高精密稱重系統(tǒng)設(shè)計

張敏三, 吳海波

(1.湖南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 長沙 410083; 2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

高精密稱重系統(tǒng)設(shè)計

張敏三1,2, 吳海波2

(1.湖南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 長沙 410083; 2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

介紹一種高精密稱重系統(tǒng)的設(shè)計。在現(xiàn)有高精度稱重系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種高精密的稱重系統(tǒng)，對稱重系統(tǒng)的軟硬件進行了設(shè)計，針對現(xiàn)有稱重系統(tǒng)中可能存在的誤差源進行了分析，并有針對性地進行了硬件和軟件去噪處理和系統(tǒng)校正，進行了平臺水平檢測，經(jīng)過實驗測試，該稱重系統(tǒng)測量絕對誤差不超過±0.1 g，相對誤差不超過0.25 %。

稱重系統(tǒng)； 去噪處理； 水平檢測; 系統(tǒng)校正

0 引 言

質(zhì)量是一個重要的物理量，質(zhì)量的精密測量一直是一個熱點的研究問題。目前高精密的稱重系統(tǒng)中，由于采樣電路電源參考電平的波動、應(yīng)變片特性的輕微非線性而在處理過程中按線性處理和系統(tǒng)校準不夠精確等原因，給系統(tǒng)帶來了一定的誤差[1,2]。此外,調(diào)零電路和微弱信號處理電路的設(shè)計不夠合理也很容易造成不精確；“去皮”時，托盤可能仍有微小幅度振動或者稱重臺的水平度同樣會對結(jié)果造成一定影響[3～5]。

針對上述問題，本文對各種可能帶來的干擾進行了分析和優(yōu)化設(shè)計，開發(fā)了一種高精密的稱重系統(tǒng)，經(jīng)過測試證明：其精密度高，適應(yīng)性強，具有良好的市場前景。

1 測試系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為模擬量采集、去噪與放大電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示、按鍵輸入及外圍電路休眠與喚醒等。其中,液晶顯示和按鍵輸入均為MSP—EXP430F5529開發(fā)板自帶設(shè)備。通過電阻應(yīng)變片實現(xiàn)模擬量采集后，經(jīng)放大器信號放大和去噪后進行A/D轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換后有液晶顯示采集結(jié)果[6,7]。此外,通過開發(fā)板上自帶的2個按鍵和齒輪，另設(shè)一個去皮按鍵，實現(xiàn)去皮、單價輸入等功能。在外圍電路休眠和喚醒設(shè)計中，采用LM311比較器，通過控制單片機IO口輸出高低電平來實現(xiàn)外圍電路的關(guān)斷與導(dǎo)通。硬件總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig 1 Block diagram of hardware of system

2 硬件模塊設(shè)計

2.1 模擬信號采集與放大

模擬信號直接由電阻應(yīng)變片采集得到，然后輸入儀表放大器INA333進行30倍的第一級放大。經(jīng)30倍放大后將信號輸入OPA734放大100倍，最后得到放大1000倍信號。在這一級采用直流偏置的方式，將由于秤盤質(zhì)量引起的零漂電壓抵償?shù)簦瑥亩鴶U大了信號范圍，提高了測量精度。原理圖如圖2所示。

圖2 模擬信號采集與放大電路Fig 2 Analog signal acquisition and amplifying circuit

2.2 系統(tǒng)微弱信號處理電路

在探測器輸出端可以經(jīng)過微弱信號處理電路來改善電路整體的信噪比。

第一級采用積分與濾波電路和精密整流電路，如圖3所示。

圖3 積分與濾波電路和精密整流電路圖Fig 3 Integral and filtering circuit and precise rectifier circuit diagram

第二級電路采用線性平均值與濾波電路，如圖4。

圖4 線性平均值與濾波電路Fig 4 Linear average value and filtering circuit

兩級電路的特征頻率一致，具有良好的選頻特性，并且放大電路采取前一級放大倍數(shù)較小，后一級放大倍數(shù)比較大，這樣就更好地消除了噪聲的影響。通過計算，還可以得出第一級電路的品質(zhì)因素為

(1)

第二級放大電路的品質(zhì)因素為

(2)

因此,本處理電路總的品質(zhì)因素為

Q″=Q·Q′=0.54×1.31=0.707.

(3)

電路具有最佳的平坦特性。

2.3 外圍電路休眠與喚醒

該模塊采用模擬比較器LM311，通過IO口高低電平來實現(xiàn)電源的通與斷。在經(jīng)過5 V電源轉(zhuǎn)換前，加入模擬比較器LM 311，其反相輸入端通過電阻器分壓輸入一小于3.3 V電壓，而同相輸入端輸入單片機IO口的高低電平。當同相端輸入高電平，即大于反相端電壓時，此時因LM 311內(nèi)置輸出反相器而輸出低電平，斷掉5 V轉(zhuǎn)換的輸入電壓，切斷5 V供電的所有模塊；相反，當同相端輸入低電平時比較器輸出高，此時5 V轉(zhuǎn)換的輸入電壓高，5 V供電模塊上電工作。由此實現(xiàn)外圍電路休眠與喚醒功能，電路如圖5所示。

圖5 外圍電路休眠與喚醒Fig 5 Sleep and wake-up of peripheral circuit

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

程序?qū)崿F(xiàn)了去皮、單價設(shè)置、總價顯示、休眠及喚醒等功能，此外，還設(shè)計了判斷系統(tǒng)是否放置水平的創(chuàng)新功能[8]。采用MSP—EXP430F5529開發(fā)板上CMA3000—D01傾角傳感器，在系統(tǒng)上電后，設(shè)置了一等待界面，等待內(nèi)容為“保持水平放置，等待4 s”,然后進入測量界面，開始測試。若系統(tǒng)放置不水平，則始終保持該界面直至放置水平。其軟件設(shè)計流程圖如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計流程圖Fig 6 Flow chart of software design

利用定時器中斷使A/D轉(zhuǎn)換器每隔固定的一段時間進行采樣，每10個A/D轉(zhuǎn)換器的采樣值求平均算出相應(yīng)的質(zhì)量值?？梢岳秒娙莅存I設(shè)置單價，并計算總價。系統(tǒng)有超量程提示，當質(zhì)量或者價格超過量程時會顯示一段警告。

4 系統(tǒng)校正

4.1 擴大信號的動態(tài)范圍

A/D轉(zhuǎn)換器使用3.3 V作為參考電平，所以,經(jīng)前級放大調(diào)理后的信號應(yīng)盡量在量程范圍內(nèi)布滿0～3.3 V整個區(qū)間，才能使AD采樣精度最大化，這主要采用2個手段實現(xiàn)：一是使用減法器將1.3 V左右的固有輸出拉回到零，這樣使原來1.3～3.3 V的動態(tài)返回擴大到了0～3.3 V；二是調(diào)節(jié)同相放大器的電位器改變增益，使輸出信號在負重200 g時輸出接近3.3 V。實際使用中，可以通過同時調(diào)節(jié)同相放大器的電位器和減法器的電位器使得測量值盡量接近真實值。

4.2 擬合質(zhì)量和AD采樣值關(guān)系曲線

擬合質(zhì)量和AD采樣值，得到如下直線，利用Matlab擬合結(jié)果為

Linear model Poly1:

f(x)=p1x+p2

Coefficients(with 95 % confidence bounds):

p1=0.052 65(0.052 61,0.052 69)

p2=-0.305 6(-0.381 7,-0.229 5)

Goodness of fit:

SSE:0.460 5

R-square:1

Adjusted R-square:1

RMSE:0.1282.

可見，質(zhì)量和AD采樣值關(guān)系的線性度很好，其中截距可由“去皮”功能消除，將會在下文中提到，斜率0.052 65即可完成AD采樣值到質(zhì)量值的轉(zhuǎn)換。擬合結(jié)果如圖7所示。

圖7 質(zhì)量和AD采樣值關(guān)系曲線圖Fig 7 Relationship curve of quality and AD sampling value

利用軟件“去皮”功能，重新設(shè)定“零”質(zhì)量點，每一次測量時，環(huán)境都有所差異，所以，應(yīng)當每一次測量之前都重新設(shè)定零點，這樣才能保證測量值與真實值的關(guān)系呈正比。如果零點取得不合適，則測量值會全部偏大或者全部偏小。應(yīng)當?shù)韧斜P完全穩(wěn)定后再進行“去皮”，否則，托盤微弱的振動將引起測量的誤差。此外，由于A/D轉(zhuǎn)換器采樣點的電壓不是特別穩(wěn)定，使AD值有略微波動，所以，需要利用數(shù)字濾波來使采樣值減少波動。利用軟件均值濾波可以使測量值更加穩(wěn)定，并且可以提高測量精度。

5 實驗與數(shù)據(jù)分析

通過軟硬件設(shè)計，對本高精密稱重系統(tǒng)進行實際測試實驗，實驗采用標準砝碼，測試數(shù)據(jù)保留2位小數(shù)點，其部分實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

通過測試，可以得出測量絕對誤差不超過±0.1 g，相對誤差不超過0.25 %，測量精度高。

表1 稱重系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)表Tab 1 Test data sheet of weighing system

6 結(jié) 論

本文在分析現(xiàn)有稱重系統(tǒng)中誤差源的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種高精密稱重系統(tǒng)。針對影響較大的誤差源，進行了硬件去噪和軟件去噪設(shè)計，并對測試結(jié)果進行了校正，通過實驗測試，測量誤差低，測量絕對誤差不大于±0.1 g,相對誤差不大于0.25 %,具有高精密測量的特點，而且設(shè)計成本低，具有良好的市場開發(fā)與應(yīng)用前景。

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Design of high-precision weighing system

ZHANG Min-san1,2, WU Hai-bo2

(1.School of Electrical Engineering,Hunan University,Changsha 410083,China；2.Hunan Railway Professional Technology College,Zhuzhou 412001,China)

Introduce design of a high-precision weighing system.On the basis of the existing research status of high-precision weighing system,design a high-precision weighing system,hardware and software design of the weighing system is carried out.Aiming at possible error sources of existing weighing system,analysis is carried out,and hardware and software denoising processing and system correction are carried out.The most important point is the innovation of the platform level detection,after the test,measurement absolute error of this system is less than ±0.1 g,relative error is less than 0.25 %.

weighing system; denoising processing; level detection; system calibration

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0114—03

2014—04—28

TP 334.3

A

1000—9787(2014)12—0114—03

張敏三(1957-)，男，湖南韶山人，高級工程師，主要研究方向為電工電子、自動化控制。