雙工位定量稱重控制系統(tǒng)的研究

高 參，高美鳳

(江南大學，輕工過程先進控制教育部重點實驗室，江蘇無錫 214122)

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雙工位定量稱重控制系統(tǒng)的研究

高 參，高美鳳

(江南大學，輕工過程先進控制教育部重點實驗室，江蘇無錫 214122)

針對傳統(tǒng)的定量稱重控制系統(tǒng)稱重速度較慢的問題，介紹了一種雙工位定量稱重控制系統(tǒng)。以C8051F064為核心芯片，設計了2組稱重控制器以及相應的電路。采用滑動平均值濾波和中位值濾波相結合的方法濾除信號的噪聲，以提高信噪比；三級給料算法有效地解決了動態(tài)定量稱重過程中精度和速度的矛盾。該系統(tǒng)具有稱重速度快、人機交互良好等優(yōu)點，有一定的推廣價值。

雙工位；定量稱重；信號采集；數(shù)字濾波;C8051F064型單片機

0 引言

動態(tài)定量稱重技術在定量包裝、定量裝料等自動化過程中起著至關重要的作用。動態(tài)定量稱重的關鍵問題是稱重精度和稱重速度，這兩者之間互為矛盾，在實際系統(tǒng)開發(fā)時需要統(tǒng)籌兼顧。為了提高稱重系統(tǒng)的精度和速度，人們在控制算法、控制策略和稱重信號的處理等方面進行了較為深入的研究和探討[1]。近年國內(nèi)采用比較先進的控制算法和策略有多級給料法[2]、RBE神經(jīng)網(wǎng)絡[3]、模糊PID[4]等，借以提高稱重速度，改善稱重精度；而對稱重信號的處理主要采用一些濾波算法，比如，高斯濾波[5]、海明窗的FIR低通濾波和零極點配置的自適應補償方法[6]等，都可以明顯地改善稱重精度。

應用以上的方法，單工位稱重控制器可以實現(xiàn)較高的稱重精度和稱重速度，但是由于結構的限制，在速度達到一定程度時很難再有較大的改進。為了解決這個問題，開發(fā)雙工位定量稱重控制系統(tǒng)已成為一種必然。比如雙秤定量包裝機控制系統(tǒng)[7]，采用分料速控制和雙秤交替工作既保證了稱重精度又較大程度地提高了稱重速度。但是，在國內(nèi)研究雙工位定量稱重方面的工作還是很少。

基于以上問題，有必要開發(fā)一種含嵌入式MCGS觸摸屏的雙工位定量稱重控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)原理設計

雙工位定量稱重控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由一個分2路加料的給料斗、2組相同裝置的稱量斗和稱重控制器、一個卸料斗和夾帶機構、觸摸屏組成的兩套稱重控制裝置。其中，給料斗用于存放要稱重的物料；稱量斗底部裝的稱重傳感器用于檢測斗內(nèi)物料質量；夾袋機構可依據(jù)控制信號夾住或松開包裝袋；稱重控制器用于對數(shù)據(jù)采集、處理并控制；含嵌入式MCGS組態(tài)軟件的觸摸屏實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、系統(tǒng)參數(shù)的設置等。

圖1 雙工位定量稱重控制系統(tǒng)框圖

在系統(tǒng)運行中，兩個稱重控制器是并行工作的，都運行同樣的程序完成定量稱重。以稱重控制器A為例，首先，操作者通過觸摸屏設置定量值、快進量、中進量、慢進量等參數(shù)后，啟動系統(tǒng)。接著，稱重控制器控制下料口的3個閥門全開，使物料快速進入稱量斗中。同時通過傳感器把物料重量轉換成對應的電壓信號傳送到稱重控制器，稱重控制器完成對信號的放大、濾波、A/D轉換和處理。經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)，一方面被傳輸?shù)接|摸屏上實時顯示，另一方面進行比較稱量，判斷斗內(nèi)的物料質量是否大于觸摸屏設定的參數(shù)，依據(jù)比較的結果，控制器會結合三級給料算法輸出控制量驅動執(zhí)行機構來控制閥門的閉合，從而改變加料的速度。當稱量斗內(nèi)的物料質量加上空中落差量達到定量值時即關閉下料口的閥門。接著稱重控制器A向含嵌入式MCGS觸摸屏發(fā)送放料申請，等待直到嵌入式MCGS觸摸屏給出放料信號，最后執(zhí)行放料，稱重控制器A定量稱重完成。整個稱重、卸料都由稱重控制器進行控制，而兩個稱重控制器的相互協(xié)調過程由含嵌入式MCGS觸摸屏進行控制。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示，主要包括傳感器、稱重控制器和觸摸屏。其中稱重控制器包括單片機、A/D轉換模塊、信號調理電路、開關量的輸入輸出、通信電路等；DI輸入為啟動、停止等開關量的輸入信號，DO輸出為驅動控制閥門的關閉、打開以及蜂鳴器報警等的輸出信號。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 單片機和A/D模塊

本系統(tǒng)控制芯片采用的是與8051指令完全兼容的SOC級MCU芯片C8051F064，它具有流水線指令結構，使得70%的指令執(zhí)行時間為1個或2個系統(tǒng)時鐘周期，速度可達25 MIPS。具有的硬件資源：2個16位分辨率、1 MSPS的逐次逼近寄存器型ADC，4352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM(4K+256)、64 KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器和外部64 KB的數(shù)據(jù)存儲，59個數(shù)字I/O引腳，可編程的16位計數(shù)器/定時器陣列，5個通用的16位計數(shù)器/定時器，專用的看門狗定時器。供電電壓為2.7～3.6 V[8]。

由于C8051F064片內(nèi)具有2個16位分辨率、1 MSPS的A/D轉換模塊，完全可以滿足采樣精度和采樣速度的要求。因此，選用片內(nèi)A/D實現(xiàn)信號的采集，不僅可以增強系統(tǒng)的可靠性，還可以減少系統(tǒng)設計的復雜度，同時還節(jié)省了開支，減小了電路板的面積[9]。

2.2 信號調理電路

稱重傳感器將被測的物料質量轉換成相應的模擬電壓信號，這一信號一般是mV級，所以在進行數(shù)據(jù)A/D采集前，需要對信號放大和濾波[10]。本系統(tǒng)采用儀表放大器AD620完成信號放大，AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設置增益，增益范圍為1～10 000。采用RC濾波實現(xiàn)對信號的硬件濾波，具體電路如圖3所示。

圖3 信號調理電路

從圖3可以看出，放大器AD620是通過改變R4電阻的阻值實現(xiàn)其增益的變化。放大器AD620的增益G為

(1)

本文選擇放大倍數(shù)G=105，則R4=475 Ω。從稱重傳感器傳送的微弱信號經(jīng)過RC濾波和AD620放大之后， 由6引腳輸出AIN0信號可直接接入單片機片內(nèi)A/D轉換模塊的信號輸入端。

2.3 電源模塊

本系統(tǒng)的主控制器電路和調理電路是兩個獨立電路板，因此對電源部分需要分別設計。

在調理電路中，儀表放大器AD620的輸入電壓±12 V是由開關電源輸出提供，稱重傳感器的激勵電壓±5 V是由±12 V經(jīng)電源轉換電路輸出提供的。該供電電路分別由L7805CV、L7905CV組成，電路如圖4所示。

圖4 ±12 V轉±5 V電路

在主控制器電路中，光電耦合器件TLP521-4的輸入電壓24 V是由開關電源輸出提供，單片機供電電壓3.3 V是由24 V經(jīng)電源轉換電路輸出提供的。該供電電路分別由MSB2405、SPX1117組成，結果輸出+3.3 V，電路如圖5所示。

2.4 通訊模塊

在工業(yè)控制領域，由于RS485具有可靠性高、傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點[11]，所以本系統(tǒng)中，選擇RS485串口實現(xiàn)C8051F064單片機與昆侖通態(tài)TPC7062K觸摸屏通信。具體的通訊電路如圖6所示。

圖5 24 V轉3.3 V電路

圖6 串口通訊電路

圖6中數(shù)據(jù)接收和發(fā)送信號RX0、TX0由單片機傳入，接收器和驅動器輸出使能S485信號由單片機控制。輸出的串行發(fā)送和接收信號485TX、485RX輸送到觸摸屏。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要工作是對雙工位結構下的自動定量控制流程的設計與實現(xiàn)，對信號噪聲處理的數(shù)字濾波設計與實現(xiàn)。本文采用C語言進行軟件編寫。

3.1 自動定量控制

系統(tǒng)采用三級給料流速控制，其中快投料主要提高稱重速度，中投料和慢投料提高稱重精度。實現(xiàn)快、中、慢投料主要是實現(xiàn)對閥門閉合的控制。系統(tǒng)工作時稱重控制器運行的自動定量控制流程圖如圖7所示。

圖7 自動定量控制程序流程圖

3.2 數(shù)字濾波

在信號完成A/D轉換后需要對它進行適當?shù)能浖V波以濾除各種干擾和信號噪聲，提高信號的信噪比[12]。一般濾除噪聲的方法有：算術均值濾波、加權平均值濾波、滑動平均值濾波、中位值平均濾波、限幅濾波等[13]。每種濾波方法都有各自的特性。在實際的動態(tài)稱重系統(tǒng)中，經(jīng)常會有兩種性質的干擾信號，一種是快速稱重時稱重傳感器由于受到振蕩和物料沖擊力引起突變的值，一種是隨機的非平滑的小幅度擾動。對不同類型的噪聲就需要采用不同的濾波方法。以上提到的濾波方法中，中位值濾波法對濾除由于偶然因素而引起的尖脈沖干擾有很好的效果，但是平滑度較差，而滑動平均濾波法具有較高的平滑度，可以消去非平穩(wěn)信號中的擾動噪聲，但對由于偶然因素引起的尖脈沖干擾效果較差，因此，本文將兩種濾波方法結合起來進行復合濾波。

(2)

式中：Gn-i為第n-i次采樣輸出結果；Gn-imax和Gn-imin為連續(xù)采集N個數(shù)據(jù)中所對應的最大值和最小值。

4 系統(tǒng)標定

為了測量稱重系統(tǒng)的線性度，實驗選取了額定稱重為5 kg的傳感器，并選取1.0 kg、2.0 kg、2.5 kg、3.0 kg、3.5 kg、4.0 kg、4.5 kg、5.0 kg共8組砝碼進行標定測量，對獲取到的大小不同的信號進行放大、A/D轉換，獲得一系列采集所得的電壓和實際電壓，如表1。

然后通過最小二乘法對所得的數(shù)據(jù)進行擬合，可以得到所測的重量G與稱重系統(tǒng)的輸出電壓V之間的關系，如圖8所示。從圖8可以知道：物體的重量G與稱重系統(tǒng)的輸出電壓V具有良好的線性關系，相關系數(shù)達到0.988，所得直線方程為

Y=2.328(X-0.042 9)

式中：X為電壓值，V；Y為質量，kg；2.328為標定系數(shù)；0.042 9為零點電壓值。

表1 質量與對應的輸出電壓

砝碼質量/kg輸出電壓/V砝碼質量/kg輸出電壓/V1.00.4643.51.5242.00.9284.01.8562.51.0494.51.9843.01.3925.02.098

圖8 質量與輸出電壓的關系

5 結束語

本文主要給出一種可以使定量稱重控制具有快速性、準確性的方案。它采用了SOC級MCU芯片C8051F064，使得硬件設計可靠，軟件設計簡單。雙工位定量稱重系統(tǒng)使得兩個獨立工作的稱重控制器再與含嵌入式MCGS觸摸屏的配合，可以有效實現(xiàn)雙工位定量稱重，在一定程度上克服了單給料單卸料系統(tǒng)的一些問題，比如工作周期長、效率低等。

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Research on Quantitative Weighing System with Double Work Station

GAO Can,GAO Mei-feng

(Key Laboratory of Advanced Process Control for Light Industry, Ministry ofEducation, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

Considering weighing speed slow problem in traditional quantitative weighing control systems, a quantitative weighing control system with double work stations was introduced in this paper. Using C8051F064 as the core chip, two sets weighing controller and the corresponding circuits were designed. It utilized moving average filter combined with median average filter to remove signal noise to improve the signal-to-noise ratio, and employed the three stage feeding algorithm to solve the contradiction between the weighing accuracy and the weighing speed in dynamic quantitative weighing process. The system has many advantages such as high weighing speed, a good human-computer interaction, and has some promotional values.

double work station; quantitative weighing; signal acquisition; digital filtering; C8051F064 type SCM

2014-12-08 收修改稿日期：2015-06-25

TP242.6

A

1002-1841(2015)10-0067-04

高參(1988—)，碩士研究生，主要研究方向為控制工程及應用。E-mail：gaocan100@163.com 高美鳳(1963—)，碩士生導師，副教授，主要從事信號處理、無線傳感網(wǎng)技術、計算機智能控制等研究。 E-mail：gaojndx@163.com