基于虛擬技術的高精度稱重系統設計

葛 亮，李俊蘭，胡 澤，趙薇薇

（1. 西南石油大學 電氣信息學院，成都 610500；2. 中國石油集團工程設計有限責任公司 西南分公司，成都 610041）

0 引言

傳統的量具是桿秤或盤秤，隨著電子技術的不斷發展, 傳統的稱重系統在功能、精度、智能化、性價比等方面越來越難以滿足人們的需要。20世紀70年代出現的電子秤，在各行各業中開始顯現其測量精度高，測量速度快，操作簡單易學，已經取代傳統型的機械杠桿測量秤。隨著人們生活水平不斷提高，計算機走進千家萬戶，電子秤往往都是商家提前制作好的成品，不能和現在的計算機相連接，功能單一，不能根據用戶需要進行實時更改系統的使用功能[1]。

基于虛擬技術的稱重系統是一種智能化電子秤，采用現代傳感器技術、數據采集技術和計算機技術而實現的一體化的電子稱量裝置[5,6]。用虛擬軟件顯示界面，可接打印機，還可自主設置被稱量物體的價格，并顯示付款金額，來滿足并解決現實生活中提出的“快速、準確、連續、自動、遠程同步”稱量要求，同時有效地消除人為誤差，使之更符合法制計量管理和工業生產過程控制的應用要求。因此，設計基于虛擬技術的高精度稱重系統具有很高的實用價值[2]。

1 系統的總體框架設計

圖1 系統總體設計框架

經過方案比較和論證，最終確定的系統總體設計框架圖如圖1所示。當物品放到懸臂梁上，懸臂梁受到被稱重物的重力作用變形，使得粘貼在懸臂梁上的電阻應變片阻值發生變化，經過電橋測量電路轉化為電壓信號，電壓信號的強弱隨物重的大小而變化，該電信號經信號調理電路后，送入AD574進行模數轉換，轉換后的數字量與物重成正比，再進入AT89S52進行數據處理，然后經過串口MAX232送入計算機，計算機經過數據處理，在LabVIEW軟件界面中實現實際質量顯示、付款金額顯示以及稱量歷史記錄保存等功能。

2 系統硬件電路設計

2.1 傳感器

懸臂梁式彈性元件具有結構簡單、加工比較容易、應變片粘貼方便、靈敏度較高等特點，適用于制作小量限測力傳感器。此類彈性元件有兩種基本形式，一種為等截面懸臂梁，另一種為等強度懸臂梁，本設計采用等截面懸臂梁式傳感器。

2.2 信號放大電路

根據傳感器輸出信號特點，放大器的設計主要是高增益，低噪聲。AD公司生產的AD620以其低噪聲的優越性能為低頻微伏信號檢測提供了很好的選擇[3]。將傳感器輸出的電信號通入AD620的輸入端，經放大后從AD620的第6腳輸出，輸出電壓作為放大器OP07輸入電壓，再進行放大。由于懸臂梁式傳感器輸出信號易受外界因素影響，電壓值有微小變化，為了使放大倍數更精確，故在OP07的反饋電阻上串聯一個50K的滑動變組器。傳感器的輸出電壓信號在0～6.5mv左右，在整個放大電路中只需相應調節滑動變組器阻值來滿足所需的放大倍數。其放大電路原理圖如圖2所示。

圖2 信號放大電路

2.3 數據采集電路

為了實現對傳感器輸出壓力信號的采集，設計了如圖所示的AD574與單片機的接口電路圖。由于AT89S52單片機是八位機，對轉換結果只能按雙字節分時讀取，故2腳接地。 AD574輸出帶三態輸出的連接方式，故可以將其直接掛在數據總線上。圖中AD574的高八位數據線接單片機的數據線，低四位數據線接單片機的低四位數據線，AD574的CE信號要求無論是單片機對其啟動控制，還是對轉換后數據的讀入，都應該為高電平有效，所以和通過“與非”邏輯接CE信號；由于AD574的轉換速度很快，故采用查詢方式讀取轉換后的數據，將單片機的P2.5引腳與 AD574的工作狀態指示（STS）引腳相連，通過P2.5引腳查詢STS端口狀態，當STS為0時，表明轉換結束。

2.4 通信電路

數據通信在硬件上采用三線制，將計算機串口和單片機串口的三個引腳（RXD，TXD，GND）分別連在一起，即將單片機與計算機的發生數據線TXD與接收數據線RXD相互交叉連接，同時將兩側的接地線GND直接相連。

3 系統軟件設計

系統軟件分為單片機軟件和計算機軟件兩個部分，單片機軟件使用匯編語言進行編寫，主要實現時間的測量和距離的計算功能；計算機端軟件選用LabVIEW圖形語言進行編寫，實現登陸密碼驗證、重量顯示、單價設定、顯示付款金額和稱量歷史記錄等功能[4]。其中，計算機端軟件界面如圖4所示。

工作原理：單片機上電復位后，由程序進行初始化操作，控制ADC選擇輸入模擬通道，并將模擬信號進行A/D轉換，單片機采集數據后進行保存和數據處理，再通過串口通信送入計算機。

圖3 數據采集接口電路

圖4 計算機端軟件界面

4 系統測試結果

結果測試，得到數據如表1所示，通過數據可以看出，系統測量誤差在0.2%以內，可以滿足日用稱重測量需要。

5 結論

1）本文提出了一種基于虛擬技術的高精度稱重系統的設計方案，從系統的硬件設計和軟件設計兩個部分詳細地闡述了該稱重系統的開發過程。

表1 系統測試數據

2）通過對該稱重系統進行測試，驗證了系統測量誤差在0.2%以內，滿足日常高精度測量需要。

3）在設計該高精度稱重系統中，利用了虛擬儀器技術，用戶可以根據需要對計算機端軟件進行修改以適應不同的使用需要。

[1] 李秉榮, 劉夫云, 程雄, 王喬義, 藍毓勝, 馬永輝. 自動稱重系統的設計與實現[J]. 電子器件, 2010, (02) .

[2] 周祖濂. 數字稱重系統——稱重技術新概念[J]. 衡器,2005, (05) .

[3] 胡澤, 葛亮, 李俊蘭, 張禾, 陶真. 鉆井工程參數測試的小信號放大電路設計[J]. 微計算機信息, 2011, (04) .

[4] 程路, 張宏建, 曹向輝. 車輛動態稱重技術[J]. 儀器儀表學報, 2006, (08) .

[5] 鄔蓉蓉, 滕召勝, 譚旗, 林海軍. 基于C#.NET的智能化汽車衡稱重管理系統[J]. 儀表技術與傳感器, 2010, (07) .

[6] 張樂, 魯仁全, 徐生林. 車輛衡自動稱重系統的設計與實現[J]. 浙江大學學報(工學版), 2010, (07).