基于單片機(jī)的智能動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第9卷第4期重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2007年12月基于單片機(jī)的智能動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)張玉鳳(徐州建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,徐州221008)摘要:對(duì)稱重系統(tǒng)硬件模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),包括稱重秤臺(tái)以及稱重電路。在對(duì)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)進(jìn)行了硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,詳細(xì)分析了動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的受力情況。關(guān)鍵詞:智能儀器;動(dòng)態(tài)稱重;單片機(jī)中圖分類號(hào):TP273.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1673-1980(2007)04-0061-03目前市場(chǎng)上不少運(yùn)用智能動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的產(chǎn)品價(jià)格高,精度低,抗干擾能力差,只能適用于一些對(duì)精度要求不高,干擾不大的場(chǎng)合。本文所介紹的智能化動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)主要用于車輛在運(yùn)行狀態(tài)下的自動(dòng)稱重,同時(shí)可以

2、進(jìn)行車次數(shù)和貨物重量的累加,并可以用微型打印機(jī)打印出統(tǒng)計(jì)結(jié)果。重物傳感器放大濾波采樣保持同步時(shí)鐘供橋電源公共基準(zhǔn)電源采樣保持A/D單片機(jī)CRT鍵盤1動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)1.1硬件組成原理稱重系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括以下兩方面:稱重傳感器選擇以及稱重電路的設(shè)計(jì)。稱重電路的設(shè)計(jì)又包括數(shù)據(jù)采集電路、LED數(shù)碼管顯示電路、接口電路設(shè)計(jì)。硬件組成原理如圖1所示。圖1系統(tǒng)組成原理圖示。LED(LightEmittingDiode)顯示器與其它顯示器相比,具有工作電壓低、多色、壽命長(zhǎng)、發(fā)光控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。我們用五片共陽極發(fā)光二極管(LED)顯示器來顯示汽車重量,其中三位整數(shù),兩位小數(shù)。1.4單片機(jī)硬件

3、電路設(shè)計(jì)我們?cè)谠O(shè)計(jì)硬件電路之前,先要對(duì)需要用到的芯片進(jìn)行選型。包括以下幾個(gè)方面:(1)放大器傳感器的輸出是一個(gè)毫伏級(jí)的模擬信號(hào),在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之前,需要經(jīng)過運(yùn)算放大器進(jìn)行放大。為了得到精確的放大倍數(shù)及最低限度的零點(diǎn)漂移,放大器采用了高精度、超低漂移的運(yùn)算放大器OP-07。(2)AD轉(zhuǎn)換器采集上來的模擬信號(hào)要進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行處理前,需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。綜合考慮系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度的要求,我們選擇AD574模數(shù)轉(zhuǎn)換器來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換的工作。(3)微處理器由于USB接口程序所需程序空間比較大,要求微處理器包含比較大的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器空間。PHL工1.2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.2.1稱重傳感器的選擇不停車收費(fèi)系

4、統(tǒng)的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)工作環(huán)境在室外,條件惡劣。而動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)也要求傳感器精度高、速度快、頻率響應(yīng)好、長(zhǎng)期性能穩(wěn)定?；谝陨系脑?我們選擇使用電阻應(yīng)變式稱重傳感器。1.2.2數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集電路的主要功能是將傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理后,再送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入微處理器進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)采集電路部分主要包括兩方面:輸入信號(hào)的放大以及放大后模擬信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)換。1.3LED顯示器電路設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)測(cè)量出汽車車重后,在顯示器上將車重顯示出來。我們選用LED顯示器來完成顯收稿日期:2007-07-19作者簡(jiǎn)介:張玉鳳(1972-),女,河北承德人,徐州建筑職業(yè)技術(shù)

5、學(xué)院機(jī)電工程系教師,研究方向:電力電子與電機(jī)拖動(dòng)。61張玉鳳:基于單片機(jī)的智能動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)PS公司生產(chǎn)的P89C58X2單片機(jī)內(nèi)部含有32K字節(jié)的FLASH程序存儲(chǔ)器和256字節(jié)的RAM,滿足設(shè)計(jì)要求,可以選擇P89C58X2作為系統(tǒng)微處理器。為了獲得較為精確的稱重?cái)?shù)據(jù)和較好的實(shí)時(shí)稱量效果,系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用了EMD算法。其硬件設(shè)計(jì)的整體框圖如圖2所示。1.5通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)稱重系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)由監(jiān)控主機(jī),中繼器和采集點(diǎn)組成。各個(gè)采集點(diǎn)與監(jiān)控主機(jī)之間的通信采用多級(jí)分級(jí)通信模式。通信網(wǎng)絡(luò)采用分級(jí)通信方式,監(jiān)控和32個(gè)中繼器之間采用RS-485半雙工接口。MAX232實(shí)現(xiàn)將RS-232接口信號(hào)電平轉(zhuǎn)化

6、為TTL電平。MAX485為+5V供電的RS-485接口的差分信號(hào)收發(fā)器,可以將TTL電平轉(zhuǎn)化為RS-485的差分接口信號(hào)形式或進(jìn)行相反方向的轉(zhuǎn)換。每一個(gè)中繼器(89C51)承擔(dān)監(jiān)控主機(jī)和32個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊MSP430F449之間通信的中繼任務(wù)。采用不同的I/O端口線分別控制89C51與計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器之間的通信。CRT健盤看門狗電路系CPLD統(tǒng)7128AMSP電16C550430源顯示控制F449譯碼MSX485JTAG8MRS485圖2硬件設(shè)計(jì)整體框圖1.6通信網(wǎng)絡(luò)硬件連接電路1.6.1RS-232與RS-485之間的電路連接RS-232接口信號(hào)格式轉(zhuǎn)換成RS-485差分接口信號(hào)格式的電

7、路連接如圖3所示,通信中繼器的電路連接如圖4所示。圖4所示通信中繼器的連接電路中,89C51和計(jì)算機(jī)之間、89C51和數(shù)據(jù)采集器(MSP430F449)之間用1根雙絞線進(jìn)行半雙工通信,分時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收。由于使用1個(gè)串行口進(jìn)行通信,為了避免發(fā)信號(hào)混亂,用P1.6控制1#MAX485的發(fā)數(shù)據(jù)允許位DE,用P1.7控制2#MAX485的發(fā)數(shù)據(jù)允許位DE。接收數(shù)據(jù)總是不同時(shí)進(jìn)行,按先接收計(jì)算機(jī)發(fā)送的地址,再發(fā)送地址給數(shù)據(jù)采集器,最后接收數(shù)據(jù)采集器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)順序進(jìn)行。62圖3RS-232與RS-485轉(zhuǎn)換電路圖4通信中繼器電路1.6.2干擾信號(hào)處理常采用的硬件抑制干擾措施包括:(1)供電系統(tǒng)的抗干

8、擾措施對(duì)于供電電源,本系統(tǒng)要求單獨(dú)供電,而且電源端不可與大功率電器混用,電源線要求保證良好接地。對(duì)于信號(hào)處理部分,采用無源鐵氧體磁環(huán)控制TTL波形前沿,防止扁平電纜的串?dāng)_,讓驅(qū)動(dòng)波形先經(jīng)過鐵氧體環(huán)再到電纜,這樣一來驅(qū)動(dòng)波形就變得平緩。(2)過程通道干擾處理在數(shù)據(jù)采集電路中,電阻應(yīng)變式傳感器與電路板連接采用雙絞線傳輸方式,雙絞線不僅提高了對(duì)磁場(chǎng)抗干擾能力,而且回路本身傳輸?shù)碾娏饕蝗ヒ换?兩條線電流在空間產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好抵消,因而減小了對(duì)其他回路的影響。采用A/D集成電路板,不但提高了轉(zhuǎn)換精度、速度,而且也增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性能。預(yù)處理信號(hào)采用雙反饋接法,消除了干擾電平及放大器因零漂對(duì)系統(tǒng)的影響?？?/p>

9、間抗電磁干擾措施有:系統(tǒng)配備良好的接地裝置;系統(tǒng)的數(shù)字接地端與模擬接地端分開設(shè)置;用金屬殼對(duì)整機(jī)部件進(jìn)行屏蔽防止空間干擾。張玉鳳:基于單片機(jī)的智能動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)2動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2.1方案(1)軟件總體功能分析:自動(dòng)清零;自動(dòng)稱重;數(shù)據(jù)保存(2)軟件結(jié)構(gòu):包括四個(gè)部分,即數(shù)據(jù)采集模塊、正常稱重等功能。2.3A/D轉(zhuǎn)換模塊本模塊由于采用單片機(jī)運(yùn)行,增強(qiáng)了稱重?cái)?shù)據(jù)數(shù)字化的速度和效率。2.4數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)經(jīng)過濾波器性能綜合比較,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)決定選擇海明(Hamming)作為數(shù)字濾波器使用的窗函數(shù),將數(shù)字濾波器的階數(shù)定為100,截止頻率定為1Hz,采樣頻率取為1000Hz。A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字濾

10、波器模塊和EMD數(shù)據(jù)處理模塊。軟件總體流程如圖5所示。開始初始化累計(jì)誤差校正累計(jì)誤差校正數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字濾波、處理2.5EMD數(shù)據(jù)處理模塊出錯(cuò)顯示累計(jì)誤差校正本模塊對(duì)采集到的稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí),所采用的算法核心思想是EMD經(jīng)驗(yàn)?zāi)７纸饧夹g(shù),可將誤差允許值設(shè)定到足夠小,因此可以充分保證處理后數(shù)據(jù)對(duì)被稱量真實(shí)值的復(fù)現(xiàn)精度。參考資料1李友善.自動(dòng)控制原理上冊(cè))M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1983.2方培生.傳感器原理與應(yīng)用M.北京:電子工業(yè)出版社,1991.3施昌彥.動(dòng)態(tài)稱重測(cè)力技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)J.計(jì)量學(xué)報(bào),2004,12(3):201-205.4周道武.動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)若干問題研究D.西北工業(yè)大

11、學(xué),2001:9-35.5劉盛雄,周奇,韋云隆.基于單片機(jī)的數(shù)字式電子鐘的設(shè)計(jì)與制作J.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào),2006,20(8):90-92.計(jì)算凈重統(tǒng)計(jì)打印保存結(jié)束圖5系統(tǒng)軟件總體流程2.2數(shù)據(jù)采集模塊在此模塊的設(shè)計(jì)中,應(yīng)著重于閾值設(shè)定的考慮,并且為了能夠?qū)崿F(xiàn)稱重系統(tǒng)進(jìn)行清零、傳感器調(diào)定、DesignofIntellectualDynamicWeighingSystemBasedonSingle-chipMicrocontrollerZHANGYu-Feng(XuzhouInstituteofArchitecturalTechnology,Xuzhou221008)Abstract:Thispaperintroducesthedesignofhardwareonplatformsystemplatformscaleincludingplatformscaleandintegratedcircuit.Onthe