自動(dòng)稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李秉榮，劉夫云*，程 雄，王喬義，藍(lán)毓勝，馬永輝

(1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，桂林 541004；2.右江礦務(wù)局， 桂林541004)

地磅是一種運(yùn)用比較廣泛的稱重儀器，也稱為汽車衡。目前，我國(guó)很多地方仍使用傳統(tǒng)地磅，采用人工填寫單據(jù)、報(bào)表的方式來記錄數(shù)據(jù)。這種工作方式安全性差，容易出錯(cuò)，效率低下，難以滿足現(xiàn)代生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的要求。因此，針對(duì)國(guó)內(nèi)地磅稱重系統(tǒng)自動(dòng)化程度不高的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一套地磅稱重系統(tǒng)，將傳感器、單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換芯片、計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)庫(kù)有效的結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了稱重?cái)?shù)據(jù)的自動(dòng)采集、自動(dòng)處理和自動(dòng)存儲(chǔ)，為企業(yè)的現(xiàn)代化管理提高效率。

1 稱重系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

首先，利用由電阻應(yīng)變式傳感器組成的測(cè)量電路測(cè)出壓力信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)的放大、濾波，然后以模擬信號(hào)的方式傳送到A/D轉(zhuǎn)換器。其次，將經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的的數(shù)字信號(hào)由單片機(jī)傳送給上位機(jī)。最后，在上位機(jī)以MyEclipse6.0.1 為開發(fā)環(huán)境，構(gòu)建一個(gè)地磅信息管理系統(tǒng)，用于接收、顯示并存儲(chǔ)相關(guān)信息。具體方案如流程圖1。

圖1 總體方案設(shè)計(jì)流程圖

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路

電阻應(yīng)變式傳感器通常采用橋式測(cè)量電路。它由箔片式電阻應(yīng)變片電阻R1、R2、R3、R4組成。電橋的一個(gè)對(duì)角線接工作電壓E，另一個(gè)對(duì)角線接輸出電壓Uo。在測(cè)量重量之前，調(diào)節(jié)滑動(dòng)式線性可變電阻器Rp1， 當(dāng)載荷為0 時(shí)， 輸出為零。測(cè)量電路如圖2[1-10]所示。

圖2 電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路

1.1.2 差動(dòng)放大電路

由于傳感器輸出的模擬信號(hào)比較微弱，需要放大一定的倍數(shù)才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器的要求，這里采用一種典型的差動(dòng)放大電路，它由UA741和電阻組成。差動(dòng)放大電路如圖3[2-11]所示。

圖3 差動(dòng)放大電路

1.1.3 單片機(jī)與PC機(jī)串口通信及A/D轉(zhuǎn)換電路

(1)單片機(jī)與PC機(jī)的串口通信采用RS-232C串行通信標(biāo)準(zhǔn)接口， RS-232C總線接口芯片種類很多，這里使用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232 芯片實(shí)現(xiàn)TTL和EIA之間的電平轉(zhuǎn)換，其接線電路如圖4所示。需要注意的是由于該工作電路對(duì)電源噪聲比較敏感，為了提高器件的抗干擾能力，這里采用了1.0 μF電容連接+5 V電源去耦。同時(shí)，在PCB布線時(shí)，電容應(yīng)該盡可能的靠近芯片。

(2)A/D轉(zhuǎn)換芯片采用ADC0832，這款芯片具有8位分辨率，雙通道A/D轉(zhuǎn)換，輸入輸出電平與TTL/CMOS兼容， 5 V電源供電時(shí)輸出電壓在0 ～5 V之間，工作頻率為250 kHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32 ms，功耗為15 MW等優(yōu)點(diǎn)。適合本系統(tǒng)的要求。其與單片機(jī)的連接電路圖如圖4[3-4]所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用mpx4115 壓力傳感器來測(cè)量系統(tǒng)的精度，該傳感器承受壓力的線性區(qū)間為15 kPa～115 kPa。測(cè)量時(shí)補(bǔ)償值為9.3 kPa，即y=[(115-15)/(243-13)] *X+9.3。其中y—壓力， X—經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。通過隨機(jī)對(duì)10組數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 單片機(jī)與PC機(jī)串口通信及A/D轉(zhuǎn)換電路

通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)的測(cè)量精度在0.1 ～0.3之間。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用RS-232C串口通信技術(shù)，以MyEclipse6.0.1為開發(fā)環(huán)境，通過Sun公司提供的Java中的comm.jar包，完成單片機(jī)與PC機(jī)的串口通信，編制出了地磅稱重管理系統(tǒng)可視化軟件。

1.3.1 RS-232串行通信接口

RS-232是目前最常用的一種串行通信接口，被定義為一種低速率串行通信標(biāo)準(zhǔn)，最大傳輸距離在50 m左右。采用RS-232串口通信能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。

1.3.2 Java與COM口的串口通訊

Sun公司的J2SE中并沒有直接提供任何一種串行通信協(xié)議的開發(fā)包，而是以獨(dú)立的jar包形式發(fā)布在java.sun.com網(wǎng)站上的comm.jar，稱之為Java Communication API，它是J2SE的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展。comm.jar提供了對(duì)常用的RS-232串口通信的支持。與comm.jar包一起的還有兩個(gè)重要的文件：win32com.dll和 javax.comm.properties。 comm.jar提供了通信用的java API， win32com.dll提供了供comm.jar調(diào)用的本地驅(qū)動(dòng)接口， 而 javax.comm.properties是這個(gè)驅(qū)動(dòng)的類配置文件[5]。

Java讀寫COM口主要是調(diào)用Javax..comm包中的comm.API函數(shù)。在初始化波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)的同時(shí)，將輸入輸出數(shù)據(jù)流和該串口建立一個(gè)映射，串口的輸入輸出操作就直接反映在輸入流和輸出流上。通過CommPort類的get-InputStream()和getOutputStream()方法取得端口的輸入流和輸出流[6]。

1.3.3 Java與串行口通訊的軟件實(shí)現(xiàn)

串口讀寫數(shù)據(jù)的流程圖如下圖5所示。

圖5 向串口讀寫數(shù)據(jù)流程圖

串口讀寫程序如下所示：

/*打開并初始化串口程序*/

public void serialPortInitialize(){

portId=CommPortIdentifier.getPortIdentifiers(“COM 1”)；//獲取通信端口COM1

serialPort=(SerialPort)portId.open(“ serialComm”，2000)；//打開端口

serialPort.setSerialPortParams(1200， //波特率1200

SerialPort.DATABITS_8， //數(shù)據(jù)位8位

SerialPort.STOPBITS_1， //停止位1位

SerialPort.PARITY_NONE)；//無奇偶校驗(yàn)位

}

/*從端口讀取數(shù)據(jù)*/

InputStream input=serialPort.getInputStream()；

Input.read(…)；

/*往端口寫數(shù)據(jù)*/

OutputStream output=serialPort.getOutputStream()；

Output.w rite(…)；

1.3.4 單片機(jī)與PC機(jī)的通信協(xié)議

單片機(jī)端：?jiǎn)纹瑱C(jī)先發(fā)送0x00給PC機(jī)，并且等待PC機(jī)的回復(fù)，當(dāng)接收到PC機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)是0x00時(shí)，單片機(jī)開始向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到PC機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)是0xff時(shí)，單片機(jī)不執(zhí)行任何操作，并且重新發(fā)送0x00 給PC機(jī)，等待回復(fù)。PC機(jī)端：點(diǎn)擊軟件連接按鈕，接收單片機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)是0x00時(shí)，向單片機(jī)發(fā)送0x00，并且開始接收單片機(jī)傳發(fā)送的數(shù)據(jù)，同時(shí)PC機(jī)端通過設(shè)置數(shù)據(jù)校驗(yàn)來判斷數(shù)據(jù)是否接收完整，當(dāng)數(shù)據(jù)接收不完整時(shí)，向單片機(jī)發(fā)送0xff，丟失該數(shù)據(jù)，并且重新接收數(shù)據(jù)。

2 稱重系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)、功能及界面

2.1 稱重系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要包括5個(gè)模塊，即串口通信模塊、數(shù)據(jù)錄入模塊、查詢打印模塊、權(quán)限管理模塊和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊[7-12]。

2.2 各模塊的功能

(1)串行通信模塊

該模塊的功能實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與PC機(jī)的串口通信，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸。

(2)數(shù)據(jù)錄入和網(wǎng)絡(luò)通信模塊

該模塊用于記錄編號(hào)、車號(hào)、空車時(shí)間、重車時(shí)間、貨物名稱、型號(hào)規(guī)格、毛重、皮重、凈重、單價(jià)、過磅費(fèi)、金額、供貨單位、收貨單位、司機(jī)、操作員和備注等數(shù)據(jù)。其中毛重、皮重是通過串口自動(dòng)接收數(shù)據(jù)，不需要人工記錄。同時(shí)，通過Java的socket類實(shí)現(xiàn)將記錄的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳輸給中心服務(wù)器，便于通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)或Internet查詢相關(guān)數(shù)據(jù)。

(3)查詢打印模塊

該模塊用于客戶打印稱重的相關(guān)數(shù)據(jù)。

(4)權(quán)限管理模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)了不同的管理員對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作的不同權(quán)限，其中超級(jí)管理員可以添加或者更改操作員，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的任何操作，而操作員只有記錄數(shù)據(jù)的功能。

(5)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊

該模塊用于記錄日統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和季度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2.3 稱重信息管理系統(tǒng)的軟件界面

本系統(tǒng)的軟件界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)的軟件界面

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)的介紹了地磅稱重系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法，其中硬件部分介紹了組成該系統(tǒng)的三個(gè)重要的電路，軟件部分介紹了Java程序中的comm.jar包。通過 RS-232串口，實(shí)現(xiàn)了Java與單片機(jī)的串口通信。最后，筆者通過Java語(yǔ)言開發(fā)了一個(gè)地磅信息管理系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸、顯示、通信、存儲(chǔ)、查詢和打印等功能，能夠滿足企業(yè)對(duì)稱重的自動(dòng)化需求。

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