1、 PAGE34 / NUMPAGES39摘要隨著傳感器技術、電子技術和微機技術的崛起，動態稱重技術得到了迅速發展。動態稱重系統在數字化，智能化等方面有長足的進步，稱重系統的研究與開發也進入了一個嶄新的階段。傳輸帶動態稱重系統是對傳輸帶上的散狀固體物料或粉料進行連續稱量的系統，在電力、化工、煤炭、糧食等行業都有較廣泛的應用，市場需求巨大。但是，我國自行研制的相關產品普遍功能單一，精度不高。所以改善現有稱重裝置、開發研究功能齊全的動態稱重系統是勢在必行的。設計了一套基于單片機的傳輸帶動態稱重系統，很好的解決了上述問題。首先對硬件電路所需的器件進行介紹。說明系統所應用的稱架和傳感器的類型。選擇系統所

2、用微處理器，模數轉換器等。具體提出了系統硬件和軟件的設計方法，給出了數據處理算法和其編程的設計。系統使用24位精度模/數轉換芯片AD7730轉換稱重傳感器信號，保證了數據轉換的高精度。經過實驗證明，該系統能夠有效提高動態稱重系統的計量精度，誤差在0.2%以。并且系統功能完善，實現了計量數據的實時監控顯示和保存打印，系統擴展了現場總線接口，很好的滿足了工業自動化和管理現代化的需求。關鍵詞：動態稱重 傳輸帶 AD7730 現場總線；AbstractWith the development of technology of sensor,electronic and computer,the dyn

3、amic weighing technology is developing rapidly.Weighing system made significant progress in the digital and intelligent,the research of Weighing system has entered a new phase.Belted dynamic weight equipment is designed for continuous weighing the bulk solids or powders on conveyor belt.And it is wi

4、dely used in the fields of electricity,chemical,coal and food.However,our related products generally with single function and low precision.Therefore,the improvement of existing weighing devices,research and development functional dynamic weighing system is imperative.This paper designs a belted dyn

5、amic weighing system based on SCM,which is a good solution to this problem.In this paper,the overall structure of the weighing system is present first,and detailed analysis of the system model and working principle.It analyzes the cause of dynamic measurement errors,and builds a mathematical model f

6、or dynamic measurement errors of single-idler electronic belt conveyor scale.According to the model,the proposed approach use algorithm to correct errors.Solved the problem of low dynamic measurement accuracy.Then the design of system hardware and software is present.And data processing algorithms a

7、nd their programming design.System uses 24-bit precision A/D converter AD7730 convert the weighing signal to ensure high-precision measurement results.The result has shown the measurement errors are effectively reduced,and the measurement accuracy can up to 0.2%.The system presented in this paper is

8、 characterized by high precision,good stability and achieved the functions of real time monitoring and data preservation.And with the Profibus interface,this system was well positioned to meet the requirements of industrial automation and management modernization.Key words： Dynamic weighing Transmis

9、sion beltAD7730Profibus目 錄摘要Abstract1緒論 11.1 背景與意義11.1.1背景 11.1.2意義 11.2國外發展現狀21.2.1國外稱重技術發展現狀 21.2.2國外稱重技術發展趨勢 31.3主要工作與論文結構52系統整體設計 62.1系統結構概述62.2動態稱重計量原理72.3小結83系統器件簡介 93.1稱架和傳感器93.1.1稱架介紹 93.1.2稱重傳感器介紹與選擇103.1.2.1稱重傳感器的分類 103.1.2.2稱重傳感器的選擇 113.1.3測速傳感器介紹與選擇133.1.3.1測速傳感器分類 133.1.3.2測速傳感器選擇 153.2

10、 小結 154系統硬件設計 174.1系統硬件概述174.2系統微處理器174.2.1功能特性描述174.2.2引腳功能描述184.3系統模數轉換器 194.3.1 AD7730的工作原理 204.3.2 AD7730部結構 .204.3.3 AD7730與單片機的接口設計214.4數據采集電路通信接口設計224.4.1串口通信 224.4.2 RS-232C標準 234.4.3 MAX232芯片簡介234.4.4串口通信接口電路設計234.5程序下載線連接244.6傳感器接口設計254.7 PROFIBUS-DP接口擴展264.8小結275單片機軟件設計285.1Keil C51介紹 285

11、.2單片機系統軟件設計 285.3主程序模塊流程框圖 29結論30致31參考文獻32附錄341 緒論1.1背景與意義1.1.1背景對物料重量的動態稱重在工業生產和流通貿易中占據重要地位，其中動態稱重計量工具是不可缺少的計量工具。在各種大宗散裝物料的傳輸帶上，都廣泛應用動態稱重計量工具，起到了提高計量精度、縮短作業時間、提高管理效率、節約資源和改善經營等多方面作用。目前動態稱重計量工具已經遍與各個領域，帶來了顯著的經濟效益。隨著國民經濟迅速發展，貿易商品流通量不斷擴大，傳統的動態稱重計量工具已經不能適應時代的發展，需要新產品在自動化生產和現代化管理兩方面不斷提高。隨著近幾十年計算機技術、微電子技

12、術和傳感器技術的崛起，動態稱重技術在智能化、數字化和計量迅速化方面都有了長足進步。新型的動態稱重計量工具不僅僅是提供重量信息的獨立儀表，而是現代工業一體化和管理自動化的重要組成部分。所以新型動態稱重系統不但要能快速、準確提供計量數據，還需要消除人為和環境造成的誤差，提高計量精度，并且應具備計量數據實時監控、數據保存和數據管理等功能。1.1.2意義傳輸帶動態稱重設備是對傳輸帶傳送的散狀固體物料或粉料進行連續稱量的設備，有著應用行業面廣、使用目的廣泛等特點，實現了物料儲存、運輸和稱量的一體化。廣泛應用于大宗散狀固體物料或粉料的運輸、加工、儲存行業，如港口、倉庫、冶金、煤炭、電力、建筑和煙草等行業。

13、從使用目的方面而言，可以精確監管生產環節，提高結算精度，還可用于組成各種自動化配料系統和工業控制系統。隨著目前企業工業生產自動化和管理自動化程度的不斷提高，迫切需要提高自身的生產效率，這就需要性能更好更完善的傳輸帶動態稱重設備。但是，目前國的相關產品品種少，且功能單一，不能滿足企業的迫切需要，所以改進傳統設備，研究開發性能好功能完善的傳輸帶動態稱重系統是勢在必行的。本課題正是針對這一問題，開發的動態稱重系統具有計量精度高，穩定性好，并且系統還實現了上位機實時計量數據可視化和數保存打印功能，其界面直觀，便于使用，從而杜絕不真實計量現象，維護了企業和客戶的利益，方便了計量工作。另外系統擴展了現場總

14、線接口很好的滿足了工業自動化和管理現代化的要求。1.2國外發展現狀1.2.1國外稱重技術發展現狀動態稱重技術的發展可分為以下四個階段：(1)動態稱重技術起源 世界上最早的動態稱重裝置出現在19世紀末期的西方國家，用于輸送機對散狀固體物料動態自動稱重。1880年第一臺動態稱重裝置獲得計量許可。1908年第一個動態稱重專利在英國公布。自此，形成了較完整的動態稱重技術定義和動態稱重裝置，拉開了動態稱重技術發展的序幕。(2)純機械式動態稱重裝置 第一代成熟的動態稱重裝置以純機械式皮帶秤為主導，只有帶配重物的秤架結構和增量式碼盤結構的編碼裝置，實現了簡單的速度和重量數據的采集，但由于受到機械裝置制造水平

15、的限制，精度很差，而且計量過程復雜繁瑣。1970年英國制定了第一個系統的動態稱重檢驗模式，標志著動態稱重行業走上規化道路。(3)傳感器和儀表結合式動態稱重裝置 二戰后，隨著傳感器技術和電子技術的飛速發展，出現了傳感器和電子儀表結合的第二代動態稱重裝置。使用光電脈沖式或磁電脈沖式傳感器測量速度，電子儀表通過模擬積分放大電路或數字積分放大電路實現配重平衡、啟動識別和流量累加功能。第二代動態稱重裝置在計量精度和計量過程簡化上都有了很大程度的提高，但是仍然存在計量精度較低和缺乏誤差糾正等缺陷。(4)傳感器和微機結合式動態稱重裝置 隨著近十年來傳感器制造工藝和微機智能技術的崛起，為動態稱重裝置的性能大幅

16、度提高創造了有力條件。第四代動態稱重裝置不但在計量精度上有了長足進步，而且在機構集成化和功能完善化方面取得了進步，可以根據企業現場環境的需求研制不同類型的傳感器微機智能化動態稱重系統。目前正在使用的傳輸帶動態稱重裝置種類繁多，結構形式不同，分類依據多種多樣。從秤架結構類型分有：單托輥秤架、多托輥雙杠桿秤架、懸臂式秤架、懸浮式秤架等結構，其中單托輥秤架由于結構簡單、安裝便捷等特點，市場占有率較高。從使用的稱重傳感器類型分有：電阻應變片式傳感器、磁壓式傳感器、差動變壓式傳感器和核子式傳感器等，其中電阻應變片式傳感器應用最為廣泛。目前使用的動態稱重裝置較為成熟的有：電子傳輸帶稱重裝置、核子傳輸帶稱重

17、裝置和激光-核子傳輸帶稱重裝置。(1)電子傳輸帶稱重裝置 電子傳輸帶稱重裝置依靠稱重傳感器測量傳輸帶上的物料重量數據，一般使用接觸式測速傳感器測量傳輸帶運行速度，這導致計量精度受制于機械結構，計量結果誤差來自傳輸帶力、自重、抖動等多種因素。所以這種動態稱重裝置計量精度不穩定，維護工作繁瑣，需要每隔一段時間對裝置各項參數進行調節，以達到所需精度。而且這種動態稱重裝置適用于大量散狀物料較長時間累積流量的連續計量，測量瞬時重量的精度不高，難以滿足某些對物料瞬時重量要求較高的使用場合。(2)核子傳輸帶稱重裝置 核子傳輸帶稱重裝置是利用伽馬射線對傳輸帶上的物料進行計量。當伽馬射線強度一定時，射線穿過物料

18、的衰減強度與物料的成分、密度、厚度等參數呈指數關系。計量時將載物時的射線強度的連續測量數據與傳輸帶空載時的測量數據進行比較，再與測量的傳輸帶速度進行計算，可以直接得到物料的瞬時載荷重量、累積物料流量等計量數據。由于核子傳輸帶稱重裝置的工作原理是基于伽馬射線穿透物料時的衰減規律，是非接觸式測量，有安裝獨立簡便、后期維護容易、計量精度不受機械裝置影響等顯著優點。但是，伽馬射線的衰減強度與射線方向上的物料厚度有直接關系，這使得核子傳輸帶稱重裝置的計量結果受物料形狀影響很大。實驗證明，一樣載荷的同種物料不同的擺放形式下，計量的結果相差很大，甚至高達17%，存在物料形狀影響導致核子傳輸帶稱重裝置計量精度

19、較差的問題。(3)激光核子傳輸帶稱重裝置 激光-核子傳輸帶稱重裝置工作原理是利用伽馬射線輻射測量傳輸帶上物料的密度，利用激光圖像分析來測量物料的堆積體積，進而計算出傳輸帶上物料的重量。由于這兩種測量技術都是非接觸式測量，所以激光-核子傳輸帶稱重裝置具有：裝置結構簡單、安裝便捷、不受機械性能影響、后期維護簡便、能準確測量瞬時重量等顯著優點。而且激光圖像分析技術彌補了核子測量技術的缺陷，測量結果不受傳輸帶上物料擺放形狀的影響，使得這種裝置計量精度較好。但是，這種裝置的成本較高，而且伽馬射線的輻射對物料部結構的穩定性和工作人員的身體健康都是不利的，所以激光-核子傳輸帶稱重裝置應用并不普遍。傳輸帶稱重

20、技術最早傳入我國是在本世紀60年代，經過幾十年來不斷的發展與完善，品種不斷增多，在我國工業生產自動化中發揮了巨大作用。傳輸帶稱重方式由靜態發展到動態，計量方式由模擬量轉變為數字量，測量參數由單個參數轉變為多個參數測量。隨著傳感器工藝的提高和微電子技術的崛起，我國傳輸帶動態稱重技術的研究得到了進一步發展。但是，由于核心技術與工藝落后、機械設備與電子儀表老化、新產品研發能力欠缺等因素困擾，我國相關產品的質量和品種都與發達國家相差甚遠，而且功能單一，可靠性差。所以目前相關產品的性能和品種，不能滿足中國現在和未來的巨大市場需求，這就為傳輸帶動態稱重設備的研究開辟的廣闊前景。1.2.2國外稱重技術發展趨

21、勢隨著傳感器制作工藝和微機技術的不斷發展，加之引入模糊控制理論、神經網絡、建立數學模型、人工智能、阻尼振動理論等技術，稱重計量系統向著功能自適應、智能化信息處理方向發展。國際上已經取得了動態稱重技術的突破，稱重技術已經跨入了高科技領域。目前，稱重技術的主要發展趨勢為以下幾個方面：(1)小型化 體積小、重量輕、便于安裝調試。近幾年稱重裝置的研究特點上，充分體現了秤架結構向小、輕、薄方向發展。為了適應低容量的計量場合，可將傳感器制成薄或超薄型稱重傳感器直接嵌入秤架受力的鋁板或鋼板底上與傳感器外徑一致的盲孔，從而組成低外形的秤架結構，通過秤架的力學要求和額定載荷可以計算出稱重傳感器的安裝位置和使用數

22、量。秤架的鋁板或鋼板就是稱重平臺，稱重傳感器既作為計量裝置，又作為秤架支點存在，這種設計極精簡了裝置結構，減少了機械連接環節，不但縮減了制作成本，而且提高了裝置的可靠性和穩定性。對于較大容量的平臺稱重裝置和電子地上稱重裝置，采用長方形或正方形閉合截面的薄壁鋼排列成一個竹排式秤體結構，在最外邊兩根薄壁鋼兩端的切口分別安裝4個稱重傳感器，稱重傳感器的固定支撐結構就是秤架的受力支點，這種設計既能簡化稱體結構，又能縮減稱體高度，是一種很有發展前景的設計方式。(2)集成化 對于一些特定結構的稱重裝置，如專用稱重裝置、小型電子秤、靜態電子軌道秤以與便攜式靜動態輪軸秤等產品，可以實現稱重傳感器與鋼軌，稱重傳

23、感器與秤架，稱重傳感器與軌道秤臺的集成化。例如稱重傳感器與秤架集成化的靜動態便攜式電子輪軸秤，其集成化結構由厚質硬鋁合金板制成，主要原理是通過固溶熱處理來強化硬鋁合金板，在合金板4個角通過銑槽或鉆孔的方式安裝4個懸梁式稱重傳感器，或者在合金板的地面通過銑槽或鉆孔的方式安裝多個剪切梁式稱重傳感器。從而使秤架與稱重傳感器高度集成化。(3)智能化 稱重裝置的計量顯示與控制部分與微型計算機相連，通過微型計算機的智能化處理增加稱重裝置的顯示和控制功能。使得稱重裝置在保留原有功能基礎上增加了自適應、自診斷、自組織、推理和判斷等智能功能。這方面提高就是智能化稱重裝置的顯示與控制器與目前普遍使用的微機控制顯示

24、與控制器的主要區別所在。(4)綜合化 稱重技術未來的發展方向是在加強基礎研究的基礎上擴大應用圍，擴展應用領域，向相關行業和學科滲透，應用各個學科的技術綜合化的解決計量稱重、信息處理、自動控制等問題。對于某些應用場合，只具備計量、顯示、量化等功能的稱重裝置遠遠不能滿足用戶需求。隨著生產自動化和管理一體化的進程的不斷推進，稱重裝置應具備：稱重、計價、提供各項相關信息、出入庫管理、網絡服務等各項功能。需要電子稱重設備與計算機和互聯網相連，共同組成一個綜合化生產控制系統。(5)組合化 在某些重量計量場合或過程中，為滿足實際需求，還需要電子稱重裝置具備一定的組合能力。如機械部分根據實際場合的調整，與外圍

25、設備的組合，系統硬件與外圍設備的連接，調節計量圍和精度，通過軟件設置調整輸入輸出方式、通信方式等功能。1.3主要工作與論文結構(1)進行系統整體設計規劃 將軟、硬件按實現的功能劃分成析系統所用各傳感器的性能，全面了解被采集信號的各項指標。(2)設計系統硬件與制作PCB板 實現對系統稱重傳感器和采集、上位機通信、在線編程等功能，制作原理圖與PCB板圖。本論文結構如下：1緒論 闡述了本課題的研究背景與意義，介紹外研究發展現狀，最后總結了自己所做的工作，并且給出了論文結構。2系統整體設計 提出了傳輸帶動態稱重系統的總體系統的基本結構和計量原理。詳細說明了系統實現的功能。3系統器件簡介 主要包括稱架和

26、傳感器類型，系統微處理器和模數轉換器的選擇。4系統硬件電路設計 詳細介紹系統的硬件設計，數據采集電路和通信接口的設計，傳感器接口設計，現場總線接口的擴展，重點介紹基于AD7730芯片的稱重傳感器數據采集電路的設計與實現。2 系統整體設計2.1系統結構概述傳輸帶動態稱重系統由五部分構成：秤架、稱重傳感器、測速傳感器、數據采集電路和工控計算機。采用單托輥秤架、梁式稱重傳感器和接觸式測速傳感器的傳輸帶動態稱重系統結構示意圖如圖2-1所示。數據采集電路工控計算機稱重傳感器測速傳感器圖2-1 傳輸帶動態稱重系統結構示意圖物料在傳輸狀態下，稱重傳感器和測速傳感器將傳輸帶上物料的瞬時重量和瞬時速度轉換成電信

27、號，數據采集電路采集該電信號并進行適當處理，然后送入工控計算機進行量化和計算，最后顯示流量累計結果。擴展功能通常是靠開發軟件完成的，如監控功能、報警功能以與數據庫相關功能。2.2動態稱重計量原理通常情況下，計算傳輸帶上物料的流量需要采集物料的瞬時重量數據和傳輸帶的瞬時速度數據。物料的瞬時重量需要連續采樣或者周期采樣計量區段傳輸帶托輥所受到的壓力。傳輸帶的瞬時速度可以通過接觸式和非接觸式兩種方式獲得，再經過一定的算法來減小誤差。物料的瞬時重量和傳輸帶的瞬時速度進行運算，可得傳輸帶上物料的瞬時重量和累計流量。瞬時重量為某一瞬間傳輸帶上的物料重量，累計流量為某一段時間傳輸帶上所通過的物料總重量。目前

28、主要通過積分法和累加發計算物料的瞬時重量和累計流量。目前計算物料流量和累計重量主要采用的方法有積分法和累加法(1)積分法 積分法計量流量時，首先測量傳輸帶上輸送的物料的瞬時重量q(kg/m)和一樣時刻傳輸帶的瞬時速度u(m/s)，相乘可以得到傳輸帶上物料的瞬時流量W(t)(kg/m)： (2-1)式（2-1）算出的是傳輸帶某一時刻的瞬時流量，但傳輸帶上的物料瞬時重量和傳輸帶的瞬時速度都是隨時間不斷變化的，所以瞬時流量W(t)對時間的積分可以得出T段時間傳輸帶的累積物料流量W： = （2-2）式中q(t)瞬時荷重值u(t)瞬時皮帶速度傳輸帶的速度可由采樣間隔距離L和走過L段程度所消耗的時間T來計

29、算： （2-3）式中T走過占L長度所需的時間L采樣間隔行程(2)累加法 用累加法計量傳輸帶上物料流量時，傳輸帶每移動距離S時，就對傳輸帶的瞬時重量采集一次，這是傳輸帶整體的加權重量，會與實際重量有一定的差距。然后通過近幾次的瞬時總量采樣計算出S段的瞬時重量值qi。把n段測量的瞬時重量累加就讀出傳輸帶走過nS段長度的累積流量W： （2-4）累加法計量原理如圖2-2所示nSS圖2-2 累加法計算物料流量t時刻傳輸帶上物料的瞬時重量可以由W對時間微分求的： (2-5)使用累加法計算物料流量可以很好的減少皮帶跳變和傳感器轉換誤差對計量結果的影響，并且經過大量實驗證明使用累加法要比采用積分法的準確度高，

30、所以對計量精度要求嚴格的系統均采用累加法方式計量。本系統設計正是基于累加法計量物料流量和累計重量。2.3小結本部分提出了系統的設計方案，闡述了傳輸帶動態稱重系統的基本結構和計量原理。詳細說明了本系統的組成結構和實現的功能，介紹兩種基本計量算法，對優缺點進行了對比，選擇累加法作為系統的基本計量算法。3 系統器件簡介3.1秤架和傳感器傳輸帶動態稱重系統的載重部分稱為秤架。秤架安裝在傳輸帶輸送機上，在完成輸送功能的同時實現傳輸帶上物料的動態稱重。物料流過傳輸帶時，秤架上的稱重傳感器和測速傳感器將秤架瞬時重量和傳輸帶瞬時速度值轉換成電信號，并由數據采集裝置采集。3.1.1稱架介紹在系統計量過程中，由于

31、運行中的傳輸帶的力，抖動和跑偏等因素對流量計量結果的影響甚大，這種影響又稱“皮帶效應”。為減輕這種影響，以與安裝難度和設備成本等考慮，秤架的種類繁多。單托輥秤架因其安裝方便，維護量低，信號響應速度快等明顯優點，占據了市場份額的50%以上，但在秤架設計中沒有消除傳輸帶力對稱重結構的影響，需要設計算法來消除誤差。為保證研究的普遍意義和實用價值，本系統選擇單托輥秤架作為研究對象，并通過算法有效消除了水平力對計量結果的影響。過渡托輥稱重托輥傳輸稱重傳感器支撐架配置平衡重物 稱重傳感器只安裝在一組托輥上的稱架結構稱為單托輥稱架.如圖3-1所示，單托輥稱架由安裝了稱重傳感器的稱重托輥，稱重托輥相鄰的兩組過

32、渡托輥和稱架支撐結構共同組成。其中稱架支撐結構分為平衡杠杠支撐和直接支撐，平衡杠杠支撐結構還可以選擇是否配置平衡重物。圖3-1 配置平衡重物的單托輥稱架結構示意圖配置平衡重物重量可以實現調節傳輸帶空載時對稱重傳感器的壓力，有利于系統零點標定，確保計量精度。3.1.2稱重傳感器介紹與選擇稱重傳感器是將作用在其上的壓力轉換為等比例的電信號的儀器。隨著科學技術的迅猛發展，稱重裝置因其能實現對被測對象的迅速、精確稱量，在各行各業得到廣泛應用，而稱重傳感器正是稱重裝置的核心部件。尤其是傳感器材料技術和傳感器制作工藝的不斷提高，使得基于稱重傳感器的稱重裝置的計量區間向大噸位和微量物體兩個方向不斷延伸，并且

33、在工業自動化控制領域中已經成為一種必須的設備。而且目前幾乎所有的領域應用的稱重裝置都使用了不同種類和規格的稱重傳感器。3.1.2.1稱重傳感器的分類目前使用的稱重傳感器種類繁多，可按工作原理分類為：壓力-電荷式、壓力-電阻式、壓力-電磁式和電阻應變式稱重傳感器。下面分別介紹：(1)壓力-電荷式稱重傳感器 壓力-電荷式稱重傳感器的工作原理是基于一種離子電材料，當這種材料受到外力時，部會產生極化效應，獲得或失去一定量的電荷，從而帶電，當加在其上的外力去掉時，材料恢復為不帶電狀態。這種特性稱為材料的壓電效應，這種材料稱為壓電材料。壓力-電荷式稱重傳感器的基本工作原理就是采用這種材料研制而成的，壓力-

34、電荷式稱重傳感器的固有頻率較高，所以在適用高頻響應的場合要優于其他種類的稱重傳感器。(2)壓力-電阻式稱重傳感器 壓力-電阻式稱重傳感器的基本工作原理是基于一種具有壓阻效應的材料，這種材料在收到外力后會產生形變，并且它的電阻會隨之產生變化。利用帶有壓阻效應的材料制成的傳感器就稱為壓力-電阻式稱重傳感器。根據具體材料性質的不同，可將壓力-電阻式稱重傳感器分為半導體應變式稱重傳感器和擴散型壓力-電阻式稱重傳感器。半導體應變式稱重傳感器的基本結構類似于電阻應變式稱重傳感器，不同點是利用半導體壓電材料代理電阻應變式稱重傳感器的金屬材料制成電阻應變片，雖然也容易損壞，但與金屬材料相比具有靈敏度高和體積小

35、等優點。擴散型壓力-電阻式稱重傳感器所采用的壓電材料是半導體單晶硅。由于單晶硅材料各項極性相異，所以要根據實際受力形變情況來加工特定的應變基片，因而測量精度穩定性較差。(3)壓力-電磁式稱重傳感器 壓力-電磁式稱重傳感器的基本工作原理是基于一種具有壓磁效應的材料，這種材料在受外力時會在部產生機械應力，改變材料的磁導系數。壓力-電磁式稱重傳感器就是基于這種材料制成的。(4)電阻應變式稱重傳感器 電阻應變式稱重傳感器的基本功能是基于電阻應變計實現的，電阻應變計由電阻絲在絕緣基片上制作而成，根據電阻大小與直徑成反比于電阻長度成正比的基本原理，當應變基片受到外力作用是，其上金屬絲直徑和長度都會發生細微

36、的變化，導致所在的應變基片的電阻阻值產生變化。根據此原理，電阻應變式稱重傳感器可以將受力量轉換為電信號。由于電阻阻值只能產生細微變化，所以要使用惠斯頓橋式測量電路測量?；菟诡D橋式測量電路要求四個組成電阻的阻值相差量很小。3.1.2.2稱重傳感器的選擇傳輸帶動態稱重系統使用的稱重傳感器要具備以下幾個特征：(1)具有較高的穩定應，能在投料或輸送時造成的沖擊或振動下正常工作，而且各項系數漂移量較小。(2)零點漂移和溫漂系數較小，可以在不同溫度環境下使用。(3)裝卸簡便。傳輸帶動態稱重設備一般在大量散狀物料輸送過程中使用，不能允許整個進度停滯過長時間。(4)密封性好。防潮防粉塵，能夠適應較惡劣的工作場

37、合。(5)較好的抗跑偏與偏載性能。因為在傳輸過程中，物料分布是不均勻的，作用力偏離重心的情況是不可避免的。具備了以上幾個特性的稱重傳感器，在實際使用時還要考慮多方面因素。如傳感器的類型、傳感器的精度指標、傳感器的使用數量和傳感器的使用環境等諸多因素。(1)傳感器的類型 傳感器類型的選擇時首先要了解傳感器各項信息，如性能指標、安裝方法、原理結構、受力方式、材料材質等，這些一般由制造廠商提供。然后主要考慮稱重場合性質和安裝空間問題，既要保證安裝穩定，又要保證測量可靠安全。如材質電橋傳感器適用于汽車稱量和軌道稱量等；鋁質懸梁式傳感器適用于普通電子稱、平臺秤和案秤等；鋼質柱式傳感器適用于汽車稱量、動態

38、軌道稱量和大噸位料斗稱量等。(2)傳感器的精度和量程 選擇傳感器的精度指標時不能盲目尋求高精度的傳感器，要綜合考慮實際稱重場合的需求和成本等問題。通常情況下，傳感器指標包括蠕變系數、靈敏度、額定載荷、零點溫漂、綜合誤差、滯后、不重復性和非線性等。選用的傳感器的不重復性、非線性和滯后三項指標的均方根的值要略高于系統需求精度。傳感器的量程主要根據秤架自重、造成的最大偏載、安裝傳感器數量和動態計量等標準綜合考慮來選擇。在傳輸帶動態計量時，秤架分配到各個傳感器的載荷量越接近傳感器量程，計量精度和穩定性越高。在現場實際條件下，除了考慮分配到傳感器的載荷量之外，秤架重量、傳輸帶自重、動態振動、下料沖擊等因

39、素也會影響傳感器的量程選擇。(3)傳感器使用數量 在選擇傳感器的使用數量時，主要考慮電子稱重裝置的實際受力結構、秤架支撐點的數量和稱重裝置的用途等因素，其中秤架支點個數應由秤架實際重心和秤架幾何重心重合的原理而定。通常情況下，傳感器的使用數量等于秤架支點的數量，但也存在特殊情況，如存在吊梁結構的秤架只能在吊梁連接點處使用一個傳感器。(4)傳感器使用環境 傳感器的使用環境是一項重要的考慮因素，實際環境中的溫濕度、粉塵、振動等要素對于正確選擇傳感器至關重要，而且關系到傳感器的使用壽命、安全穩定性和測量精度。在動態稱重中，稱重傳感器的選擇對整個系統的計量精度和響應速度有直接影響，所以要結合實際需求根

40、據以上條件綜合考慮。由于懸梁式稱重傳感器是基于電阻應變原理將力矩產生的應變力轉換成與其線性關系的電信號，而且承載方式為平面載重，抗偏載和抗側向能力強。固本系統的稱重傳感器選用柯力電氣制造公司的懸梁式傳感器，該傳感器是電阻應變片式傳感器的一種。其外形如圖3-2所示。圖3-2 柯力電氣制造公司的懸梁式傳感器電阻應變式稱重傳感器的基本功能是基于電阻應變計實現的，電阻應變計由電阻絲在絕緣基片上制作而成，根據電阻大小與直徑成反比于電阻長度成正比的基本原理，當應變基片受到外力作用是，其上金屬絲直徑和長度都會發生細微的變化，導致所在的應變基片的電阻阻值產生變化。根據此原理，電阻應變式稱重傳感器可以將受力量轉

41、換為電信號。由于電阻阻值只能產生細微變化，所以要使用惠斯頓橋式測量電路測量?；菟诡D橋式測量電路要求四個組成電阻的阻值相差量很小。在各項參數指標中額定載荷、靈敏度、推薦激勵電壓三項為關鍵參數，直接關系到傳感器的合理使用和轉換數據的正確計算。該傳感器的靈敏度為2.00.003mV/V，表示當傳感器受到額定載荷重量時，每1V激勵電壓下，產生2.00.003mV輸出電壓。本系統實際采用激勵電壓為10V時，額定載荷為2t，則在2t滿量程下，輸出電壓為10(2.00.003)mV。其技術參數指標見表3-1。表3-1稱重傳感器性能參數項目性能測試參數項目性能測試參數額定載荷2t工作溫度圍-30+70靈敏度2

42、.00.003mV/V安全過載120%F.S綜合誤差0.03F.S極限過載200%F.S蠕變（30分鐘）0.03F.S推薦激勵電壓1012V DC零點平衡1F.S最大激勵電壓15V DC零點溫度影響0.03F.S10密封等級Lp66輸出溫度影響0.03F.S10材質合金鋼輸入阻抗40010電纜輸出阻抗3523Length:4m絕緣電阻5000MDiameter:5mm3.1.3 測速傳感器介紹與分析傳輸帶運行速度是計算動態稱重結構的關鍵指標，所以測速傳感器是傳輸帶動態稱重系統的重要組成部分。測速傳感器按轉換原理可分為數字方式和模擬方式，數字測速傳感器目前國外使用廣泛，使用模擬測速傳感器來檢測傳

43、輸帶運行速度的方式基本不再使用。3.1.3.1測速傳感器分類單就數字測速傳感器而言，其分類方式也很多。按傳感器采集速度信息的方式，可分為接觸式測速傳感器和非接觸式測速傳感器。其中按接觸式測速傳感器的接觸輪的大小又可分為寬式接觸傳感器和窄式測速傳感器。接觸式測速方式的基本原理是基于接觸傳輸帶的摩擦輪，當傳輸帶行駛時，依靠于傳輸帶之間的摩擦帶動自身運動，熱按通過光-電或磁-電式將速度信號轉換成電信號。接觸式測速傳感器結構簡單、安裝方便、造價低廉，所以目前被廣為采用。但依靠摩擦力的原理限制了速度的測量精度。非接觸式測速傳感器沒有與傳輸帶接觸的機械裝置。非接觸式測速傳感器理論上是可以消除接觸打滑、速度

44、損耗等接觸式傳感器不能解決的問題，并且實現直接獲得傳輸帶速度的結果。但實際使用中還有很多未能解決的問題，目前主要體現為測量穩定性差、影響結果因素多、結構復雜、造價較高等方面，所以尚未廣泛使用。按速度信息轉換為電信號的實現原理分類，可分為光-電式測速傳感器和磁-電式測速傳感器?，F在國外甚至出現了“多普勒”測量原理的測速傳感器，國也已經開發了一樣原理測速傳感器。目前比較普遍的分類方式是分為光-電轉換式測速傳感器和磁-電轉換式測速傳感器。(1)光-電轉換式測速傳感器 光-電轉換式測速傳感器的計量原理是由機械傳動裝置將傳輸帶運行時的速度轉換為光柵編碼圓盤的轉動速度，光柵圓盤的一邊放置光源，另一邊放置光

45、感元件。當傳輸帶帶動光柵圓盤轉動時，速度轉換為光柵對光線的遮擋頻率，并通過光-電轉化生成脈沖信號或具體數字編碼。故光-電轉換式測速傳感器又稱為光-電編碼器。光-電轉換式測速傳感器體積小、安裝簡便、精度高、應用圍廣，實現了數字測量和數字控制，連接計算機和相應顯示設備后可以實現實時控制和實時測量角位置。與其它種類測速傳感器相比，有性價比高、可靠性好、維護簡便等優點。根據光柵圓盤的光柵形式可將光-電轉換式測速傳感器分為增量式光-電編碼器和絕-對式光電編碼器。增量式光-電測速傳感器部圓盤上的光柵是等間距的，每道光柵為一個分辨區，產生一個周期脈沖信號，采集電路使用計數器對脈沖進行累加運算，以零點為基準位

46、置，正轉累加，反轉遞減。增量式光-電測速傳感器具有體積小、重量輕、結構簡單、響應速度快等優點，但是中途中斷計數會造成測量數據的缺失，而且會造成誤差積累。絕對式光-電測速傳感器部圓盤上的光柵是按二進制碼規律排列的，由于為每一個分辨區間設計了不同的二進制碼，所以碼盤轉動的位置不同，編碼輸出的值也不同?；谶@種設計原理，絕對式光-電測速傳感器有固定零點、無誤差的累積、中斷后不會造成數據損失、輸出量與角度符合一定函數關系和測量穩定性強等優點，但同時導致絕對式光-電測速傳感器結構復雜、體積較大和安裝繁瑣。目前使用并不廣泛。(2)磁-電式測速傳感器 磁-電式測速傳感器的工作原理與光-電式測速傳感器一樣，也

47、分為增量式和絕對式。但是磁-電式測速傳感器對環境要就較嚴格，傳輸帶的震動等狀況會導致傳感器工作異常，造成測量數據損失。3.1.3.2測速傳感器選擇綜合各方面因素考慮，本系統測速傳感器選用歐姆龍E6B2-CWZ6C增量型旋轉編碼器，該編碼器屬于接觸式軸光電編碼器。歐姆龍E6B2-CWZ6C光電編碼器。外形如圖3-3所示圖3-3 歐姆龍E6B2-CWZ6C增量型旋轉編碼器接觸式測速方式的基本原理是基于接觸傳輸帶的摩擦輪，當傳輸帶行駛時，依靠于傳輸帶之間的摩擦帶動自身運動，熱按通過光-電或磁-電式將速度信號轉換成電信號。接觸式測速傳感器結構簡單、安裝方便、造價低廉，所以目前被廣為采用。但依靠摩擦力的

48、原理限制了速度的測量精度。光-電轉換式測速傳感器光-電轉換式測速傳感器的計量原理是由機械傳動裝置將傳輸帶運行時的速度轉換為光柵編碼圓盤的轉動速度，光柵圓盤的一邊放置光源，另一邊放置光感元件。當傳輸帶帶動光柵圓盤轉動時，速度轉換為光柵對光線的遮擋頻率，并通過光-電轉化生成脈沖信號或具體數字編碼。故光-電轉換式測速傳感器又稱為光-電編碼器。光-電轉換式測速傳感器體積小、安裝簡便、精度高、應用圍廣，實現了數字測量和數字控制，連接計算機和相應顯示設備后可以實現實時控制和實時測量角位置。與其它種類測速傳感器相比，有性價比高、可靠性好、維護簡便等優點。其技術參數指標見表3-23.2 小結本部分主要介紹了系

49、統所使用的主要器件與其性能參數與特點，包括單托輥稱架、稱重傳感器、測速傳感器、系統為處理器和模數轉換器的類型等。表3-2歐姆龍E6B2-CWZ6C增量型旋轉編碼器技術參數項目技術參數項目技術參數電源電壓5V24V DC耗費電流*170mA以下辨率（脈沖/旋轉）2000輸出項A、B、Z、相輸出方式NPN集電極開路輸出輸出相位差A、B相位差9045（1/41/8T）高響應頻率*3100kHz輸出上升下降時間1us以下啟動力矩0.98mNm以下慣性力矩110-6kg允許最高轉數6000r/min軸允許力徑向：30N軸向：20N環境濕度圍3585%RH（不結露）絕緣電阻30M以上（DC500V兆歐表）

50、耐電壓AC500V 50/60Hz震動耐久10500HZ、在Hz保護回路負載短路保護環境溫度圍運動：-10+70保存：-25+85沖擊耐久1000m/s2X、Y、Z方向保護結構IEC規格IP50連接方式導線引出式材質外殼：ABS本體：鋁軸：SUS420J2質量約100g輸出容量30V DC以下35mA以下0.4V以下 4 系統硬件電路設計4.1系統硬件概述數據采集電路是系統的主要硬件部分，將稱重傳感器020mV的輸出信號由數模轉換器轉換為24位精度的數字信號，即000000HFFFFFFH中的一個值，然后送入單片機。速度數據采集部分，首先將測速傳感器輸出的脈沖信號進行光電隔離，然后由單片機對脈

51、沖計數。數據采集工作完成后，由通信接口將24位轉換數據和脈沖計數值送入上位機，在上位機中完成數據的量化和最終計算，實時顯示計算結果，并且存入數據庫。使用Altium Designer summer 08工具完成系統硬件的原理圖和PCB板圖設計。Altium Disigner Sumer 08是美國Altium公司開發的設計電路板軟件Protel的升級版本，沿襲了Protel以前版本方便易學的特點，部界面與Protel DXP大體一樣，為了適應目前高密度和信號高速度的要求新增加了一些功能模塊。在元件庫中，整合了以前Protel DXP版本和Protel 99版本等各個版本的庫文件，使功能更強大，

52、使用更方便。4.2系統微處理器由于數據采集系統要求的芯片數據存儲空間（RAM）和程序存儲空間（ROM）都較小，固微處理器選擇AT89S52芯片。AT89S52是Atmel公司推出的與MCS-51兼容系列單片機。它是一種低功耗、高性能的微處理芯片。8KB片Flash，可擦/寫1000次以上；256字節片RAM；全靜態邏輯，工作頻率圍024MHz；32個可編程I/O口；三級程序存儲器加密；一個全雙工串行口；三個16位定時/計數器；支持在線編程ISP（In System Programmable）功能。4.2.1功能特性描述AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在

53、系統可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非 易失性存儲器技術制造，與工業 80C51 產品指令和引腳完 全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統可編程，亦適于 常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統 可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應用系統提 供高靈活、超有效的解決方案。4.2.2引腳功能描述圖4-1AT89S52引腳圖AT89S52 VCC : 電源 GND: 地 P0 口：P0 口是一個 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能 驅動 8 個 TTL 邏 輯電平。對 P0 端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸

54、入。 當訪問外部程序和數據存儲器時，P0 口也被作為低 8 位地址/數據復 用。在這種模式下， P0 具有部上拉電阻。 在 flash 編程時，P0 口也用來接收指令字節；在程序校驗時，輸出指 令字節。程序校驗 時，需要外部上拉電阻。 P1 口：P1 口是一個具有部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 輸出緩 沖器能驅動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P1 端口寫“1”時，部上拉電阻把端口拉高，此時 可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 此外，P1.0 和 P1.2 分別作定時器/計數器的外部計數輸入（P1.0/T2）和時器/計數器

55、的觸發輸入（P1.1/T2EX）。 在 flash 編程和校驗時，P1 口接收低 8 位地址字節。 引腳號第二功能 P1.0 T2（定時器/計數器 T2 的外部計數輸入），時鐘輸出 P1.1 T2EX（定時器/計數器 T2 的捕捉/重載觸發信號和方向控制） P1.5 MOSI（在系統編程用） P1.6 MISO（在系統編程用） P1.7 SCK（在系統編程用） P2 口：P2 口是一個具有部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 輸出緩 沖器能驅動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P2 端口寫“1”時，部上拉電阻把端口拉高，此時 可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于部電阻

56、的原因， 將輸出電流（IIL）。 在訪問外部程序存儲器或用 16 位地址讀取外部數據存儲器（例如執行 MOVX DPTR） 時，P2 口送出高八位地址。在這種應用中，P2 口使用很強的部上 拉發送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX RI）訪問外部數據存儲器時，P2 口輸出 P2 鎖 存器的容。 在 flash 編程和校驗時，P2 口也接收高 8 位地址字節和一些控制信 號。 P3 口：P3 口是一個具有部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，p2 輸出緩沖器能驅動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P3 端口寫“1”時，部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引

57、腳由于部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3 口亦作為 AT89S52 特殊功能。在flash 編程和校驗時，P3 口也接收一些控制信號。4.3系統模數轉換器本系統稱重傳感器輸出的信號為模擬量，需要轉換為數字信號進行記錄和處理，所以模數轉換部件為本系統的重要部分，對整個系統的計量精度都會產生影響。由于懸梁式電阻應變稱重傳感器輸出為頻率較低的模擬量，所以需要模數轉換部件具有精確的計量精度，但對響應速度沒有過高要求。固本系統采用精度為24位的AD7730芯片作為模數轉換器件。AD7730是由美國ADI公司生產的24位無失碼、雙通道差分模式高分辨率模數轉換裝置，有效分辨率為21位，線性誤差0.00

58、18%。AD7730是-類型數模轉換裝置。-類型數模轉換裝置同時具備反饋比較和雙積分式兩種數模轉換器的優點，以電荷平衡式數模轉換器改良而成，-類型數模轉換裝置去掉了在電荷平衡式模數轉換器中使用的復雜的穩定式電路，取而代之為結構簡單的D觸發器，這種設計使-類型模數轉換器件自身的電路組成對元件的精度要求降到了一個很低的層面。-類型數模轉換裝置還同時具有雙積分式模數轉換器抑制串摸干擾的功能。-類型是一個閉環的連續轉換系統，所以對自身電路元器件的精度要求低于雙積分式模數轉換器，漂移與失調不會影響轉換的精度。-類型模數轉換裝置由于使用了數字式反饋比較方式，從而使用量化噪音大大降低、提高了轉換精度、增強了

59、系統的抗干擾能力、加快了相應速度、優化了線性度。-技術將量化噪聲移到了系統數模轉換頻帶之外，所以AD7730抗干擾能力強，適用于低頻信號的動態模數轉換。本系統采用AD7730轉換懸梁式稱重傳感器輸出的模擬量，并將轉換結構送入單片機進一步處理。4.3.1 AD7730的工作原理設fs為采樣頻率，該芯片采集稱重傳感器的模擬信號時采用k倍過采樣頻率kfs，部通過信噪整形電路將fs/2信帶寬度的大量量化信噪移除模數轉換器的轉換頻帶，即移至fs/2至kfs/2之間的頻帶，從而使得系統量化信噪降低到之前的1 k。由于模擬低通濾波器只能濾除大于kfs/2頻帶寬度的信噪，所以需要利用采樣抽取電路和數字濾波器來

60、濾除頻帶無用信號和量化信噪，提取期望信號，提高轉換分辨率和信噪比。使用的采用率應高于兩倍輸入信號頻率，即fs2fa，并且應符合Nyquist采樣定律的原則。用戶可以通過軟件設置AD7730的工作方式寄存器，設置-模數轉換器的數字濾波器、信噪比、采樣分辨率、采樣頻率，從而做出最優選擇。4.3.2 AD7730部結構圖4-2 AD7730部結構圖AD7730部包含24位-模數轉換器、雙路差分模擬輸入通道、校正微型處理器、雙向串行輸入輸出端口、兩級可編程控制的數字濾波器和十三個功能控制寄存器。AD7730部結構圖如圖4-2所示。其部的雙路差分模擬輸入通道，可以通過設置相應的功能寄存器的方式達到量程編