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 1 前言
筆者在研制無線遙控 、遙測電子吊秤及單遙測電子吊秤的過程中， 利用單片機(jī)的智能特點，對稱重傳感器出來的微伏直流信號進(jìn)行自動測量、實時處理。并利用軟件的靈活性， 對測量數(shù)據(jù)消除漂移、排除干擾、采用二次編碼技術(shù)發(fā)送。
二次解碼后， 進(jìn)行準(zhǔn)確度調(diào)校、標(biāo)度變換、實時記錄顯示打印等， 減小了硬件電路。下面主要介紹單遙測電子吊秤。
2 系統(tǒng)設(shè)計
2.1 系 統(tǒng) 構(gòu) 成 及 工 作 原 理
被測量的信號由傳感器變換成電信號送到線性放大器放大，經(jīng)A/ D 轉(zhuǎn)換送到單片機(jī)系統(tǒng)實時處理后，通過軟件編碼技術(shù)進(jìn)行二次編碼送到發(fā)射機(jī)發(fā)射測量的信號。地面接收機(jī)收到信號后，送到單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行二次解碼，再實時處理、儲存、打印， 并送到主計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。
2.2 A/ D 轉(zhuǎn)換器設(shè)計
(1)  稱重傳感器出來的μ v 信號經(jīng)放大器 （ ICL7650） 放大， 后面的硬件電路構(gòu)成雙積分A/D 轉(zhuǎn)換電路。由于市場的A/D 集成電路轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率較慢、轉(zhuǎn)換精度較低、轉(zhuǎn)換計數(shù)值固定、價格偏高，為此用散件設(shè)計了雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路。由于利用了單片機(jī)， 所以上述缺點全部得到了解決。

雙積分A/ D 轉(zhuǎn)換電路由電子開關(guān)（ 74HC4066 ）、積分器（ 1/ 2LF353 ）、比較器（ 1/2LF353）、與門（74HC08）、計數(shù)器（ 89C51的內(nèi)部計數(shù)器） 和控制邏緝（ 89C51） 等組成。它是將未知電壓VX 轉(zhuǎn)換成時間值來間接測量的， 所以也叫V-T 型A/D。一次A/D 轉(zhuǎn)換時，單片機(jī)的控制邏緝先把電子開關(guān)接地（GND），放掉電容上的電荷， 進(jìn)行系統(tǒng)校零。然后控制邏輯把電子開關(guān)接到VX 采樣輸入到積分器， 積分器從0V 開始進(jìn)行固定時間T 的正向積分。時間T 到后， 電子開關(guān)將與VX 極性相反的基準(zhǔn)電壓VREF 輸入到積分器進(jìn)行反向積分，到輸出為0V時停止反向積分。

由積分器輸出波形可以看出，反向積分時積分器的斜率是固定的，VX 越大， 積分器的輸出電壓越大、反向積分時間越長。計數(shù)器在反向積分時間內(nèi)所記的數(shù)值就是與輸入電壓VX 在時間T 內(nèi)的平均值對應(yīng)的數(shù)字量。
由于控制邏輯是單片機(jī) 、定時器和記數(shù)器 ，時鐘頻率可提高到24MHz，A/D 轉(zhuǎn)換時間相應(yīng)加快。又因單片機(jī)的內(nèi)部定時器可通過軟件調(diào)整， 故增加了積分器對VX 采樣從0V 開始的正向積分固定時間T， 即提高了雙積分A/ D 轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換精度。以提高固定時間T 來提高轉(zhuǎn)換精度， 是以犧牲時間T 為前提。當(dāng)時鐘頻率是24MHz、校零時間為20ms、正向積分的固定時間為40ms 時，雙積分A/D 轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到52 萬內(nèi)碼。當(dāng)VX 最大時， A/ D 轉(zhuǎn)換時間為每秒鐘14 次左右。比市場上的A/D 集成電路轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度提高了26 倍， A/ D 轉(zhuǎn)換時間提高了4.5 倍（ ICL7135 為2 萬碼， 轉(zhuǎn)換時間為每秒鐘3 次）， 且比市場上同轉(zhuǎn)換精度的
A/ D 集成電路轉(zhuǎn)換器價錢少20 倍左右。
(2) 單 片 機(jī) 軟 件 設(shè) 計
它 是 用 MCS- 51 匯編語言編寫的。當(dāng)程序開始運(yùn)行時， 首先系統(tǒng)初始化， 然后置P1.5 口線，接通接地電子開關(guān)， 調(diào)用定時20ms 子程序， 進(jìn)行系統(tǒng)校零20ms； 清P1.5 口線， 置P1.6 口線，接通VX 電子開關(guān)， 調(diào)用定時40ms 子程序， 對固定時間T 的正向積分為40ms； 當(dāng)正向積分時間到后，清P1.6 口線，置P1.7 口線，接通VREF電子開關(guān)，對基準(zhǔn)電壓反向積分； 同時單片機(jī)內(nèi)
部計數(shù)器清零， 進(jìn)行對外部時鐘計數(shù)， 當(dāng)INT0口線為低時， 停止記數(shù)器計數(shù)， 讀出計數(shù)器數(shù)值送到內(nèi)部讀寫存儲器。至此完成了整個A/D 轉(zhuǎn)換過程，然后再重復(fù)以上過程即可。如果嫌A/D轉(zhuǎn)換精度不夠高， 可以調(diào)用兩次定時40ms 子程序， 對固定時間T 的正向積分為80ms， 從而雙積分A/D 轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到100 萬內(nèi)碼。也可以任意定時，從而達(dá)到所要求的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。再把數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的編碼，通 過 單 片 機(jī) 的 內(nèi) 部 串 行 口 送 到 發(fā) 射 機(jī) 傳 送 。
2.3 消除零漂
零位的穩(wěn)定性是影響系統(tǒng)測量精度的重要因素。溫漂和時漂， 統(tǒng)稱零漂， 是硬件電路設(shè)計中不可避免的。如果用硬件來補(bǔ)償而克服零漂，電路非常復(fù)雜， 也難以得到滿意的結(jié)果， 但是利用單片機(jī)就很好地解決了這個問題。
(1) 開 機(jī) 自 動 清 零
在 測 量 系 統(tǒng) 中 ， 零輸入信號時 ， 整個測 量 系統(tǒng)的輸出應(yīng)為零。但由于零漂的存在， 零輸入信號時輸出不為零，此時的輸出值就是系統(tǒng)的零位漂移值。所以單片機(jī)把檢測到的零位漂移值存入內(nèi)存中，以后在每次測量中都減去這個零位漂移值， 就實現(xiàn)了開機(jī)自動清零。
(2) 零 點 自 動 跟 蹤
經(jīng) 過 開 機(jī) 清 零 處 理 后 的 零 位 ， 仍 會 發(fā) 生 漂移， 且是非線性的， 所以有必須隨時進(jìn)行修正，利用單片機(jī)軟件可方便地實現(xiàn)零點自動跟蹤。
不 論 是 何 種 原 因 所 引 起 的 漂 移 ，在一個很短的時間范圍內(nèi)，其漂移輸出的增量ΔX 總是很小的。因此在Δ t 時間內(nèi)， 應(yīng)對本次采樣輸出值和上次采樣輸出值之差ΔX 進(jìn)行判斷。如果ΔX 小于原設(shè)定值， 則認(rèn)為該ΔX 是在Δ t 時間內(nèi)系統(tǒng)所產(chǎn)生的零點漂移。將此增量ΔX 加到原暫存的零位漂移補(bǔ)償值中， 本次采樣值仍為上次采樣值。如果ΔX 大于設(shè)定增量， 則為正常輸出， 采樣值減去零位漂移值。即實現(xiàn)了零點自動跟蹤。Δ t 的選擇： 采用本次采樣到下一次采樣這一周期時間為Δ t。ΔX 的選擇： 它跟最大量程選擇有關(guān)，在具體測量系統(tǒng)中通過調(diào)整獲得。
2.4 數(shù)字排除干擾技術(shù)
一 般 測 量 系 統(tǒng) 的 輸 入 信 號 均 含 有 種 種 噪 聲和干擾， 為了進(jìn)行準(zhǔn)確測量與控制， 必須盡可能地排除。所謂數(shù)字排除干擾（ 數(shù)字濾波） 技術(shù)，就是通過一定的計算或判斷程序以減少干擾在有用信號中的比例。所以數(shù)字排擾實質(zhì)上是一種程序排擾或軟件排擾。軟 件 編 寫 中 ， 采 用 滑 動 平 均 值 法 ?；瑒悠骄捣ㄊ菍⒋娣臢 個數(shù)據(jù)的存儲器組成循環(huán)隊列，隊列的長度固定為N。每進(jìn)行一次新的測量后，把結(jié)果依次放入隊尾而自動充銷原隊首的數(shù)據(jù)。這樣隊列中始終有N 個“最新”數(shù)據(jù)。每次測量后對隊列中的N 個數(shù)據(jù)計算一次平均值，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更換率與測量頻率一致，而與N 無關(guān)。滑動平均值法即達(dá)到N 次平均值排擾的效果，又達(dá)
到快速更換數(shù)據(jù)的要求。具體公式如下：

式 中 ： Y(k) — 第 K 次濾波后的輸出值X(k- i) — 依 次 向 前 遞 推 i 次的采樣值n — 滑動平均頂數(shù)滑動平均 頂 數(shù) n 的選取是較重要的環(huán)節(jié)： n過大，平均效果好，但對參數(shù)變化的反應(yīng)不靈敏；n 過小， 濾波效果不顯著。如果不能有限地克服隨機(jī)誤差 ，可采取一階遞推濾波， 其算式如下：
Y(k)＝ (1- Q)Y(k- 1)+ QX(k)式 中 ：Q— — 濾波系數(shù)， 為0＜Q＜ 1
X(k)— — 第k 次采樣值
Y(k)— — 第k 次濾波后的輸出值
Y(k- 1)— — 第k- 1 次濾波后輸出值
2.5 顯示準(zhǔn)確度調(diào)校
筆 者 以 前 設(shè) 計 的 電 子 吊 鉤 秤 前 置 放 大 器 ，準(zhǔn)確度調(diào)校是調(diào)整放大器放大量，即用電位器來調(diào)校。由于電位器調(diào)整不方便且不穩(wěn)定， 造成放大量變化， 使顯示稱重數(shù)據(jù)發(fā)生變化。后來的設(shè)計中， 放大器接固定電阻， 在軟件內(nèi)部乘以ΣK 值來達(dá)到調(diào)整放大量。并在單片機(jī)接口線上接12個平撥開關(guān)， 順序接通開關(guān)DSW1- 12 增加計數(shù)值。準(zhǔn)確度調(diào)校程序最重要的一條是建立實時顯
示值與A/D 計數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。假設(shè)實時顯示值為重量W， 相應(yīng)的計數(shù)為WCNT， 初始顯示值WZ，相應(yīng)的計數(shù)為WCMTZ，凈重為WN，相應(yīng)的計數(shù)為WCMTN。設(shè)A/D 最大計數(shù)18000，分度數(shù)3000， 且d 代表分度值。設(shè)d＝ 6 計數(shù)， 則它們的關(guān)系應(yīng)為：
WCMTN＝ 6WW/ d WW＝W-WZ按照上式 ，以W 為橫坐標(biāo)，WCNT 為縱坐標(biāo)，描繪出的凈重－ 計數(shù)曲線如圖5。圖中共有4 條
斜線，其中I 線是總重量與計數(shù)關(guān)系的曲線。將I 線向下平移， 即減去零位計數(shù)WCWTZ，就變成凈重與計數(shù)關(guān)系的II 線。由于平撥開關(guān)對應(yīng)準(zhǔn)確度的計數(shù)調(diào)整只能增加不能減少，為防止未接通開關(guān)， 滿載計數(shù)值出現(xiàn)超過要求線（18000）。的情況。故軟件將II 線乘以一系數(shù)， 使要求線變成III 線。要求線的斜率小于I 線的斜率。當(dāng)調(diào)整平撥開關(guān)時，III 線就能調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)線， 即18000 計數(shù)。具體計算公式如下：

從零點到滿載標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)值連一條直線 ，是通過軟件實現(xiàn)的，即滿載準(zhǔn)確度可由軟件調(diào)?；蜓a(bǔ)償。重量的非線性由傳感器和模擬電路的性能來決定。因此一個線性很好的傳感器和模擬電路，任何點調(diào)校準(zhǔn)確度都可以， 而以滿載效果最好。
2.6 實時標(biāo)度變換
一 般 的 測 量 系 統(tǒng) 都 存 在 標(biāo) 度 變 換 問 題 ，這是因為被測量對象的數(shù)據(jù)的量綱與放大器和A/D轉(zhuǎn)換器的輸出值并不是一樣的。例如電阻的單位是歐姆（ Ω ），溫度的單位是攝氏度（ ℃ ）， 物重的單位是公斤（ Kg）。這些參數(shù)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電壓放大后， 再經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)碼， 所得結(jié)果的數(shù)值并不一定等于原來帶有量綱的參數(shù)值，它只對應(yīng)于參數(shù)值的大小。故必須將其轉(zhuǎn)換成帶量綱的數(shù)值后顯示打印， 這種轉(zhuǎn)換稱為標(biāo)度變換。標(biāo)度變換一般分為線性參數(shù) 度變換和非線性參數(shù)標(biāo)度變換。
線性標(biāo)度變換的前提是參數(shù)值與模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果之間是線性關(guān)系。若輸入信號為零時， 模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出值不為零。則標(biāo)度變換公式為：
Y＝ (Ymax- Ymin)(X- Nmin)/ (Nmax- Nmin)+ Ymin
其 中 ：Y－ 參數(shù)測量值（ 工程量）
Ymax－ 參數(shù)量程終點值
Ymin－ 參數(shù)量程起始值
Nmax－ 量程終點所對應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果
Nmin－ 量程起點對應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果
X－ 測量值所對應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出值
其 中 ，Ymin、Ymax、Nmin、Nmax 對于某一固定的被測量參數(shù)來說是常數(shù)，對于不同的被測參數(shù)它們有不同的值。由于基于單片機(jī)的測量系統(tǒng)， 可以隨被測對象的不同用軟件的方法來進(jìn)行不同的標(biāo)度變換，所以它是一個智能化很強(qiáng)的自動測量系統(tǒng)，而且
很容易作成多功能的綜合測量系統(tǒng)。
3 結(jié)論
基于單片機(jī)的測量系統(tǒng)很容易使其具有實時自檢、自校、自消漂移、數(shù)字濾波、準(zhǔn)確度調(diào)校、標(biāo)度變換、實時顯示等功能。如果再把這樣的測量系統(tǒng)與所得結(jié)果通過D/A 轉(zhuǎn)換等和其它執(zhí)行器件聯(lián)接起來，再加上單片機(jī)靈活多變的計算能力和轉(zhuǎn)判功能，將會使傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)躍入智能化的新紀(jì)元。
該 無 線 遙 測 電 子 吊 秤 系 統(tǒng) 自 1986 年研制出來后，稱重數(shù)據(jù)優(yōu)于國頒A 三級秤的標(biāo)準(zhǔn)，且性能穩(wěn)定，順利通過了國家技術(shù)監(jiān)督局的鑒定。其產(chǎn)值達(dá)140 多萬人民幣，利潤為60 多萬人民幣，獲得軍隊科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎，是很好的軍轉(zhuǎn)民項目。它還可以和主計算機(jī)（PC） 終端聯(lián)網(wǎng)，采用人機(jī)對話形式， 操作方便， 使用簡單， 數(shù)據(jù)庫的檢索快捷， 并且可根據(jù)硬盤的大小， 存儲多
達(dá)上萬組的稱重數(shù)據(jù)。而且可以通過選擇不同的地址碼聯(lián)接多個稱重系統(tǒng)同時顯示，形成稱重網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。如果選擇不同的傳感器， 如選用溫度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器等等、就變成了不同用途的測量系統(tǒng)， 使之變成了一個高精度、多用途、多功能、通用性強(qiáng)的帶有數(shù)據(jù)庫功能的無線遙測實時測量系統(tǒng)。

 

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