一种新型智能电子秤的设计杨纪明　吴军辉西安交通大学　西安:710049 摘　要　本文给出了一种新型智能电子秤的设计方案。

该系统以单片机作为中心控制单元,采用V F型模数转换、锁相倍频、非线性校正和数字滤波等技术。

关键词　电子秤　单片机　非线性校正　数字滤波Abstract　T h is p ap er p resen ts a new design fo r the in telligen t electron ic scale.T he m icro2 con tro ller w as u sed as the cen tral con tro l un it in the system,the techn iques of V F conversi on, PPL m u lti p lex frequency,non-linear co rrecti on and digital filter w ere em p loyed.Keywords　E lectron ic scale　M icrocon tro ller　N on linear co rrecti on　D igital filter1　引言 随着科技的进步,对电子秤的要求也越来越高。

影响其精度的因素主要有:机械结构、传感器和数显仪表。

在机械结构方面,因材料结构强度和刚度的限制,会使力的传递出现误差,而传感器输出特性存在非线性,加上信号放大、模数转换等环节存在的非线性,使得整个系统的非线性误差变得不容忽视,因此,在高精度的称重场合,迫切需要电子秤能在线自动校正系统的非线性。

此外,为了保证准确、稳定地显示,仪器内部分辨率(主要是ADC的分辨率)一般要比外部显示分辨率高4倍以上,这就要求所采用的ADC具有足够的转换位数,而采用高精度的ADC,自然增加了系统的成本。

基于电子秤的现状,本文提出了一种用单片机控制的高精度智能电子秤设计方案。

通过实时地对系统的非线性进行补偿,使测量精度得到了大大提高,由于采用数字滤波技术,使稳态测量的稳定性和动态测量的跟随性都相当好,根据该方案设计的电子秤已成功地用于航空发动机推力(范围为0～150kN)的测试,并取得了令人满意的效果。

2　硬件结构及工作原理 硬件结构如图2-1所示,称重传感器输出信号(0～200mV)经放大和模数转换后,由单片机进行数据采集,然后通过软件完成非线性校正、数字滤波和归一运算等处理,最后将测量结果送L ED显示器显示。

整个测量系统以单片机A T89C51为中心控制单元,A T89C51内含完整的多通道定时器 计数器和响应迅速的中断系统,并且具有4K字节的电可擦写程序存储器和接口方便的I O口。

设计提出的高分辨率V F型模数转换和非线性校正都是在单片机控制下完成的。

211　V F型模数转换在本系统中,采用集成芯片V FC320实现模数转换,V F320为精密电压 频率转换器,当选择10kH z满度输出时(输入电压范围:0～10V),线性度可达01005%。

由于是频率输出,运用锁相倍频电路来提高分辨率,在设计中,倍频系数取20,因此锁相环电路输出的频率范围是0～200kH z。

频率的测量由单片机的内部计数器T0完成,其计数闸门时间为0125S,闸门脉冲由时基电路产生,并通过外中断I N T0对计数器实施控制。

T0为16位计数器,计数范围是0～65535,对于满度为200kH z的频率输入,在闸门时间内的计数值为50000,根据T0的计数值,经线性校正、数字滤波、归一运算后,便可得到测量结果。

对于单片机A T89C51,当时钟振荡频率为12M H z时,T0的最大输入频率为500kH z。

如果在给定的闸门时间内计数脉冲数超过65535,可利用・45・工业仪表与自动化装置 1999年第1期计数器T 0的计数值和溢出(中断)次数来测量输入的频率,因此,此V F 型ADC 可以达到很高的分辨率。

图2-1　电子秤硬件结构图212　系统的非线性校正及实现测量系统各环节(机械结构、传感器、数显仪表)所造成的综合误差,最终反映在作用于传感器的实际被测量与仪器的显示值之间的差别上,我们将这种差别归结为整个系统的非线性误差。

系统的非线性,可通过对系统的校准来获取。

设校准时施加给传感器的(标准)作用力为S (i ),对应的仪器测量显示结果为M (i )(i 为不同的校准点),根据数组S (i )和M (i ),通过数值拟合,可以得到二者之间的关系式,即校正函数:S =f (M )由于系统的误差是系统各环节共同作用的结果,产生误差的原因比较复杂,校正函数很可能有多个拐点,为保证校正函数的拟合精度,采用分段最小二乘抛物线拟合法。

分段的原则是:每个段内的曲线只允许有一个拐点,同时记录各段两端的测量值M j m in 和M j m ax (j 为分段号)。

然后求出各段的最小二乘拟合多项式:S j =C j 0+C j 1M +C j 2M2(2-1)为了保证拟合精度,拟合多项式的系数用3字节浮点数表示。

仪器工作时,根据测量值M 的大小,自动地取出对应的拟合系数,由式(2-1)计算出校正后的测量结果。

213　数据显示电路显示电路采用单片串行输入L ED 驱动器M A X 7219,该器件与单片机接口简单,仅需3根I O 线,而且编程容易,显示方式灵活,其输入数据既可采用BCD 码方式,又可采用非编码的7段数码方式。

M A X 7219的应用大大简化了硬件电路。

3　软件设计 系统软件包括主程序和中断子程序。

主程序的功能是完成系统初始化,包括设置堆栈指针、分配内存空间、设置中断控制字以及设定计数器 定时器的工作方式等,主程序结构如图3-1所示。

为了使各环节硬件电路的输出在测量前达到稳定阶段,从而确保所测得的空载(零点)T 0计数值的正确性,仪器上电时设置了5秒软件延时,在这段时间里,同时进行系统的自检。

中断子程序包括I N T 0和I N T 1服务程序。

数据的采集、非线性拟合、数字滤波及显示控制都由・55・1999年第1期 工业仪表与自动化装置I N T 0中断程序完成;I N T 1中断服务程序的功能是键盘管理,包括响应键盘输入、键值分析和键功能的处理等。

图3-1　主程序流程图 下面重点介绍I N T 0中断服务程序的结构原理,其程序流程图如图3-2所示。

此中断每0125秒产生一次,程序进入中断后,首先是读出计数器T 0的内容,紧接着进行数字滤波处理,然后完成非线性校正、归一运算及数据的显示。

为了增加稳态测量显示的稳定性,同时又能快速地跟踪施加于传感器的作用力的变化,软件采用了改进的滑动平均值滤波方法。

所谓滑动平均值滤波,是在单片机内RAM 中开辟一个数据暂存区,待滤波的数据以环形队列结构的方式存入该数据区,即每新采集一个数据便存入暂存区,同时去掉一个最早存入的数据,然后对数据区的数据进行平均运算。

由于队列中始终保持着最近的数据,因而计算结果也反映了待测参数的最新值。

改进的滑动平均值滤波,不是每次测量都作平均处理,是否作平均运算取决于本次计数值与上次平均值的差值 M -M 。

若差值小于门限值T (T 的大小根据测量范围和测量的随机误差的大小来综合确定),说明当前处于稳定测量状态,为了稳定、准确的测量和显示测量结果,进行滑动平均值滤波;若差值大于T ,则认为处于动态或过滤态测量状态,为了实时跟踪输入的变化,不作平均值处理,直接以本次计数值来计算测量结果,并用该值刷新滤波队列的所有单元。

与滑动平均值滤波相比,改进的滑动平均值滤波在保证了稳态测量精度的同时,大大增加了过滤态测量的跟随性。

图3-2　TN T 0中断程序流程图 数字滤波处理结束后,软件根据平均值M 的大小选择相应的校正系数,计算校正后的测量值。

为了保证运算精度,拟合多项式采用浮点运算。

在称重测量系统中,往往有一个机械预紧力作用于传感器,因此,空载时传感器有一个“零点”电压输出。

在实际测量时,要扣除此“零点”值。

此外,为了使测量显示值与实际值相同,需进行归一运算。

(下转第46页)平衡容器的安装高度L应与仪表的最大量程一致。

即∃P m ax=lr e′+(L-l)r3′-L r e″代入式(4-1),即得平衡容器的安装高度。

L=∃P m ax-H0(l-∃r″1∃r′1)(r′e-r′3)∃r″1∃r′1(r′e-r′3)+(r′3-r′e)当水位偏离H0时,平衡容器产生的差压∃1:∃P=∃P0 (r′1-r″1)∃H(4-5)∃P0——水位为H0时差压值∃H——水位偏离H0之值从以上的分析中可知,不管用何种平衡容器测量汽包液位,只要汽包的工况偏离额定工况都起不到很好的补偿作用。

随着计算机和智能仪表的使用,只有动态补偿才能使汽包水位与压差一一对应。

5　平衡容器的安装511　标高的确定 如果仪表显示以刻度盘中心作为水位零点则:单室平衡容器:安装水位线(取压孔内径的下缘线)与汽包的正常水位线+仪表正向最大刻度值。

双室平衡容器:安装水位线(正、负取压孔间的平分线)与汽包的正常水位线一致。

蒸汽补偿式平衡器:安装水位线(正压恒位水槽的最高点)比负压侧高出L值。

如果仪表显示刻度盘以零点作为水位零点则:单室平衡容器:安装水位线比汽包零水位线高出仪表的整个刻度值。

双室平衡容器:安装水位线比汽包零水位线高出仪表刻度值的1 2。

512　平衡容器与汽包之间的连接管应尽可能短,且不得有影响介质正常流通的元件,连接管上的一次阀门应水平安装。

513　蒸汽罩补偿式平衡容器的排水管,应单独引至锅炉下降管,该下水管不得与其它下降管共用,且不要保温。

在平衡容器和下降管两侧应设有一次阀门,在接至下降水管前的前段须加膨胀弯。

正负压引出管,应在水平引出超过1米后,再向下敷设,保证两管的温度梯度一致。

514　平衡容器必须垂直安装,为使平衡容器内蒸汽凝结加快,其上部一般不要保温。

515　差压计算实例:设汽包压力为P=7184M Pa,饱和温度为294147℃。

r′1=725kg m3,r″1=4116kg m3,r3=991kg m3 L=627mm　l=245mm　H0=320mm代入式(4-1)得∃P0=(245×725+(627-245)×991-(320×725+(627-320)×4116)×918×10-6=31052kPa 说明汽包在“零水位线”时,差压∃10= 31052kPa根据式(4-5)　∃P=∃P0 ∃H(r′1-r″1)则:∃P=∃P0 ∃H(725-4116)×918×10-6=∃P0 ∃H×0100669如果水位校验范围为∃H=±320mm则相应压差:当高水位时:H h=+320mm　∃P h=31052-320×010069=019112kPa当低水位时:H1=-320mm　∃P1=31052+ 320×010069=511928kPa可见当汽包水位变化640mm时,差压变化为511928-019112=4128kPa,当校验差压变送器时,它的量程应是汽包水位变化的(r′1-r″1)倍。