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隨著自動化測量技術(shù)的不斷發(fā)展， 傳統(tǒng)的稱重系統(tǒng)在功能、 精度、 智能化、 性價比等方面越來越難以滿足人們的需要， 尤其對一些微小質(zhì)量的測量更顯得力不從心 。 為了實(shí)現(xiàn)高智能化的微小質(zhì)量測量，筆者采用以單片機(jī)89C51為控制核心的高精度、 高靈敏度電阻應(yīng)變片式稱重傳感器， 設(shè)計(jì)了稱重測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及軟、 硬件， 從而實(shí)現(xiàn)了對微小質(zhì)量的測量、 控制及顯示 。

1 系統(tǒng)總體方案

該系統(tǒng)采用應(yīng)變片式傳感器進(jìn)行測量， 得出模擬信號； 再進(jìn)行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換， 然后送入單片機(jī)進(jìn)行處理 & 根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)顯示、 打印等功能， 或者對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理后送交上位機(jī)， 由上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理， 滿足了生成報(bào)表、 存儲、 稱重管理、 誤差分析等功能 。

硬件電路模塊分為 A/D 接口模塊、 單片機(jī)接口模塊 （主機(jī)模塊） 、 人機(jī)聯(lián)系模塊 （ LED 顯示器接口） 、 通信接口模塊等幾個模塊 。 硬件模塊的連接方法是以主機(jī)模塊為核心， 通過地址總線、 數(shù)據(jù)總線、控制總線連接其他功能模塊。

軟件模塊又可分成監(jiān)控程序 （包括初始化、 顯示管理、 中斷管理等） 、 中斷處理程序及各種測量和監(jiān)控算法等功能模塊 。 軟件模塊的連接方法是通過監(jiān)控程序調(diào)用各種功能模塊， 或采用中斷的方法實(shí)時地執(zhí)行響應(yīng)的服務(wù)模塊。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的選擇

要達(dá)到設(shè)計(jì)的性能要求， 傳感器的精度起著決定性作用。本系統(tǒng)選用應(yīng)用于稱重系統(tǒng) 90% 以上的高精度電阻應(yīng)變式傳感器。

該傳感器的工作原理為： 采用全橋式等臂電橋?yàn)榛揪€路， 用敏感元件—— 箔式電阻應(yīng)變片作為橋臂并粘貼在金屬懸臂梁的彈性表面上。 當(dāng)外力對彈性體 （彈性元件， 敏感梁） 作用時， 電橋相對橋臂的電阻應(yīng)變片 （轉(zhuǎn)換元件） 受到拉伸或壓縮。 應(yīng)變片變形后， 它的阻值將發(fā)生變化 （增大或減?。?， 從而使電橋失去平衡， 產(chǎn)生相應(yīng)的差動信號， 供后續(xù)電路測量和處理。

2.2 模擬輸入通路接口

因稱重傳感器轉(zhuǎn)換后的電壓信號是幅度很小的微伏級信號， 很難直接進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換， 因此需要對該模擬信號進(jìn)行放大處理。 然而，通用運(yùn)算放大器一般具有毫伏級的失調(diào)電壓和每度數(shù)微伏的溫度漂移， 顯然不能用于放大微弱信號。

本系統(tǒng)選用集成運(yùn)放 OP07構(gòu)成三運(yùn)放同相輸入并串聯(lián)差動放大器電路， 以滿足測量精度的要求 。

    該放大電路具有較強(qiáng)的抑制共模信號的能力， 能將差模信號放大到足夠大的倍數(shù)， 且可以提高靈敏度， 減小非線性 。差模放大倍數(shù)數(shù)值愈大， 共模抑制比愈高。 當(dāng)輸入信號中含有共模噪聲時， 也將被抑制［1］。

式中 uId為差模電壓輸入信號。該電路實(shí)現(xiàn)雙端輸入， 雙端輸出， 通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻Rp1 可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。A3( 構(gòu)成電壓跟隨器， 通過調(diào)整輸入端電位器 Rp2， 以調(diào)整 A3 ( 輸出， 再與 A2 輸出相加， 使傳感器壓力為零時， 電路輸出電壓也為零， 即對電路調(diào)零［2］。 該電路實(shí)現(xiàn)簡單， 能實(shí)現(xiàn)較大放大倍數(shù)的放大 。 根據(jù)需要將傳感器電壓變化0.1mV/g， 放大 10000倍后為 1V/g ， 滿足ICL7135的電壓輸入要求， 無須進(jìn)一步轉(zhuǎn)換。

2.3 單片機(jī)功能簡介

本系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)， 實(shí)現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)采樣、 串口通訊、LED顯示、 按鍵處理等功能。

2.4模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路

A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定與整個測量控制系統(tǒng)所需測量的范圍和精度有關(guān)， 本系統(tǒng)選擇高精度 4 位半 CMOS雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器 ICL7135。其輸出電壓為 -2~+2V， 輸出的數(shù)字信號是 BCD碼， 無須單片機(jī)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換。ICL7135精度高， 有較強(qiáng)的抗干擾能力， 具有精確的差分輸入， 輸入阻抗高， 可自動調(diào)零， 全部輸出與 TTL電平兼容， 且價格低廉 。利用單片機(jī)的P3.4接到ICL7135的啟動腳 R/H， 可以啟動和停止 A/D轉(zhuǎn)換。將ICL7135的 ST 接到單片機(jī)外部中斷引腳 P3.3，通過P0.4~P0.7讀取啟動 A/D后后， 連續(xù) 5次中斷時， 每次中斷對應(yīng)ICL7135的B1 ，B2 ， B4 ， B8 的值， 即獲得對應(yīng)的萬、 千、 百、 十、 個位的BCD碼。

2.5 鍵盤顯示接口電路

鍵盤顯示接口電路是單片機(jī)系統(tǒng)中的主要人機(jī)接口之一 ?？紤]到本系統(tǒng)只用于簡單顯示質(zhì)量數(shù)據(jù)，所以選用具有工作電壓低、發(fā)光控制簡單等特點(diǎn)的 7段共陰極LED顯示塊。采用CD4511對從P1.0~P1.3 送來的 BCD碼進(jìn)行譯碼后， 送到LED顯示塊 。 通過P1.4~P1.7經(jīng)74LS138譯碼器進(jìn)行位選， 采用動態(tài)顯示方式。由于目前所需功能限制， 采用4個按鍵接入P0.0~P0.3， 通過對P0.0~P0.3 位查詢的方法判斷按鍵實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能 。

2.6 AT89C51與PC機(jī)通信接口

利用AT89C51 和 PC機(jī)的串行接口COM1或COM2 進(jìn)行串口通信，將采集到的數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)處理和保存。 采用 MAX232 芯片實(shí)現(xiàn) TTL( 電平和 )RS232 電平的轉(zhuǎn)換， 在串行通信前， 發(fā)送方和接收方要約定具體的數(shù)據(jù)格式和波特率 （通信協(xié)議）AT89C51與PC 機(jī)之間的通信協(xié)議是： 波特率 9600,8 個數(shù)據(jù)位， 1 個停止位， 無奇偶校驗(yàn)位 。

2.7 語音控制模塊

本系統(tǒng)采用 ISD1420語音芯片， 它是新一代語音芯片， 具有高保真、 錄音數(shù)據(jù)永久保存、 省電且易于同單片機(jī)接口等特點(diǎn)。它與單片機(jī)的 P2 口進(jìn)行接口， 單片機(jī) P1.7引腳接到 ISD1420 的 PLAYL 引腳進(jìn)行啟動， 外接功率放大器驅(qū)動喇叭工作 。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件包括單片機(jī)軟件和上位機(jī)軟件， 單片機(jī)軟件主要包括 5個模塊： 主程序模塊， 數(shù)據(jù)采集模塊， 顯示模塊， 稱重管理模塊及串行通信模塊 。

3.1單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

1 ） 主程序模塊 " 主程序模塊主要完成編程芯片的初始化及按需要調(diào)用各模塊。

2 ） 數(shù)據(jù)采集模塊 " 該模塊完成對數(shù)據(jù)的采集及處理， 采用中斷方式讀取 A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) A/D。首先啟動 A/D轉(zhuǎn)換， 然后等待連續(xù)的 5 次中斷， 將每次中斷所對應(yīng)的各位 BCD碼讀出， 之后存儲在內(nèi)部 RAM單元。

3 ） 顯示模塊。顯示子程序是對 A/D 采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示， 從內(nèi)部 RAM單元提取 BCD碼進(jìn)行顯示 。

4 ） 串行通信模塊。 該模塊完成了串行口的初始化、 波特率和數(shù)據(jù)格式的設(shè)置， 并將采集的數(shù)據(jù)傳給PC 機(jī)。

5） 稱重管理模塊。主要完成去皮、 調(diào)零、 累加、 打印等功能 。

3.2 上位機(jī)VB 軟件設(shè)計(jì)

采用VB作為編程語言， 利用 VB的 MSCOMM控件與單片機(jī)進(jìn)行通信。采集單片機(jī)的電壓數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為所需的質(zhì)量值， 上位機(jī)界面注意風(fēng)格良好、 簡潔實(shí)用。其主要功能包括： 文件管理模塊， 即數(shù)據(jù)文件保存、 數(shù)據(jù)文件打開、 圖片文件保存等； 還有稱重管理模塊， 即去皮、 調(diào)零、 累加、 語音控制、 采樣開始、停止等功能。輔助功能模塊包括文件報(bào)表打印、 數(shù)據(jù)庫和圖形動態(tài)顯示、 數(shù)據(jù)顯示、 退出等功能 。 使用者可以根據(jù)所需功能進(jìn)行增加或者刪除 。 根據(jù)使用情況看， 該軟件具有實(shí)用性強(qiáng)、 可操作性強(qiáng)及容錯性強(qiáng)的特點(diǎn)。該軟件可對初始誤差進(jìn)行調(diào)零， 大大抑制了零漂， 提高了精度 。 并可調(diào)用 MATLAB對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 對實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行曲線在線擬合， 修正曲線擬和系數(shù)， 減小測量誤差。

4 測試結(jié)果分析

在該系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行測試 。 測量范圍為 0~2g， 其相對誤差較小， 平均絕對誤差可以達(dá)到1.535% ， 誤差為 -1~4mg 該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定， 極大地滿足了測試要求 。

5 結(jié) 論

通過本電子稱重系統(tǒng)的成功研制可以看出， 以單片機(jī)為核心的智能稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)， 提高了微小質(zhì)量測量的智能化程度， 在測量精度、 靈敏度、 穩(wěn)定性和性價比上有明顯改善； 同時， 也提高了儀器設(shè)備的可操作性和可維護(hù)性 " 若將多臺測試系統(tǒng)連成網(wǎng)絡(luò)， 可為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測量、 數(shù)據(jù)共享、 數(shù)據(jù)分析提供良好的實(shí)驗(yàn)平臺， 因而具有很高的實(shí)用價值 。

 

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