農副產品的收購是關係到國計民生的大問題 ,隨著技術的進步及集約化規模化經營管理的需求 ,計算機進入農副產品的收購領域,已逐步實現。傳統的杆秤和機械磅枰已逐漸退出曆史舞台,逐漸被電子磅秤所取代,電子稱重係統特別是作為一般經營活動中的電子秤,目前國內已有很多廠家生產,產品係列也較齊全。基本上能滿足一般經營活動的需要。但農副產品收購中所需要的與微機收購係統配套且具有聯機 、數據遠傳接口 、較寬的電源電壓適用範圍, 較強的抗幹擾能力的稱重係統還不多見。本文介紹一種以 MCS -51 係列單片機 8031CPU 為核心而組成的稱重係統 。該係統既適合於農副產品收購的重量量程和環境,又具有通訊接口和數據遠傳功能。下麵就係統各個部分的軟硬件工作原理進行介紹:

1 整機硬件工作原理及框圖

係統的基本工作過程為將物體的重量稱量出來,以國際單位千克顯示 ,並通過通訊接口將重量傳送至上位結算係統。基於各項功能的需要和電子衡器國家標準要求, 我們設計的係統的基本框圖如圖1所示。從圖上可以看出稱重傳感器在加入激勵標準電源後 ,物體的重量使傳感器輸出與重量成正比的差動電壓信號 ,經信號調理電路放大到合適的幅度後送入A/D 轉換電路采集其重量對應的電壓值並轉為數字結果, 在 MCS -51 係列單片機 8031內部進行標度變換處理, 形成以千克為單位的結果, 通過四位 LED 顯示出來 , 再通過 RS -422 接口傳送出去 。

2 各部分硬件設計

2.1 稱重傳感器部分

係統的傳感器采用壓力傳感器 ,其電氣原理如圖2 所示。圖中 R1～ R4 為組成測量電橋的應變片電阻, RD 為初始不平衡補償電阻, RT為零點溫度補償電阻 , RE為輸出靈敏度溫度補償電阻 。其工作原理是在彈性體上對稱粘貼電阻應變片 ,並將應變片連接成惠斯登電橋。當被測重量通過秤盤施加於彈性體上時 ,使粘貼有電阻應變片的彈性體發生形變,此時應變片也隨之形變。應變片所粘貼的位置使 R1 和 R2 阻值減少 ,R3、R4 阻值增加 ,故電橋失去平衡,電路對角輸出一不平衡的電壓 。該電壓正比於作用在傳感器上的重量或重力。

2.2 信號調理及濾波電路

稱重傳感器輸出的電壓信號的大小,由傳感器的額定輸出靈敏度決定。當傳感器的量程與激勵電壓確定後, 傳感器的滿度輸出也就隨之確定 。本係統所使用的傳感器的靈敏度, 在采用最大激勵電源時, 其滿度輸入最大電壓仍為毫伏級。因此 , 傳感器的輸出電壓需經放大後才能進行 A/D 轉換 。

傳感器信號放大電路如圖 3 所示, 圖中的運算放大器采用美國 Intersil 公司生產的 ICL7650 第四代集成運算放大器 ,它的動態校零原理清除了 MOS 器件固有的失調和漂移 。其失調電壓和漂移僅幾個 μV , 適合於相對較弱信號的放大。從圖上可見 , 壓力傳感器組成的電橋,受恒壓源 VSS激勵。當電橋平衡時 ,通過 R5 、R6 、R7 、R8 和 RF 組成的電橋進行零位調節。此時,相當於整個傳感器無輸出,放大器兩輸入端承受負共模電壓。VSS為負激勵電源 。采用負激勵電源是 ICL7650 對負共模電壓有較高的仰製能力。圖中的 RS 為電源防振電阻 ,可消除 CMOS 器件的可控矽效應。C1、C2 為外接存貯電容器。當RE較小, R5、R6、R7、R8 和 RF 取值較大時 ,放大器的放大倍數可以通過改變電阻 RF 的大小進行調節 ,當重量確定時 ,輸出電壓與激勵電源 VSS成正比 ,即

V0=K1×VSS (1)

為使稱重係統顯示和輸出的重量穩定 , 顯示出被稱物體的靜態重量 。對放大後的信號進行平滑濾波是必要的。理論上講 ,為了顯示數字的穩定, 低通濾波器的截止頻率應越低越好。但頻率過低會使電子秤跟蹤重量變化的性能降低 ,也即是濾波器的階躍響應上升時間過長, 會使顯示的重量在短時間內不能顯示物體重量的真值 。綜合考慮後係統采用了如圖4所示的二階單位增益切比雪夫濾波器

2.3 A/D 轉換電路

在單片機實時測控和智能化儀器儀表等應用係統中 ,將連續信號轉成數字信號需要模數轉換器(A/D)。隨著集成電路技術的發展和電子計算機技術在工程領域內的廣泛應用,A/D 轉換器的設計思想和製造技術層出不窮 。由於其通用性, 其接口、參考電壓等都有其特殊的限製。通常在單片機實時測控和智能儀表中, 大都要求精度高於 0.1%,A/D 轉換分辯率高於 11 位(二進製), 轉換速度為每秒幾十次。特別是在批量生產的智能儀表中,還要求 A/D 的價格在滿足性能要求的情況下, 價格盡可能的低 ,以期實現較高的性能價格比 。根據分析並考慮傳感器部分的激勵電源的穩定度對整個係統精度的影響等因素。我們采用了文獻[ 2] 中的 A/D 轉換電路和軟件 。該電路和軟件具有價格低 、參考電壓的極性與傳感器激勵電源參考極性一致 、激勵電源電壓的變化可以通過 A/D 轉換的參考電壓的變化進行抵消或補償 ,占用單片機資源少 ,與單片機接口容易等特點。

2.4 參考電壓的形成及補償

如前所述, 信號調理電路的輸出電壓與激勵電源之間有式(1)的關係 ,當為 A/D 轉換電

路提供參考電壓的電源采用 VSS時 ,參考電壓與 VSS之間有

VREF=K2×VSS (2)

式中的 K2 為分壓係數, K2 的大小決定參考電壓的大小。則由文獻[ 2] 給出的 A/D 轉換電路的原理可得, 與被測電壓 V0 成正比反映被測物重量的計數值 N 為

N =K3×V0÷VREF (3)

代入式(1)和式(2)可得到

N =K3×K1÷K2 (4)

由上式可以看出 A/D 轉換的結果與參考電壓和傳感器的激勵標準電壓的大小沒有關係。為此 ,我們可以采用廉價的電源實現較高的係統精度, 使所設計的稱重係統既對電源的適應性較強。又大大提高了整個係統的性能價格比。

2.5顯示接口及驅動電路

根據所設計的電子稱重係統所稱物體重量的範圍 ,我們選用四位 LED數碼管來顯示所稱出的重量。

MCS -51 係列單片機 8031 具有 64K 的 EPROM 和 RAM 的尋址能力 ,通過讀寫信號的不同來區分是對程序存貯器或是數據存貯器進行操作。由於我們采用的 A/D 轉換電路不占用 RAM 口地址資源 ,因此 ,僅采用一片 74LS374 鎖存器即可完成顯示數據段碼的鎖存和驅動。這樣處理即簡化了接口電路又使 LED 數碼管的驅動得以實現 ,大大簡化了電路, 降低了成本。也使數據輸出時直接可以通過一條數據寫指令完成 。四位數碼顯示的位地址,采用 8031 的 P1 口的 4 個端子即可以實現。其電路如圖5 所示 。

2.6 通訊接口電路

MCS -51 係列 8031 單片機 P3口的P3.0和 P3 .1是一對複用的端子 。既可以作為一般的輸入輸出線 , 也可以作為串行口使用。但P3 .0和 P3.1作為串行口使用時 ,由於其電平為 TTL 電平 ,其傳送的數據的距離有限。一般來講 ,電子稱重係統所放的位置與結算機是有一定的距離的, 因此 ,直接采用 TTL 電平 ,而不加驅動 ,數據傳速的速率和可靠性都是較低的 。RS -232 標準接口電平與 TT L 電平相比, 大大提高了數據信號的傳輸距離 ,也提高了其抗幹擾能力 。但由於其接口中需要 +12V 作為其邏輯“0” , -12V 作為其邏輯“1” 。因此,在形成其接口時設備中應該有 ±12V 電源存在。這是使用 RS -232 標準接口不便的原因。盡管也有采用單三級管電路實現 RS -232 接口的電路而不需要±12V電源, 但前提條件是相互通訊的兩端中, 必須的一端是標準 RS-232 接口, 以供利用。考慮到既要提高通訊距離 ,又能夠直接使用電子稱重係統中的+5V 電源而不必另加電源這一要求,我們選用了 RS -422 標準 。RS -422 標準接口采用平衡驅動和差分接收方法, 從根本上消除信號地線 。它能夠在較長的距離(1km)內明顯地提高數據速率 ,並且抗幹擾能力也大大加強 ,圖 6 給出了采用一片 MC3486 和 MC3487 形成 RS -422 標準接口的接線圖。圖中采用了 MC3487 中的一個驅動電路作為反相器, 用以保證在 8031 複位時, MC3487 處於高阻狀態 。

3 軟件框圖及編程要點

本帶通訊接口的電子稱重係統的軟件, 采用 MCS -51係列 8031 匯編語言編製而成。由於 8031CPU 的較強的硬件和軟件功能, 使我們通過軟硬件的結合順利實現了普通電子稱重係統應具有的功能 。如除皮、零點調整等 , 電子稱重係統的主程序及各部分子程序框圖如下各框圖 。從框圖上可以看出, 串行通訊部分采用了中斷方式,也即是電子稱重係統的數據向結算微機的傳送與否 ,既取決於電子稱重係統的數據有否更新 ,也取決於結算微機是否申請讀取數據 。當結算微機申請讀取數據而稱重係統又有數據更新時,數據傳送才能實現。同時在數據傳送程序中加入了抗幹擾措施。即隻有雙方默認的協議實現時 ,通訊或數據的傳送才得以順利進行。

4 結論

本文介紹的係統采用了一些獨特的硬件電路和軟件編程技術, 使所研製的電子稱重係統與國內同類型係統相比 ,具有配置靈活,功能齊全,造價低、可靠性高等特點。文中采用的技術對其它類似係統的設計也有一定指導意義。

本文源於網絡轉載，如有侵權，請聯係刪除