應變式智能稱重系統(tǒng)設計

內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古包頭 014010

一、引言

稱重儀作為信號轉換、信息處理和控制系統(tǒng)相集合的產(chǎn)物，是衡器行業(yè)的重要分支。可以說稱重儀的技術程度和發(fā)展理念在某種程度上可以映射出整個衡器行業(yè)的發(fā)展近況及趨向。

在傳統(tǒng)的稱重系統(tǒng)中，一般用手工方式錄入產(chǎn)品信息、稱重時間和稱重儀采集到的稱重數(shù)據(jù)，實時性差，準確率偏低，容易發(fā)生數(shù)據(jù)故意造假、人為誤差等問題[1]。

針對此類問題，本文將傳統(tǒng)的電子稱重儀進行自調零與自校準等智能化處理，不僅可以對進出貨物做到準確記錄，同時可以提升管理水平。經(jīng)測試，傳統(tǒng)稱重傳感器的測量誤差大約為1.22%，智能化后誤差降為0.33%，測量精度得到大幅提高。

二、稱重系統(tǒng)硬件總體設計方案

系統(tǒng)整體設計流程圖如圖1所示。該稱重系統(tǒng)硬件主要由稱重傳感器、標準電壓發(fā)生器、零點電壓發(fā)生器、多路轉換器、AD620放大器、A/D轉換器、STM32單片機組成。

零點電壓發(fā)生器、標準電壓發(fā)生器和稱重儀分別將輸出的電壓信號經(jīng)過多路轉換器采用三步測量法依次進行調零、標定和測量，送入放大電路，經(jīng)過放大后，進入STM32的A/D轉換器中，通過LCD顯示屏顯示數(shù)據(jù)。使用LCD顯示屏上的觸摸鍵盤設定重量的上限。

1、稱重傳感器

稱重傳感器選用的是應變式傳感器，其工作原理為金屬的應變效應[2]。傳感器的彈性體上貼有應變片，構成全橋電路。在無負荷時，全橋電路輸出電壓為零。當彈性體承受載荷時，各應變片隨之發(fā)生應變，輸出相應電壓。

本文選用的稱重傳感器為地磅生產(chǎn)中專用的YZC-322稱重傳感器，其承重量程為0～3000kg。當電源電壓為12V時，其輸出電壓量程為0～24mV。

2、多路選擇開關與信號調理電路

本文設計選用CD4052多路選擇開關，其相當于一個雙刀四擲開關，應用時可利用單片機對A/B進行控制，選擇通路開關[3]。傳感器的兩個輸出端分別接在CD4052的X2、Y2端；將標準電壓的兩端分別接入CD4052的X1、Y1，輸出標準電壓為3mV，保持傳感器輸出信號的靈敏度；標準零點的兩端分別接入X0、Y0端。當單片機傳給B、A地址后，則會選擇哪路導通，進入AD620放大電路中進行放大。

稱重傳感器輸出的信號往往是比較弱的，其輸出電壓為0～24mV，所以一般使用放大器將傳感器輸出的電信號放大到0～3.3V才可被A/D轉換器接收。本文選用的AD620AN放大模塊與電阻組成的放大電路，對稱重傳感器輸出的微弱電壓進行了1375倍的放大，其電壓值在單片機所能接收的范圍之內。CD4052與調理電路的連接如圖2所示。

3、STM32處理器與人機接口

選用ARM-Cortex-M3的32位微控制器的代表STM32F103ZET6，其特點為：

（1）內核：最高72MHz工作頻率，在存儲器的0等待周期訪問時可達1.25DMips/MHz；

（2）存儲器：256K ～ 512K字節(jié)的閃存程序存儲器；高達64K字節(jié)的SRAM（靜態(tài)隨機存取存儲器）；并行LCD接口，兼容8080/6800模式；

（3）時鐘、復位和電源管理：2.0 ～ 3.6V供電和I/O引腳；上電/斷電復位（POR/PDR）、可編程電源監(jiān)測器（PVD）； 4～16MHz晶體振蕩器；內嵌帶校準的40kHz的RC振蕩器；帶校準功能的32kHz的RTC振蕩器；

（4）低功耗：睡眠、停機和待機模式；VBAT為RTC和后備寄存器供電；

（5）3個12位A/D轉換器：0～3.6V的轉換范圍；三倍采樣和保持功能。

所選用的A/D轉換器是STM32單片機內部的A/D轉換器，其擁有12位精度，其轉換速率達到100萬次/s（1MHz）。STM32與人機接口連接圖如圖3所示。

4、報警裝置

通過軟件編程，設置稱重重量的上限，如果超載時，則蜂鳴器發(fā)聲同時LCD燈閃爍，提醒操作者避免破壞稱重儀，保證測量數(shù)據(jù)的準確性。

三、稱重系統(tǒng)軟件設計

本設計采用STM32單片機為核心控制單元，所使用的開發(fā)環(huán)境為Keil uVision3，該環(huán)境是用來開發(fā)基于ARM核的系列微控制器的嵌入式應用程序。

1、智能稱重系統(tǒng)軟件設計

當單片機開始初始化時，按下單片機自帶的啟動按鍵。啟動定時器，當采樣時間到達1ms時，則調用A/D采樣子程序，選通單片機地址BA=00，即標準零電壓N0通過放大器進入單片機A/D轉換器后，將N0存儲到EEPROM中。當選通單片機地址BA=01，BA=10時，分別讀取到標準電壓N1、傳感器輸出N2兩個采樣值，將N1、N2兩個采樣值分別存儲入EEPROM寄存器中。經(jīng)過自調零與自校準后，根據(jù)重力G與N的關系，可計算出G的值，如果G〉1000kg，則蜂鳴器報警，紅燈閃爍，如果G≤1000kg，則調用LCD顯示子程序，將稱重值顯示出來。流程圖如圖4所示。

2、自調零與自校準

測量系統(tǒng)在輸入為0時輸出往往不為0，這是因為存在零點誤差、靈敏度誤差等，屬于固定系統(tǒng)誤差。如果在某些干擾因素下如溫度、電源電壓波動下，零點發(fā)生漂移，這樣引起可變系統(tǒng)誤差。所以本文中采用自校零與自校準的智能化技術，使系統(tǒng)自動消除因零點漂移、靈敏度漂移等固定系統(tǒng)誤差，從而提高了系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定度。

自校準可分為二標準實時自校法與多標準值實時自校法，通過測量系統(tǒng)的輸入-輸出特性是否為理想線性區(qū)分的。而本文中選擇使用二標準實時自校法。

（1）誤差與漂移量

設一經(jīng)標定實驗獲得的輸出（y）-輸入（x）特性為一理想直線，如下式：

式中，a0—零位值，即當輸入x=0時，y=0；

a1—轉換增益，又稱為靈敏度。

通常a0和a1都是常系數(shù)，但由于各種干擾和噪聲，其不可能保持恒定。所以設：

式中，Δa0—零位漂移；

Δa1—靈敏度漂移。

由式（2）得知，P值引入為固定系統(tǒng)誤差，Δa0為零位漂移可變系統(tǒng)誤差；Δa1為靈敏度漂移可變系統(tǒng)誤差，因此需通過軟件將它們的影響給予排除。

表1 實際重量與顯示重量誤差

表2 智能化設計后實際重量與顯示重量誤差

（2）二標準值實時自校法

在A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，選通控制多路轉換器輸出的地址BA=00時，則進入多路轉換器的數(shù)值為標準零點X0，從信號調理電路中輸出的數(shù)值則為y0；當?shù)刂稡A=01時，則進入多路轉換器的數(shù)值為標準電壓X1，從信號調理電路中輸出的數(shù)值則為y1；則進入多路轉換器的數(shù)值為傳感器輸出電壓X2，從信號調理電路中輸出的數(shù)值則為y2。

在每一段周期內發(fā)出數(shù)據(jù)采集的指令，需執(zhí)行三步測量：

第一步：校零。輸入信號為零點標準值，輸出值為y0；

第二步：標定。輸入信號為標準值X1，輸出值為y1；

第三步：測量。輸入信號為傳感器的輸出X2，輸出值為y2，則：

被校環(huán)節(jié)增益：

被測量信號為：

如此可知，這種方法是實時測量零點y0，實時標定靈敏度a1，經(jīng)求差運算，零點a0=P+Δa0和Δa1的影響已從式（4）中排除。

上述方式只要求三步測量過程中零點與靈敏度a1保持恒定不變。其中，要求標準發(fā)生器產(chǎn)生兩個標準值（包括零點標準值）。

四、系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)中，壓力傳感器獲取周圍環(huán)境的壓力，數(shù)據(jù)處理部分（主要由單片機內核實現(xiàn)）包括AD620儀用放大器、CD4052多路轉換開關和A/D轉換器。其功能是在程序控制下使傳感器模擬信號自調零和自校準，并提取放大后，進行A/D轉換和數(shù)據(jù)輸出調度并負責控制系統(tǒng)各部分器件的工作；STM32單片機完成信號數(shù)據(jù)的處理；傳感器部分獲取到當前環(huán)境的壓力信息，在單片機的控制下，將采集到的信息數(shù)據(jù)進行相應的處理，然后將壓力信息顯示在LCD顯示屏上，同時通過通信協(xié)議將信息上傳給上位機（PC）。

當外加穩(wěn)壓源為5V時，改變傳感器獲取的壓力信息，分析實驗中傳感器輸出電壓與重量的關系，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表1所知，在單片機還未對傳感器輸出的電壓進行智能化自調零與自校準時，傳統(tǒng)稱重傳感器的測量誤差大約為1.22%，其誤差過大，因此，利用三步測量法對傳感器輸出的電壓進行自調零與自校準后，得到數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)表2所示數(shù)據(jù)，得到單片機對傳感器輸出的電壓智能化后誤差降為0.33%，測量精度得到大幅提高。

如圖5所示，根據(jù)以上實驗結果，在單片機對傳感器輸出的電壓進行智能化自調零與自校準之前與智能化自調零與自校準之后，物體的實際重量與LCD顯示的顯示重量的關系曲線圖。橫坐標為實際重量，縱坐標為測量重量。

測量值1為智能化之前的測量值，測量值2為智能化之后的測量值。根據(jù)圖5關系曲線圖可直觀的看出，智能化之后的測量值2與實際值的兩條曲線幾乎重合。因此，根據(jù)實驗結果，我們可以知道三步測量法對于減小測量誤差是有效的。

五、結束語

由于外界干擾過多，所以傳感器輸出的電壓進入放大儀器之前有部分的零點漂移和靈敏度漂移，會導致誤差。本文中的設計加入CD4052多路傳感器，通過選擇開關通路，實現(xiàn)了了三步測量法，將傳感器輸出的電壓分別與標準電壓和標準零點進行靈敏度自校準和自調零，實現(xiàn)了傳感器的智能化設計。