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有关智能电子秤中自动校秤功能的研究与应用

时间:2017-09-04 14:23   来源:http://www.shzrhq.com   访问量:

本文着重阐述了如何在软件上和硬件上实现智能电子秤自动校秤的功能。

一、前言

电子秤在冶金行业得到了广泛的应用新产 品层出不穷,但性能价格比高的不多。在充分保障 质量的前提下,含有自动校秤功能的产品,附加功 能过多,价格昂贵,不宜大范围使用。然而,在实际 生产过程中,自动校秤,又是一项非常重要的功能 可大大提高校秤的效率和精度,降低人为因素在校 秤中的影响,对于不可反复加卸砝码的校准对象尤 其适用。因此,在具有基本毫伏变送器特性的电子 秤基础上,增设自动校秤功能,将是非常有意义 的。本文提供了一套完整的解决方案。

二、基本原理

1、目标校验曲线(GO)

在量程范围内,电子秤的目标校验曲线,如图1 GO所示,是一条穿过坐标原点,相对坐标横轴, 角为45°的直线。表明秤体所加校验砝码值和电子秤 显示输出值,在允许的误差范围内。保持一致。

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2、实际校验曲线(G1)

以图1为例,G1是一条超出允许误差范围 的实际校验曲线。因电子秤零点的漂移,在坐标原 点处产生了皮重TareO)因电子秤线性放大倍数 (SpanO)的改变,造成与坐标横轴倾角的偏差。

3、理论校验过程

把实际校验曲线G1)调整到目标校验曲线 (GO)的过程,就是理论校验过程。以图1为例,首先 G1向下平移,使其正好穿越坐标原点,完成电子 秤的零点校准(俗称去皮操作)形成G2,然后以坐标 原点为中心逆时针旋转G2直至GOG2与横坐 标轴的倾角一致为止完成电子秤的线性放大倍数 的校准(俗称量程校准)。这样就一次性完成电子秤 的校准工作。

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4、人工校验过程 以图2为例:平移操作过程中,因为电子秤硬件 分辨度的局限性,所以不可避免地造成了皮重残值 Tarel的存在,只能形成近似G2G3旋转过程中, G3以其和横坐标轴的交点为中心,逆时针旋转,直 G3GO交点的横坐标值等于校秤所加最大砝 码值Wmax值为止,结果产生Gt G4与横坐标轴的 倾角小于GO的目标值,电子秤存在线性放大倍数 的误差。皮重残值随线性放大倍数的增大而增大, 达到电子秤硬件最小分辨值后,显现出来,造成电 子秤零位误差。对于人工校秤,只能通过逐次逼近 的方法,反复加卸砝码,直至G4在要求的误差范围 内达到与GO重合。

5、自动校验过程

以图3为例:平移操作后,形成近似G2G3 旋转过程中,G3以其和横坐标轴的交点为中心,逆 时针旋转,直至G3与横坐标轴的倾角等于GO的为 止,形成G5并完成电子秤线性放大倍数的校准。再 次进行平移操作,G5向下平移,直至在要求的误差 范围内与GO重合为止。这样,就一次性完成了电子 秤的校准工作。

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三、硬件实现

如果电子秤需具备自动校秤的功能首先要在 硬件上实现。这包括电压可控零点迁移前置放大单 元,数字可控零点迁移量发生器数字可控增益放 大单元,A/D转换单元,计算控制中心,D/A转换单 元,人机接口单元等。其中:

1、电压可控零点迁移前置放大单元

如图4所示:由一片0P - 227运放IC1,二种规 格的精密电阻Rl. R2, 些辅助性元器件组成。结 构简单,性能可靠,一般情况下完全可以取代专用 仪表运算放大器。输入输出关系如1)式所示

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VI = - (V0+ -VO-)* (1 +R1/R2) -UTare) (1)

:K1 =1 +R1/R2

J:V1 =-((V0+-V0_)*K1-UTare) (2)

其中:V0+ 传感器输入正信号 V0- 传感器输入负信号 K1 放大单元增益 UTare 零点迁移(去皮)电压信号 VI 前置放大单元输出

2、数字可控零点迁移量发生器

如图5所示:用DAC0831 8位带双缓存器与微 处理器兼容的D/A转换器,把电压基准信号- Vref)分成256按微处理器提供的8位二进制码 (Dtare),合成所需的零点迁移电压彳旨号,通过运放 IC2 输出 UTare

另外,通过电压基准集成芯片与衰减器产生所需的电压基准信号-Vref)大小以压头输出最大 毫伏信号乘以K后的60%为宜

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UTare = - ( - Vref) * Dtare/256 (3)

其中-Vref 电压基准信号

Dtare 8 位二进制码(Dtare)

3、数字可控增益放大单元 如图6所示:同样用DAC0831 8位带双缓存器 与微处理器兼容的D/A转换器,把前置放大单元输 出电压信号(VI)分成256份,按微处理器提供的8 位二进制码(Dspan),合成所需的增益放大单元输出 电压信号,通过运放IC3输出V2

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如图7所示:DAC0831内部为电流开关R-2R 梯形网络结构。因外接运放,Ioutl端虚地,Iout2 地,无论电流开关状态如何,内部等效电阻均为R (15k)等于 Rfb(15k)D

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J:V2= - V1*K2 (6)

4A/D转换单元

12A/D转换芯片AD1674实现模拟量 Y2到数字量Din的转换。选择(0 ~ 10V)通道输人 正确连接并调整参考电压,使正负5V电压对应于 (0 ~ 4095)12位二进制码输出:

-5V~0V = 0~2048 (7)

0V = 2048 (8)

0V + 5V = 2048 ~ 4095 (9)

5、计算控制中心

ATMEL公司生产的AT89C51八位单片机为 中心,辅助外围数字扩展芯片所组成。控制人机接 口单元完成人工命令及参数的输人并显示称量数 据及参数,控制零点迁移量发生器据称量对象皮重 大小产生相应的UTare控制增益放大单元据传感 器特性及所需量程产生相应的K2控制A/DD/ A转换单元完成模/数间的相互转换以便内部数字 量的计算和外部模拟量及数字量的输出,控制 AT24C04实现电子秤内部参数的不掉电记忆。

6D /A转换单元及人机接口单元等

单片机输出12位二进制码Dout,12D/A 转换芯片MAX508转换为1 ~5V)标准信号,再经 模拟电路转换为4 ~ 20mA)标准信号,作为电子秤 所测重量输出信号。还可直接由单片机驱动并口输 12位二进制码或BCD码作为所测重量输出信 号。

实现自动校枰功能,电子秤必须具有人机接口 单元,包括键盘,显示窗口等。自动校秤时,在电子 秤显示窗口的提示下。由人工输入如自动校秤” “自动去皮等任务命令及所加最大砝码值“满量 程等参数命令,再由单片机自动完成相应的工作。

四、软件实现 对于自动校秤功能的实现,本文着重阐述上 文中自动校验过程的软件实现。具体包括:G1 G3的平移操作,G3G5的旋转操作,G5G0 再平移操作的软件实现。其余硬件操作方面等的软 件部分这里不作赘述。

1、参数寄存器设置

STARE微小皮重寄存器,双字节,放置自动去 皮操作后不能去除的皮重数据(0~4095),这是由于数字可控零点迁移量 发生器分度局限性造成的。

FAMA人工输入的,当前所加校秤砝 码重量值。

ALL人工输入的,要求电子秤显示的 满量程数据。

ADFULL满量程输入时最大且小于正数上限 (2048)A/D数据寄存器,以取得电 子秤满量程范围内最大的分辨率。

Dtare单片机用以控制零点迁移量 发生器的参数寄存器(0 ~ 255)

Dspan单片机用以控制增益放大单 元的参数寄存器(0255)

ta改变增益前的微小皮重净值 newta改变增益后的微小皮重净值 Kol7  Dspan Knew改变增益后的Dspan

2G1G3的平移操作

由单片机改变Dtare值,控制UTare大小,完成 G1G3的平移操作。达到尽可能去除皮重的目 的。

具体采用逐次逼近法:首先从Dtare的最高位 Dtare. 7开始,置位Dtare. 7,采集重量数据W1,如果 W1等于负数,清零Dtare. 7,如果W1等于正数或 零,保持Dtare.7然后同理依次操作Dtare. 6 Dtare. 0,从而找到一个使W1为最小且为非负数的 Dtare,并把W1值作为皮重残值存于ta

3G3G5的旋转操作

由单片机改变Dspan值,控制可控增益放大单 元的增益大小直至找到ADFULL及新的STARE 以备显示与输出使用。

具体采用逐次逼近法:首先从Dspan的最高位

Dspan. 7开始,置位Dspan. 7,采集重量数据净值W2 (0-2048),按式10确定newta,按式11确定改变 Dspan后砝码净重值W3按人工输人的FAMA ALL确定满量程输人时的净重值W4(12)和毛重 W5 (13),如果W5大于2047,清零Dspan. 7,如 W5不大于2047,保持Dspan. 7,然后同理依次操 Dspan. 6Dspan. 0,最终确定Dspan,找到AD- FULL(14),存储新的STARE(15)。另外下列各 式实现中还需考虑参数正负时的不同情况,这里不 作赘述。

newta = ta * Knew/Kold (10

W3 = W2 - newta (11

W4 = W3 * ALL/FAMA (12

W5 = W4 + newta (13

ADFULL = W5 (14

STARE = newta + 2048 (15

4G5GO的再平移操作 实质上自动校秤巳完成,再称量时,采集重量数 W0(0~4095)按式16即可完成G5GO的再 平移操作,取得重量数据净值W2(0~2(M8)按式 17确定电子秤显示重量数据WSHOW,按式18 定电子枰模拟量输出值D/A数据WDA

W2 = WO - 2048 (16)

WSHOW = W2 * all/ADFULL (17)

WDA = W2 * 2048/ADFULL + 2048/4 (18)

五、结束语

使用本方案研制成一款本安型电子秤置于 现场使用,性能优异,效果良好


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