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農(nóng)副產(chǎn)品的收購(gòu)是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的大問(wèn)題 ,隨著技術(shù)的進(jìn)步及集約化規(guī)模化經(jīng)營(yíng)管理的需求 ,計(jì)算機(jī)進(jìn)入農(nóng)副產(chǎn)品的收購(gòu)領(lǐng)域,已逐步實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的桿秤和機(jī)械磅枰已逐漸退出歷史舞臺(tái),逐漸被電子磅秤所取代,電子稱重系統(tǒng)特別是作為一般經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中的電子秤,目前國(guó)內(nèi)已有很多廠家生產(chǎn),產(chǎn)品系列也較齊全?；旧夏軡M足一般經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的需要。但農(nóng)副產(chǎn)品收購(gòu)中所需要的與微機(jī)收購(gòu)系統(tǒng)配套且具有聯(lián)機(jī) 、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳接口 、較寬的電源電壓適用范圍, 較強(qiáng)的抗干擾能力的稱重系統(tǒng)還不多見(jiàn)。本文介紹一種以 MCS -51 系列單片機(jī) 8031CPU 為核心而組成的稱重系統(tǒng) 。該系統(tǒng)既適合于農(nóng)副產(chǎn)品收購(gòu)的重量量程和環(huán)境,又具有通訊接口和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能。下面就系統(tǒng)各個(gè)部分的軟硬件工作原理進(jìn)行介紹:

1 整機(jī)硬件工作原理及框圖

系統(tǒng)的基本工作過(guò)程為將物體的重量稱量出來(lái),以國(guó)際單位千克顯示 ,并通過(guò)通訊接口將重量傳送至上位結(jié)算系統(tǒng)?；诟黜?xiàng)功能的需要和電子衡器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求, 我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)的基本框圖如圖1所示。從圖上可以看出稱重傳感器在加入激勵(lì)標(biāo)準(zhǔn)電源后 ,物體的重量使傳感器輸出與重量成正比的差動(dòng)電壓信號(hào) ,經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大到合適的幅度后送入A/D 轉(zhuǎn)換電路采集其重量對(duì)應(yīng)的電壓值并轉(zhuǎn)為數(shù)字結(jié)果, 在 MCS -51 系列單片機(jī) 8031內(nèi)部進(jìn)行標(biāo)度變換處理, 形成以千克為單位的結(jié)果, 通過(guò)四位 LED 顯示出來(lái) , 再通過(guò) RS -422 接口傳送出去 。

2 各部分硬件設(shè)計(jì)

2.1 稱重傳感器部分

系統(tǒng)的傳感器采用壓力傳感器 ,其電氣原理如圖2 所示。圖中 R1～ R4 為組成測(cè)量電橋的應(yīng)變片電阻, RD 為初始不平衡補(bǔ)償電阻, RT為零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻 , RE為輸出靈敏度溫度補(bǔ)償電阻 。其工作原理是在彈性體上對(duì)稱粘貼電阻應(yīng)變片 ,并將應(yīng)變片連接成惠斯登電橋。當(dāng)被測(cè)重量通過(guò)秤盤(pán)施加于彈性體上時(shí) ,使粘貼有電阻應(yīng)變片的彈性體發(fā)生形變,此時(shí)應(yīng)變片也隨之形變。應(yīng)變片所粘貼的位置使 R1 和 R2 阻值減少 ,R3、R4 阻值增加 ,故電橋失去平衡,電路對(duì)角輸出一不平衡的電壓 。該電壓正比于作用在傳感器上的重量或重力。

2.2 信號(hào)調(diào)理及濾波電路

稱重傳感器輸出的電壓信號(hào)的大小,由傳感器的額定輸出靈敏度決定。當(dāng)傳感器的量程與激勵(lì)電壓確定后, 傳感器的滿度輸出也就隨之確定 。本系統(tǒng)所使用的傳感器的靈敏度, 在采用最大激勵(lì)電源時(shí), 其滿度輸入最大電壓仍為毫伏級(jí)。因此 , 傳感器的輸出電壓需經(jīng)放大后才能進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換 。

傳感器信號(hào)放大電路如圖 3 所示, 圖中的運(yùn)算放大器采用美國(guó) Intersil 公司生產(chǎn)的 ICL7650 第四代集成運(yùn)算放大器 ,它的動(dòng)態(tài)校零原理清除了 MOS 器件固有的失調(diào)和漂移 。其失調(diào)電壓和漂移僅幾個(gè) μV , 適合于相對(duì)較弱信號(hào)的放大。從圖上可見(jiàn) , 壓力傳感器組成的電橋,受恒壓源 VSS激勵(lì)。當(dāng)電橋平衡時(shí) ,通過(guò) R5 、R6 、R7 、R8 和 RF 組成的電橋進(jìn)行零位調(diào)節(jié)。此時(shí),相當(dāng)于整個(gè)傳感器無(wú)輸出,放大器兩輸入端承受負(fù)共模電壓。VSS為負(fù)激勵(lì)電源 。采用負(fù)激勵(lì)電源是 ICL7650 對(duì)負(fù)共模電壓有較高的仰制能力。圖中的 RS 為電源防振電阻 ,可消除 CMOS 器件的可控硅效應(yīng)。C1、C2 為外接存貯電容器。當(dāng)RE較小, R5、R6、R7、R8 和 RF 取值較大時(shí) ,放大器的放大倍數(shù)可以通過(guò)改變電阻 RF 的大小進(jìn)行調(diào)節(jié) ,當(dāng)重量確定時(shí) ,輸出電壓與激勵(lì)電源 VSS成正比 ,即

V0=K1×VSS (1)

為使稱重系統(tǒng)顯示和輸出的重量穩(wěn)定 , 顯示出被稱物體的靜態(tài)重量 。對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行平滑濾波是必要的。理論上講 ,為了顯示數(shù)字的穩(wěn)定, 低通濾波器的截止頻率應(yīng)越低越好。但頻率過(guò)低會(huì)使電子秤跟蹤重量變化的性能降低 ,也即是濾波器的階躍響應(yīng)上升時(shí)間過(guò)長(zhǎng), 會(huì)使顯示的重量在短時(shí)間內(nèi)不能顯示物體重量的真值 。綜合考慮后系統(tǒng)采用了如圖4所示的二階單位增益切比雪夫?yàn)V波器

2.3 A/D 轉(zhuǎn)換電路

在單片機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)控和智能化儀器儀表等應(yīng)用系統(tǒng)中 ,將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)在工程領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用,A/D 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)思想和制造技術(shù)層出不窮 。由于其通用性, 其接口、參考電壓等都有其特殊的限制。通常在單片機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)控和智能儀表中, 大都要求精度高于 0.1%,A/D 轉(zhuǎn)換分辯率高于 11 位(二進(jìn)制), 轉(zhuǎn)換速度為每秒幾十次。特別是在批量生產(chǎn)的智能儀表中,還要求 A/D 的價(jià)格在滿足性能要求的情況下, 價(jià)格盡可能的低 ,以期實(shí)現(xiàn)較高的性能價(jià)格比 。根據(jù)分析并考慮傳感器部分的激勵(lì)電源的穩(wěn)定度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)精度的影響等因素。我們采用了文獻(xiàn)[ 2] 中的 A/D 轉(zhuǎn)換電路和軟件 。該電路和軟件具有價(jià)格低 、參考電壓的極性與傳感器激勵(lì)電源參考極性一致 、激勵(lì)電源電壓的變化可以通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換的參考電壓的變化進(jìn)行抵消或補(bǔ)償 ,占用單片機(jī)資源少 ,與單片機(jī)接口容易等特點(diǎn)。

2.4 參考電壓的形成及補(bǔ)償

如前所述, 信號(hào)調(diào)理電路的輸出電壓與激勵(lì)電源之間有式(1)的關(guān)系 ,當(dāng)為 A/D 轉(zhuǎn)換電

路提供參考電壓的電源采用 VSS時(shí) ,參考電壓與 VSS之間有

VREF=K2×VSS (2)

式中的 K2 為分壓系數(shù), K2 的大小決定參考電壓的大小。則由文獻(xiàn)[ 2] 給出的 A/D 轉(zhuǎn)換電路的原理可得, 與被測(cè)電壓 V0 成正比反映被測(cè)物重量的計(jì)數(shù)值 N 為

N =K3×V0÷VREF (3)

代入式(1)和式(2)可得到

N =K3×K1÷K2 (4)

由上式可以看出 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果與參考電壓和傳感器的激勵(lì)標(biāo)準(zhǔn)電壓的大小沒(méi)有關(guān)系。為此 ,我們可以采用廉價(jià)的電源實(shí)現(xiàn)較高的系統(tǒng)精度, 使所設(shè)計(jì)的稱重系統(tǒng)既對(duì)電源的適應(yīng)性較強(qiáng)。又大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能價(jià)格比。

2.5顯示接口及驅(qū)動(dòng)電路

根據(jù)所設(shè)計(jì)的電子稱重系統(tǒng)所稱物體重量的范圍 ,我們選用四位 LED數(shù)碼管來(lái)顯示所稱出的重量。

MCS -51 系列單片機(jī) 8031 具有 64K 的 EPROM 和 RAM 的尋址能力 ,通過(guò)讀寫(xiě)信號(hào)的不同來(lái)區(qū)分是對(duì)程序存貯器或是數(shù)據(jù)存貯器進(jìn)行操作。由于我們采用的 A/D 轉(zhuǎn)換電路不占用 RAM 口地址資源 ,因此 ,僅采用一片 74LS374 鎖存器即可完成顯示數(shù)據(jù)段碼的鎖存和驅(qū)動(dòng)。這樣處理即簡(jiǎn)化了接口電路又使 LED 數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)得以實(shí)現(xiàn) ,大大簡(jiǎn)化了電路, 降低了成本。也使數(shù)據(jù)輸出時(shí)直接可以通過(guò)一條數(shù)據(jù)寫(xiě)指令完成 。四位數(shù)碼顯示的位地址,采用 8031 的 P1 口的 4 個(gè)端子即可以實(shí)現(xiàn)。其電路如圖5 所示 。

2.6 通訊接口電路

MCS -51 系列 8031 單片機(jī) P3口的P3.0和 P3 .1是一對(duì)復(fù)用的端子 。既可以作為一般的輸入輸出線 , 也可以作為串行口使用。但P3 .0和 P3.1作為串行口使用時(shí) ,由于其電平為 TTL 電平 ,其傳送的數(shù)據(jù)的距離有限。一般來(lái)講 ,電子稱重系統(tǒng)所放的位置與結(jié)算機(jī)是有一定的距離的, 因此 ,直接采用 TTL 電平 ,而不加驅(qū)動(dòng) ,數(shù)據(jù)傳速的速率和可靠性都是較低的 。RS -232 標(biāo)準(zhǔn)接口電平與 TT L 電平相比, 大大提高了數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸距離 ,也提高了其抗干擾能力 。但由于其接口中需要 +12V 作為其邏輯“0” , -12V 作為其邏輯“1” 。因此,在形成其接口時(shí)設(shè)備中應(yīng)該有 ±12V 電源存在。這是使用 RS -232 標(biāo)準(zhǔn)接口不便的原因。盡管也有采用單三級(jí)管電路實(shí)現(xiàn) RS -232 接口的電路而不需要±12V電源, 但前提條件是相互通訊的兩端中, 必須的一端是標(biāo)準(zhǔn) RS-232 接口, 以供利用?？紤]到既要提高通訊距離 ,又能夠直接使用電子稱重系統(tǒng)中的+5V 電源而不必另加電源這一要求,我們選用了 RS -422 標(biāo)準(zhǔn) 。RS -422 標(biāo)準(zhǔn)接口采用平衡驅(qū)動(dòng)和差分接收方法, 從根本上消除信號(hào)地線 。它能夠在較長(zhǎng)的距離(1km)內(nèi)明顯地提高數(shù)據(jù)速率 ,并且抗干擾能力也大大加強(qiáng) ,圖 6 給出了采用一片 MC3486 和 MC3487 形成 RS -422 標(biāo)準(zhǔn)接口的接線圖。圖中采用了 MC3487 中的一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路作為反相器, 用以保證在 8031 復(fù)位時(shí), MC3487 處于高阻狀態(tài) 。

3 軟件框圖及編程要點(diǎn)

本帶通訊接口的電子稱重系統(tǒng)的軟件, 采用 MCS -51系列 8031 匯編語(yǔ)言編制而成。由于 8031CPU 的較強(qiáng)的硬件和軟件功能, 使我們通過(guò)軟硬件的結(jié)合順利實(shí)現(xiàn)了普通電子稱重系統(tǒng)應(yīng)具有的功能 。如除皮、零點(diǎn)調(diào)整等 , 電子稱重系統(tǒng)的主程序及各部分子程序框圖如下各框圖 。從框圖上可以看出, 串行通訊部分采用了中斷方式,也即是電子稱重系統(tǒng)的數(shù)據(jù)向結(jié)算微機(jī)的傳送與否 ,既取決于電子稱重系統(tǒng)的數(shù)據(jù)有否更新 ,也取決于結(jié)算微機(jī)是否申請(qǐng)讀取數(shù)據(jù) 。當(dāng)結(jié)算微機(jī)申請(qǐng)讀取數(shù)據(jù)而稱重系統(tǒng)又有數(shù)據(jù)更新時(shí),數(shù)據(jù)傳送才能實(shí)現(xiàn)。同時(shí)在數(shù)據(jù)傳送程序中加入了抗干擾措施。即只有雙方默認(rèn)的協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí) ,通訊或數(shù)據(jù)的傳送才得以順利進(jìn)行。

4 結(jié)論

本文介紹的系統(tǒng)采用了一些獨(dú)特的硬件電路和軟件編程技術(shù), 使所研制的電子稱重系統(tǒng)與國(guó)內(nèi)同類型系統(tǒng)相比 ,具有配置靈活,功能齊全,造價(jià)低、可靠性高等特點(diǎn)。文中采用的技術(shù)對(duì)其它類似系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有一定指導(dǎo)意義。

 

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