用戶需求，分為總重、凈重、混合和金額等幾種灌裝方式。

3)鋼瓶設(shè)定 系統(tǒng)內(nèi)置了100組鋼瓶數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包括總重、凈重、提前量、鋼瓶下限和鋼瓶上限等值。

4)記錄查看 根據(jù)用戶需求，電子秤系統(tǒng)中最多可以存儲(chǔ)近數(shù)千條的灌裝記錄，每條灌裝記錄中有皮重、灌裝量、誤差和灌裝時(shí)間等信息。

5)恢復(fù)出廠設(shè)置功能 用于對(duì)灌裝記錄、鋼瓶組別數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)等進(jìn)行初始化。

6)參數(shù)設(shè)置 為用戶提供界面，用于配置顯示精度、最大稱重量、日期、時(shí)間等參數(shù)。

7)校秤功能 主要用于建立實(shí)際稱重量與AD輸出數(shù)據(jù)的關(guān)系，一般出廠前需校秤一次。

4 性能分析

4.1靜態(tài)稱重測(cè)試

靜態(tài)稱重測(cè)試是指使用標(biāo)準(zhǔn)重量對(duì)電子秤進(jìn)行靜態(tài)稱重實(shí)驗(yàn)，采集的數(shù)據(jù)如表1所示。從測(cè)試結(jié)果

表1 靜態(tài)稱重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

看，在電子秤的有效稱重范圍內(nèi)，最大誤差不超過(guò)20g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于《液化石油氣充裝站安全技術(shù)條件(GB+17267-1998)》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的要求，滿足用戶需要。

4.2實(shí)地灌裝測(cè)試

實(shí)地灌裝測(cè)試是將電子秤在液化氣站實(shí)地安裝后，進(jìn)行灌氣測(cè)試，測(cè)試的結(jié)果如表2所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，灌裝誤差控制在50g以下，灌裝精度較高，完全滿足廠商的要求。

表2 實(shí)地灌裝測(cè)試數(shù)據(jù)

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[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.02.030

TP399

A

1673-1409(2012)02-N092-03

2011-10-20

安徽高校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2012Z016)。

魏樹峰(1977-)，男，2001年大學(xué)畢業(yè)，碩士，講師，現(xiàn)主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面的教學(xué)與研究工作。