乳粉包装自动称重系统的设计与实现项目可行性研究报告.docx
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乳粉包装自动称重系统的设计与实现项目可行性研究报告
乳粉包装自动称重系统的设计与实现项目可行性研究报告
摘要：
论文分析了国内外称重技术发展的基础上l、主要讨论了一个用于工业控制且功能较齐全的自动称重系统的开发.随着自动化和管理现代化的进展l、自动在线称重,快速动态称重和称重系统中有了很大的发展l、进一步采用新技术l、开发各种自动称重系统,提高称重的准确度.
论文所介绍的自动称重系统是应用于工业上的乳粉包装自动称重中的l、它的实现有两个过程l、第一阶段由异步电机带动粗螺旋推进器给料l、这一阶段可看成为粗调过程l、给料重量一定要小于额定重量.第二阶段由步进电机带动细螺旋推进器进料l、可看成是细调过程l、使实际重量等于要求的额定重量.本系统应用了传感器l、各种芯片及单片机.工业性能强l、便于应用与工业上.
关键词:
自动称重系统粗调细调
1引言
电子技术和微型计算机的迅速发展l、促进了微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用l、从国防技术、航空航天等到日常生活中的电梯、微波炉等都采用到了微机测控技术.工业生产中的自动称重系统就是微机测控技术的应用.自动称重系统主要包括称重装置和数据的存储两大部分.
物料计量是工业生产和贸易流通中的重要环节.称重装置或衡量器是不可缺少的计量工具.随着工农业生产的发展和商品流通的扩大l、衡器的需求也日益增多l、过去沿用的机械杠杆秤已不能适应上产自动化和管理现代化的要求.自六十年代以后l、由于传感器技术和电子技术的迅速发展l、电子称重技术日趋成熟l、并逐步取代机械秤.尤其是七十年代初期l、微处理机的出现使电子称重技术得到了进一步的发展.快速、淮确、操作方便、消除人为误差、功能多样化等方面己成为现代称重技术的主要特点.称重装置不仅是提供重量数据的单体仪表l、而工作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分l、推进了工业生产的自动化和管理的现代化l、它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营等多方面的作用.称重装置应用己遍及到国民经济各领域l、取得了显著的经济效益.但是l、我国在这方面的产品少且功能不齐全l、所以改善现有称重装置、开发研究功能齐全的自动称重系统是势在必行的.
2国内电子称重的现状
我国从六十年代中期开始研制和生产电子秤l、初期为模拟指针式l、后来发展成数字式.由于当时技术条件的限制l、产品准确度低、可靠性差l、适应工厂恶劣环境的能力差l、一直故障率和损坏率都很高.自八十年代初以来l、开展了与国外技术交流和合作l、引进了一批样机、生产技术和加工测试设备；通过消化、吸收和改造l、使电于称重装置的综合水平有了很大的提高.产品品种发展到几十种包括电子计价秤l、电子台秤、电子吊秤、电子汽车衡、电子皮带秤、电子轨道秤、电子包装秤.电子配料秤以及各种专用电子秤.这此产品中作为商用静态秤都已能满足国际法制汁量组织（O、I、M、L）III级秤3000d的要求.静态使用的工艺秤也都能达到0.1～0.3％的准确度.动态计量用的皮带秤能做到0.25～0.5％l、动态轨道衡能达到国家规定的0.5级的要求l、个别的产品也可达到0.2级.总的来说我国电子称重装置的水平相当于发达国家八十年代中期水平.这里应强调的是有少数产品的技术已处于国际先进水平.这表明我国在引进消化国外先进技术的基础上l、走上了自行开发的道路.但是同发达国家相比l、尚存在着不少的差距l、突出表现在数量上电子衡器所占比例仅为6.6％l、其次是品种尚少l、功能不齐全l、不能满足经济建设科技进步的全部需要l、第三是有些制造厂的产品稳定性和可靠性还比较差l、产品好的厂家l、其所用的关键配套件还得依赖于进口l、例如动态轨道衡用的高稳定性称重传感器还大部分依赖于进口.
应该看到中国的大市场本身就为电子称重装置的发展开辟了广阔的前景.据调查冶金企业是电子衡器的最大用户．每年新增和更换的各类工业电子秤约5000台l、其他工业交通部门如港日、铁道、煤炭、建材、化工、饲料以及商业部门都需要在技术进步中装备人量的电子称重装置.因此有人称衡器工业为朝阳工业也是有道理的.
3电子称重技术发展的趋势
自七十年代以来l、发达国家在电子称重方面l、无论从技术水平、品种和规模等方面都达到了较高水平.在技术水平方面的主要标志是准确度、长期稳定性和可靠性.目前作为贸易结算用的静态秤（如平台秤、汽车衡、静态轨道衡等）己能做到O、l、M、L规定的3000d（分度）l、最高可做到6000d.在稳定性方面要求一年内不允许超差.在可靠性方面称重传感器在正常使用条件下的寿命一般在十年以上l、仪表的平均故障间隔时（MTBF）都超过2000小时l、有些产品达到5000小时.在生产过程用电子秤方面l、由于加强了应用技术开发l、能够适应各种恶劣环境（高温、振动、粉尘、电磁干扰、爆炸危险等）下使用；准确度一般能做到0.1～03％.
在品种方面随着生产发展的需要和新技木的应用l、出现了新品种l、如非连续式自动累加秤、电脑组合包装秤、高速自动包装秤等、这些自动秤往往与生产过程紧密相连l、成为生产线的一个组成部分l、或者与生产机械组合成一台机电一体化设备.
电子称重装置主要由承载器、称重传感器和称重仪表三部分组成l、称重方式也是电子称重技术不可分割的内容l、下面分别叙述其进展和发展趋势.
3.1称重传感器
称重传感器是电子称重的核心部件l、它把重力转换成电信号.称重传感器从原理上分有很多种l、包括电阻应变式、压磁式、电容式、振弦式、电感式、核辐射式等l、但从准确度、重复性、经济性、使用方便等方面综合考虑l、目前大量生产的仍然是电阻应变式传感器.它在称重传感器中所占的比例达90％以上.电阻应变式传感器近几年在性能上又有了提高l、
随着工业控制系统向数字化发展l、近几年来数字式称重传感器也被开发和应用.由干它直接输出数字量l、大大提高了传输中的抗干扰能力l、并使得与计算机的通信极为方便.由于取消了仪表中的模拟放大、A/D转换的环节l、使仪表大为简化在计算机中显示和控制的场合l、可以不用称重仪表.目前这种传感器大致有两类：
电阻应变式数字称重传感器和新型数字式称重传感器.
3.2称重仪表
称重仪表由于采用了低漂移高增益放大器、高分辨率A／D转换器、单片微型机、电可擦存储器（EEPROM）和非易失性随机存储器（NOVRAM）l、使其性能和功能都有了很大提高.近几年来称重仪表又增加了两项新技术：
Σ－Δ（积分的增量）调制型模数转换器和印刷电路板的表面安装技术（SMT）.这些新技术的采用l、进一步提高了仪表性能和可靠性l、井为仪表小型化创造了有利条件.在性能上已能做到：
非线性优于0.01％灵敏度优十0.2V／dl、A／D转换速度一般为10～30次／秒l、用于动态称重可达100次／秒以上.由于采用了比较方式测量l、传感器供桥电源和A／D转换基准电源共用一个电源l、使电源波动的影响得到了补偿.
在功能上也比较齐全l、人部分是用软件来实现.这些功能包拈：
各种参数的设定；如分度值、最大秤量、小数点、固定皮重等设定；零点自功跟踪；自动去皮；量程自动校准；动态检测；开机自检和故障诊断l、停电数据保扩：
超载报警：
非线性补偿；以及毛重、净重、皮重和累加值的显示等.有些专用的仪表中还有附加的各种功能.
为了便于与计算机通信l、现代称重仪表都配有各种输出接口供选用.如RS232C、RS485或RS422A、20mA电流环、模拟量（4～20mA）以及继电器接点输出.有些制造厂为了加强仪表与计算机的通信l、采用直接与工业控制机总线相连的方式.如西门子SIWARE称重仪的输出能直接与两门子PLC控制器的总线相连.
为了适应各种应用的需要l、当前称重仪表发展的一个趋势是：
通过硬件或软件的积木式组合来实现不同的功能需求.例如在仪表机箱内通过不同电路板的组合或更换软件存储芯片l、来实现不同的功能l、以满足各种用途.
3.3承载器
承载器是承载重力并将力传递到称重传感器的机械结构.国外已较多的采用CAD进行承载器（秤台或秤架）的设计l、在保证一定强度和刚度的前提下优化设计l、从而达到节省钢材l、降低造价的目的.
据国外资料介绍l、在电子称重装置中l、称重传感器的价格这几年变动不大l、仪表价格随着电子器件价格下降而成下降趋势l、而占成本比重比较大的承载器由于钢材和加工费用的上涨使成本提高.回此要降低成本提高竞争力l、重点是降低秤台造价l、所以优化设计l、发展薄型结构己是制造厂向的主要目标.
随着工业自动化和管理现代化的进展l、自动在线称重、快速在线称重和称重系统有了很大发展.进一步采用新技术l、开发各种自动称重系统l、提高动态称重的准确度l、加强网络功能是当今各国发展的重点.本课题正是从这一方面出发进行设计的l、使得本课题设计的自动称重系统既能获取称重信息l、又能实现对称重信息的管理l、而且其稳定性好l、称量速度快、精度高l、可连续自动称重l、显示、打印称量结果l、实现了称重数据的存储l、并且该自动称重系统还实现了可视化l、从而杜绝不真实计量现象l、维护企业和客户的利益.另外l、其界面直观l、便于使用.
4乳粉包装称重的工艺流程
图1为乳粉包装称重系统的工艺流程图.当输送带把一个空的乳粉袋送往落料管下方时l、称重系统开始工作.异步电机启动l、带动粗螺旋推进器（又称绞笼）旋转l、推动乳粉从落料管落下.当乳粉重量接近设定重量时（略小于设定重量）l、停止粗螺旋推进器进料l、然后启动细螺旋推进进行微量添加l、直到乳粉重量满足给定重量的要求.细螺旋推进器由步进电机带动.一袋乳粉称重满足要求后l、由输送带把该袋乳粉传到下一道工序进行包装l、而后面的空袋又输送来l、进行第二袋乳粉的称重l、如此周而复始的工作l、乳粉称重分为两个阶段l、第一阶段由异步电机带动粗螺旋推进器给料l、这一阶段可看成为粗调过程l、给料重量一定要小于额定重量.第二阶段由步进电机带动细螺旋推进.
图1：
乳粉包装称重系统工艺流程图
5系统方案的设计
5.1系统的硬件构成
该硬件电路系统实际上就是一个数据采集系统l、任务是把由压力传感器输出的4～20mA的电流信号转换来的0～SV的电压信号传送给模数转换器.然后AD转换器将该模拟信号转换为00H～FFH的数字信号l、当其转换结束时发送转换结束信号给单片机l、单片机对其转换后的结果进行滤波、量化等处理l、处理后的结果送往LED进行显示.
5.1.1系统的技术要求和传感器选择
传感、通信、计算机技术构成现代信息的三大基础l、80年代是个人计算机l、90年代是计算机网络l、预计21世纪第一个10年热点很可能是传感、执行与检测.
传感器的作用主要是获取信息、是信息技术的源头.在信息时代里l、随着各种系统的自动化程度和复杂度的增加l、需要获取的信息越来越多l、不仅对传感器的精度、可靠性和响应要求越来越高l、还要求传感器与标准输出形式以便和系统连接.显然传统的传感器因其功能差l、体积大l、很难满足要求.发展高性能的l、以硅材料为主的各种先进的传感器已成为必然.如谐振式、电容式、光电式和场效应化学传感器等.尽管它们的敏感机理不同l、但其总的共同特点是向微型化、智能化发展.是因近年来l、微电子l、微机械l、新材料l、新工艺的发展与计算机、通信技术的结合创造出新一代的传感器与检测系统.
新型的电子称重系统l、大都采用传感器作为载重量度以及转换.
本系统是高精度的称重系统.要求使用精度高、性能稳定的压力传感器.压力传感器通常以应变片为敏感元件l、压力传感器一般按检测对象分类l、包括加速度传感器、荷重传感器、扭矩传感器、位移传感器.检测原理有压阻式和压电式.
我们知道硅锗半导体材料的导带都是多个极值l、由于受应力作用l、晶格间距发生变化l、导带极值发生移动l、导致禁带宽度的变化；同时能谷发生转移l、使载流子迁移率u不相同l、故引起电阻率的变化l、这种现象称为压阻效应.电阻应变片是进行应力应变测量的关键元件l、同时也是用来制造荷重、扭矩、加速度、位移、压力等传感器的敏感元件.电阻应变片分为金属电阻应变片和半导体应变片.半导体应变片的种类很多l、目前使用较多的是体型硅应变片和扩散硅应变片.
根据乳粉包装称重系统的工艺流程图l、提出以下技术要求：
（1）该称重系统中每袋乳粉额定重量为500克；
（2）要求每小时包装数量为200袋；
（3）系统的称重控制控制精度要求为±0.1％
根据系统的技术要求l、压力传感器选择北京长城技术有限公司生产的CYY-1型微量固态压力传感器l、它是由半导体应变片构成的桥式输入动态压力传感器l、测量范围是0～1kg/cm^2l、桥路供电电压为6V,桥路输出电压最大为20mVl、CYY-1型压力传感器的电路图如图2所示：
图2：
CYY-1型压力传感器
图中RP是电桥调零电位器l、为连接调零电位器方便l、桥路本身并未接成闭合桥路l、应变片共有5个接线端子l、其中端子1和5是为接调零电位器而设置的l、该外接电位器的精度将直接影响到测量精度及灵敏度l、因此不宜选得过大l、一般以小于桥臂电阻的十分之一为宜.如不需要调零l、可直接把1和5端短接作为桥路输出的一个端子.传感器组数N的选择由下式计算：
N＝（KG0＋C）/M
式中K为安全系数l、该系统选K=2,C为称台自重l、该系统称台自重为1500克l、M为最大量程l、取m＝1000克l、G0为1袋乳粉的重量l、则N＝2.5l、实际取N=3l、所以本称重系统采用了三组桥路l、见系统的硬件原理图所示：
图3：
OP07接口电路模拟输入端
5.1.2测量放大器及求和器
选择测量放大器要注意增益及干扰问题.该系统选择INA102型测量放大器l、它是低功率高精度测量放大器l、由内膜电阻提供优异的温度稳定性l、用先进的激光微调技术保证有高的增益精度和共模抑制比l、同时又不需要昂贵的外部元件l、因此它适用于前置放大器应用的场合.INA102测量放大器的结构如图4所示l、其主要特性如下：
（1）静态电流：
最大电流为750Ua;
（2）内部增益：
×1、×10、×100、×1000；
（3）增益漂移：
≤5ppm/℃
（4）共模抑制比：
≥90dB
（5）偏移电压漂移：
≤2uV/℃
（6）偏移电压：
≤100uV/℃
（7）非线性：
≤0.01%
（8）输入阻抗：
10^10
INA102的结构决定了它具有高输入阻抗l、输出级四个匹配良好的电阻用以保证获得良好的共模抑制比l、所有的内部电阻均由IC上的薄膜镍铬铁合金构成l、关键电阻经过激光微调.该芯片在不接外部电阻的情况下l、有四种增益：
将第6、7脚连接l、增益G＝1;将第2、6、7脚连接l、G＝10；将第3、6、7脚连接l、G＝100；将第4、6、7脚连接l、G＝1000.该系统将第3、6、7脚连接l、所以G＝100.INA102芯片外围电路见图3中的相关部分.
图4：
INA102的内部结构图
该系统称重传感器共有三组l、每一组输出接到INA102的输入进行放大l、三个INA102的输出信号在求和器求和.由于压力传感器转换后的电压信号是幅度根小的微伏级信号l、很难直接进行模数转换l、因此需要对这以模拟电信号进行放大处理.然而l、通用运算放大器一般都具有毫伏级的失调电压和每度数微伏的温度漂移l、显然不能用于放大微弱信号l、因此l、在本设计中选用高精度的运算放大器OP07.
OP07放大器有A、D、C、E各档l、它的主要特征是增益和共模比很高（一般为100dB）l、而其失调电压和失调电流、温漂以及噪声又很小l、其广泛地应用于稳定积分、精密加法、比较、阀值电压检测、微弱信号精确放大等场合l、是一种通用性极强的运算放大器.
OP07电源电压范围为上3～18Vl、输入电压范围为0～14Vl、下图为其接口电路即模拟输入端.求和器用OP07芯片l、接线图见图3中的相关部分.
5.1.3A/D转换芯片的选择
由于单片机处理的必须是数字信号l、而传感器输出的却是模拟量l、所以在单片机的实时测控和智能化仪表等应用系统中l、需将检测到的连续变化的模拟量压力转换成离散的数字量l、才能输入到单片机中进行处理.所以要进行A／D转换器的选择l、主要根据下面的技术指标.
（1）分辨率（Resolution）
对ADC说l、分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量.转换器的分辨率定义为满刻度电压与2^n之比值其中n为ADC的位数.
（2）量化误差（QizingErTor）
量化误差是由ADC的有限分辨率而引起的误差.
（3）偏移误差〔OffsetError）
偏移误差是指输入信号为零时l、输出信号不为零的值l、所以有时又称为零值误差.偏移误差通常是由于放大器或比较器输入的偏移电压或电流引起的.一般在ADC外部加一个做调节用的电位器便可使偏移误差调至最小.
（4）满刻度误差（FullScaleError）
满刻度误差又称为增益误差（GainError）.ADC的满刻度误差是指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输入电压之差l、一般满刻度误差的调节在偏移误差调整后进行.
（5）线性度（Linearity）
线性度有时又称非线性度（Non－Lineanty）l、它是指转换器实际的转移函数与理想直线的最大偏移.线性度不包括量化误差、偏移误差与满刻度误差.
（6）绝对精度（AbsoluteAccuracy）
在一个转换器中l、任何数码相对应的实际模拟电压与其理想的电压值之差并非是一个常数l、把这个差的最大值定义为绝对精度.
（7）相对精度（RelativeAccuracy）
它与绝对精度相似l、所不同的是把这个最大偏差表示为满刻度模拟电压的百分数l、或者用二进制分数来表示相对应的数字量.它通常不包括能被用户消除的刻度误差.
（8）转换速率（ConversionRate）
ADC的传换速率就是能够重复进行数据转换的速度l、即每秒转换的次数.而完成一次A／D）转换所需的时间（包括稳定时间）l、则是转换速率的倒数.
超大规模集成电路技木的发展l、使集成A／D转换器的发展速度惊人.品种繁多、性能各异的满足不同要求的集成A／D转换器不断涌现.因此在进行数据采集系统设计时l、首先必须选择合适的A／D转换器以满足应用系统设计要求的问题.
A/D转换器位数的确定与整个测量控制系统所要测量控制的范围和精度有关l、但又不能唯一确定系统的精度.因为系统精度设计的环节较多l、包括传感器变换精度、信号预处理电路精度和A／D转换器及输出电路、伺服机构精度l、甚至还包括软件控制算法.
A/D转换芯片的选择主要是位数的选择l、由于该系统的精度为0.1％l、故选择分辨力为12位的A/D芯片l、另外系统要求采样时间短l、故选择了高速A/D转换芯片AD574A.它是美国模拟器件公司生产的标准28脚封装的双列直插集成A/D转换器l、无需外接元器件l、就可以独立完成A/D转换l、内部设有三态数据存储器l、非线性误差为±1/2LSB或±1LSBl、一次转换时间为35usl、电源供电为±5V和±15V.由于芯片内部比较器有改变量程的电阻和双极性输入电阻（10k）l、因此AD574A输入模拟量程范围分0～＋10Vl、0～＋20Vl、－5V～＋5V以及－10V～＋10V共四种.
AD574A的逻辑控制输入信号有CE、
、R/
、12/
l、用以对AD574A控制启动l、输出l、当CE＝1l、
＝0l、同时满足时l、AD574A才能处于工作状态l、其逻辑关系见图5.STS为工作状态指示端l、STS＝1表示正处于转换状态l、STS返回到低电压时表示A/D转换结束l、该信号可供微处理器作为中断或查询端.AD574A与8031单片机的接口电路见原理图中的相关部分.
R/
12/
A0
工作状态
0
×
0
启动12位A/D转换
0
×
1
启动8位A/D转换
1
接1脚（5V）
×
12位并行输入有效
1
接15脚（0V）
0
高8位并行输出有效
1
接15脚（0V）
1
低4位加上尾随4个零有效
图5：
AD574A的逻辑关系
分别是片选、片时能、数据读/启动信号l、A0和12/
用于控制转换数为据长度（12位或8位）及数据格式.无论启动、转换、还是输出结果l、为保证CE为高电平l、单片机的
、
端要通过与非门与AD574A的CE端连接.转换结果分为低4位和高8位l、12/
端应接地.
接74LS138译码器的Y7端.A0、R/
在读取结果时保持相应电平l、故通过74LS373锁存器后接入.STS是转换标志l、用查询方式接P1.0端.AD574A的相应口地址为：
启动口地址（QIDONG）9C00Hl、高8位输出（HDATA）9C01Hl、低四位输出（LDATA）9C03H.注意：
当CE＝1、
时l、启动转换l、在启动信号有效前l、R/
必须保持低电平l、否则将产生读数据错误.
5.1.4存储器的扩展
该系统用2732作为程序存储器l、因为8031内部的128单元RAM已能满足该系统的要求l、所以没有扩展数据存储器.2732与74LS373的接线图见原理图中的相关部分.
5.1.5键盘及显示接口扩展
键盘及显示接口扩展选择8279可编程键盘/显示控制器芯片l、8279是InteI公司生产的通用可编程键盘和显示器接口芯片.由于它本身可提供扫描信号l、因此可代替CPU完成键盘和显示器的控制l、从而减轻了CPU的负担.其主要特点如下：
（1）与MCS－51等系列单片机兼容；
（2）能同时执行键盘和显示器操作；
（3）扫描式键盘工作方式；
（4）有8个键盘FIFO（先入先进）存储器；
（5）带触点去抖动的二键锁定或N键巡回功能；
（6）两个8位或16位的数字显示器；
（7）可左/右输入的16字节显示RAM；
（8）有键盘输入时可产生中断信号.
8279的双相的三态数据缓冲器将内部总线和外部总线DB0~7用于传送CPU和8279之间的命令、数据和状态.CS为片选信号l、当为低电平时l、CPU才选中8279读写l、A0用于区分信息的特征l、当A0为1时l、CPU写入8279的信息为命令l、CPU从8279读出的信息为8279的状态l、当A0为0时l、I/O信息都为数据.
8279有两种扫描方式l、一是外部译码方式l、4位记数状态从扫描线SL0~SL3输出l、经外部译码器译码出16位扫描线.一是内部译码方式.扫描计数器的低二位经内部译码器后从SL0~SL3输出.
8279在该系统中的使用情况见原理图6中的相关部分.
显示器接口是单片机系统中的主要人机接口之－l、常用的显示器有：
发光二极管显示器l、简称LED（LightEmitingDiode）液晶显示器l、简称LCD（LiquidCrystalDisplay）；荧光显示器.近年来也开始使用简易的CRT接口,显示一些汉字及图形.
图68279芯片引脚
前三种显示器都用两种显示纪构：
段显示和阵显示.而发光二极管又分为固定段显示和可以拼装的大型字段显示.此外还有共阳极和共阴极之分等.三种显示器中l、以荧光管显示器亮度最高l、发光二极管次之l、而液晶显示器最弱l、为被动显示l、必须有外光源.考虑到本系统中只用来简单的显示重量数据l、所以选用发光二极管显示器LED.LED与其它显示器件相比l、还具有工作电压低、多色、寿命长、发光控制简单等特点.
共阴极LED段显示器结构与原理LED显示块是由发光二极管显示字段组成的显示器；有7段和“米”字段之分l、它又有共阳极和共阴极之分、在本设计中选用的是7段共阴极LED显示器.这种LED显示块的发光二极管的阴极连接在－起l、通常此共阴极接地l、当某个发光二极管的阳极位高电平时l、发光二极管点亮l、相应的段被显示.下面的表列出了本设计
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