传输带动态称重系统设计 毕业设计Word格式.docx

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1绪论

1.1背景及意义

1.1.1背景

对物料重量的动态称重在工业生产和流通贸易中占据重要地位，其中动态称重计量工具是不可缺少的计量工具。

在各种大宗散装物料的传输带上，都广泛应用动态称重计量工具，起到了提高计量精度、缩短作业时间、提高管理效率、节约资源和改善经营等多方面作用。

目前动态称重计量工具已经遍及各个领域，带来了显著的经济效益。

随着国民经济迅速发展，贸易商品流通量不断扩大，传统的动态称重计量工具已经不能适应时代的发展，需要新产品在自动化生产和现代化管理两方面不断提高。

随着近几十年计算机技术、微电子技术和传感器技术的崛起，动态称重技术在智能化、数字化和计量迅速化方面都有了长足进步。

新型的动态称重计量工具不仅仅是提供重量信息的独立仪表，而是现代工业一体化和管理自动化的重要组成部分。

所以新型动态称重系统不但要能快速、准确提供计量数据，还需要消除人为和环境造成的误差，提高计量精度，并且应具备计量数据实时监控、数据保存和数据管理等功能。

1.1.2意义

传输带动态称重设备是对传输带传送的散状固体物料或粉料进行连续称量的设备，有着应用行业面广、使用目的广泛等特点，实现了物料储存、运输和称量的一体化。

广泛应用于大宗散状固体物料或粉料的运输、加工、储存行业，如港口、仓库、冶金、煤炭、电力、建筑和烟草等行业。

从使用目的方面而言，可以精确监管生产环节，提高结算精度，还可用于组成各种自动化配料系统和工业控制系统。

随着目前企业工业生产自动化和管理自动化程度的不断提高，迫切需要提高自身的生产效率，这就需要性能更好更完善的传输带动态称重设备。

但是，目前国内的相关产品品种少，且功能单一，不能满足企业的迫切需要，所以改进传统设备，研究开发性能好功能完善的传输带动态称重系统是势在必行的。

本设计正是针对这一问题，开发的动态称重系统具有计量精度高，稳定性好，并且系统还实现了上位机实时计量数据可视化和数保存打印功能，其界面直观，便于使用，从而杜绝不真实计量现象，维护了企业和客户的利益，方便了计量工作。

另外系统扩展了现场总线接口很好的满足了工业自动化和管理现代化的要求。

1.2国内外发展现状

1.2.1国内外称重技术发展现状

动态称重技术的发展可分为以下四个阶段：

（1）动态称重技术起源世界上最早的动态称重装置出现在19世纪末期的西方国家，用于输送机对散状固体物料动态自动称重。

1880年第一台动态称重装置获得计量许可。

1908年第一个动态称重专利在英国公布。

自此，形成了较完整的动态称重技术定义和动态称重装置，拉开了动态称重技术发展的序幕。

（2）纯机械式动态称重装置第一代成熟的动态称重装置以纯机械式皮带秤为主导，只有带配重物的秤架结构和增量式码盘结构的编码装置，实现了简单的速度和重量数据的采集，但由于受到机械装置制造水平的限制，精度很差，而且计量过程复杂繁琐。

1970年英国制定了第一个系统的动态称重检验模式，标志着动态称重行业走上规范化道路。

（3）传感器和仪表结合式动态称重装置二战后，随着传感器技术和电子技术的飞速发展，出现了传感器和电子仪表结合的第二代动态称重装置。

使用光电脉冲式或磁电脉冲式传感器测量速度，电子仪表通过模拟积分放大电路或数字积分放大电路实现配重平衡、启动识别和流量累加功能。

第二代动态称重装置在计量精度和计量过程简化上都有了很大程度的提高，但是仍然存在计量精度较低和缺乏误差纠正等缺陷。

（4）传感器和微机结合式动态称重装置随着近十年来传感器制造工艺和微机智能技术的崛起，为动态称重装置的性能大幅度提高创造了有力条件。

第四代动态称重装置不但在计量精度上有了长足进步，而且在机构集成化和功能完善化方面取得了进步，可以根据企业现场环境的需求研制不同类型的传感器微机智能化动态称重系统。

目前正在使用的传输带动态称重装置种类繁多，结构形式不同，分类依据多种多样。

从秤架结构类型分有：

单托辊秤架、多托辊双杠杆秤架、悬臂式秤架、悬浮式秤架等结构，其中单托辊秤架由于结构简单、安装便捷等特点，市场占有率较高。

从使用的称重传感器类型分有：

电阻应变片式传感器、磁压式传感器、差动变压式传感器和核子式传感器等，其中电阻应变片式传感器应用最为广泛。

目前使用的动态称重装置较为成熟的有：

电子传输带称重装置、核子传输带称重装置和激光-核子传输带称重装置。

（1）电子传输带称重装置电子传输带称重装置依靠称重传感器测量传输带上的物料重量数据，一般使用接触式测速传感器测量传输带运行速度，这导致计量精度受制于机械结构，计量结果误差来自传输带张力、自重、抖动等多种因素。

所以这种动态称重装置计量精度不稳定，维护工作繁琐，需要每隔一段时间对装置各项参数进行调节，以达到所需精度。

而且这种动态称重装置适用于大量散状物料较长时间累积流量的连续计量，测量瞬时重量的精度不高，难以满足某些对物料瞬时重量要求较高的使用场合。

（2）核子传输带称重装置核子传输带称重装置是利用伽马射线对传输带上的物料进行计量。

当伽马射线强度一定时，射线穿过物料的衰减强度与物料的成分、密度、厚度等参数呈指数关系。

计量时将载物时的射线强度的连续测量数据与传输带空载时的测量数据进行比较，再与测量的传输带速度进行计算，可以直接得到物料的瞬时载荷重量、累积物料流量等计量数据。

由于核子传输带称重装置的工作原理是基于伽马射线穿透物料时的衰减规律，是非接触式测量，有安装独立简便、后期维护容易、计量精度不受机械装置影响等显著优点。

但是，伽马射线的衰减强度与射线方向上的物料厚度有直接关系，这使得核子传输带称重装置的计量结果受物料形状影响很大。

实验证明，相同载荷的同种物料不同的摆放形式下，计量的结果相差很大，甚至高达17%，存在物料形状影响导致核子传输带称重装置计量精度较差的问题。

（3）激光—核子传输带称重装置激光-核子传输带称重装置工作原理是利用伽马射线辐射测量传输带上物料的密度，利用激光图像分析来测量物料的堆积体积，进而计算出传输带上物料的重量。

由于这两种测量技术都是非接触式测量，所以激光-核子传输带称重装置具有：

装置结构简单、安装便捷、不受机械性能影响、后期维护简便、能准确测量瞬时重量等显著优点。

而且激光图像分析技术弥补了核子测量技术的缺陷，测量结果不受传输带上物料摆放形状的影响，使得这种装置计量精度较好。

但是，这种装置的成本较高，而且伽马射线的辐射对物料内部结构的稳定性和工作人员的身体健康都是不利的，所以激光-核子传输带称重装置应用并不普遍。

传输带称重技术最早传入我国是在本世纪60年代，经过几十年来不断的发展与完善，品种不断增多，在我国工业生产自动化中发挥了巨大作用。

传输带称重方式由静态发展到动态，计量方式由模拟量转变为数字量，测量参数由单个参数转变为多个参数测量。

随着传感器工艺的提高和微电子技术的崛起，我国传输带动态称重技术的研究得到了进一步发展。

但是，由于核心技术与工艺落后、机械设备与电子仪表老化、新产品研发能力欠缺等因素困扰，我国相关产品的质量和品种都与发达国家相差甚远，而且功能单一，可靠性差。

所以目前相关产品的性能和品种，不能满足中国现在和未来的巨大市场需求，这就为传输带动态称重设备的研究开辟的广阔前景。

1.2.2国内外称重技术发展趋势

随着传感器制作工艺和微机技术的不断发展，加之引入模糊控制理论、神经网络、建立数学模型、人工智能、阻尼振动理论等技术，称重计量系统向着功能自适应、智能化信息处理方向发展。

国际上已经取得了动态称重技术的突破，称重技术已经跨入了高科技领域。

目前，称重技术的主要发展趋势为以下几个方面：

（1）小型化体积小、重量轻、便于安装调试。

近几年称重装置的研究特点上，充分体现了秤架结构向小、轻、薄方向发展。

为了适应低容量的计量场合，可将传感器制成薄或超薄型称重传感器直接嵌入秤架受力的铝板或钢板底上与传感器外径一致的盲孔内，从而组成低外形的秤架结构，通过秤架的力学要求和额定载荷可以计算出称重传感器的安装位置和使用数量。

秤架的铝板或钢板就是称重平台，称重传感器既作为计量装置，又作为秤架支点存在，这种设计极大地精简了装置结构，减少了机械连接环节，不但缩减了制作成本，而且提高了装置的可靠性和稳定性。

对于较大容量的平台称重装置和电子地上称重装置，采用长方形或正方形闭合截面的薄壁钢排列成一个竹排式秤体结构，在最外边两根薄壁钢两端的切口内分别安装4个称重传感器，称重传感器的固定支撑结构就是秤架的受力支点，这种设计既能简化称体结构，又能缩减称体高度，是一种很有发展前景的设计方式。

（2）集成化对于一些特定结构的称重装置，如专用称重装置、小型电子秤、静态电子轨道秤以及便携式静动态轮轴秤等产品，可以实现称重传感器与钢轨，称重传感器与秤架，称重传感器与轨道秤台的集成化。

例如称重传感器与秤架集成化的静动态便携式电子轮轴秤，其集成化结构由厚质硬铝合金板制成，主要原理是通过固溶热处理来强化硬铝合金板，在合金板4个角通过铣槽或钻孔的方式安装4个悬梁式称重传感器，或者在合金板的地面通过铣槽或钻孔的方式安装多个剪切梁式称重传感器。

从而使秤架与称重传感器高度集成化。

（3）智能化称重装置的计量显示与控制部分与微型计算机相连，通过微型计算机的智能化处理增加称重装置的显示和控制功能。

使得称重装置在保留原有功能基础上增加了自适应、自诊断、自组织、推理和判断等智能功能。

这方面提高就是智能化称重装置的显示与控制器与目前普遍使用的微机控制显示与控制器的主要区别所在。

（4）综合化称重技术未来的发展方向是在加强基础研究的基础上扩大应用范围，扩展应用领域，向相关行业和学科渗透，应用各个学科的技术综合化的解决计量称重、信息处理、自动控制等问题。

对于某些应用场合，只具备计量、显示、量化等功能的称重装置远远不能满足用户需求。

随着生产自动化和管理一体化的进程的不断推进，称重装置应具备：

称重、计价、提供各项相关信息、出入库管理、网络服务等各项功能。

需要电子称重设备与计算机和互联网相连，共同组成一个综合化生产控制系统。

（5）组合化在某些重量计量场合或过程中，为满足实际需求，还需要电子称重装置具备一定的组合能力。

如机械部分根据实际场合的调整，与外围设备的组合，系统硬件与外围设备的连接，调节计量范围和精度，通过软件设置调整输入输出方式、通信方式等功能。

1.3主要工作及论文结构

（1）进行系统整体设计规划将软、硬件按实现的功能划分成析系统所用各传感器的性能，全面了解被采集信号的各项指标。

（2）设计系统硬件及制作PCB板实现对系统称重传感器和采集、上位机通信、在线编程等功能，制作原理图及PCB板图。

（3）单片机软件程序设计硬件设计完成后，根据系统器信号指标，使用KeilC51集成开发工具开发单片机软件程序，传感器信号的A/D转换，对测速传感器信号的脉冲计数和将采样数串口发送至上位机等功能。

本论文结构如下：

1绪论阐述了背景及意义，介绍内外研究发展现状，最后总结了自己所做的工作，并且给出了论文结构。

2系统整体设计提出了传输带动态称重系统的总体系统的基本结构和计量原理。

详细说明了系统实现的功能。

3硬件电路分析介绍系统的硬件设计，数据采集电路和通信接口的设计，传感器接口设计，现场总线接口的扩展，重点介绍基于AD7730芯片的称重传感器数据采集电路的设计与实现。

4单片机软件设计详细介绍了主程序模块、AD7730转换、脉冲计数及串行通信4个主要模块的设计与实现。

重点阐述了称重传感器数据转换功能的实现，通过功能寄存器介绍和流程图详细说明了AD7730的各功能模式和初始化设置。

2系统整体设计

2.1系统结构概述

传输带动态称重系统由五部分构成：

秤架、称重传感器、测速传感器、数据采集电路和工控计算机。

采用单托辊秤架、梁式称重传感器和接触式测速传感器的传输带动态称重系统结构示意图如图2-1所示。

图2-1传输带动态称重系统结构示意图

物料在传输状态下，称重传感器和测速传感器将传输带上物料的瞬时重量和瞬时速度转换成电信号，数据采集电路采集该电信号并进行适当处理，然后送入工控计算机进行量化和计算，最后显示流量累计结果。

扩展功能通常是靠开发软件完成的，如监控功能、报警功能以及数据库相关功能。

2.2动态称重计量原理

通常情况下，计算传输带上物料的流量需要采集物料的瞬时重量数据和传输带的瞬时速度数据。

物料的瞬时重量需要连续采样或者周期采样计量区段传输带托辊所受到的压力。

传输带的瞬时速度可以通过接触式和非接触式两种方式获得，再经过一定的算法来减小误差。

物料的瞬时重量和传输带的瞬时速度进行运算，可得传输带上物料的瞬时重量和累计流量。

瞬时重量为某一瞬间传输带上的物料重量，累计流量为某一段时间内传输带上所通过的物料总重量。

目前主要通过积分法和累加法计算物料的瞬时重量和累计流量。

目前计算物料流量和累计重量主要采用的方法有积分法和累加法。

（1）积分法积分法计量流量时，首先测量传输带上输送的物料的瞬时重量q（kg/m）和相同时刻传输带的瞬时速度u（m/s），相乘可以得到传输带上物料的瞬时流量W（t）（kg/m）：

（2-1）

式（2-1）算出的是传输带某一时刻的瞬时流量，但传输带上的物料瞬时重量和传输带的瞬时速度都是随时间不断变化的，所以瞬时流量W（t）对时间的积分可以得出T段时间内传输带的累积物料流量W：

（2-2）

式中q（t）—瞬时荷重值

u（t）—瞬时皮带速度

传输带的速度可由采样间隔距离δL和走过δL段程度所消耗的时间T来计算：

（2-3）

式中T—走过占δL长度所需的时间

δL—采样间隔行程

（2）累加法用累加法计量传输带上物料流量时，传输带每移动距离S时，就对传输带的瞬时重量采集一次，这是传输带整体的加权重量，会与实际重量有一定的差距。

然后通过近几次的瞬时总量采样计算出S段的瞬时重量值qi。

把n段测量的瞬时重量累加就读出传输带走过nS段长度的累积流量W：

（2-4）

t时刻传输带上物料的瞬时重量可以由W对时间微分求的：

（2-5）

累加法计量原理如图2-2所示

图2-2累加法计算物料流量

使用累加法计算物料流量可以很好的减少皮带跳变和传感器转换误差对计量结果的影响，并且经过大量实验证明使用累加法要比采用积分法的准确度高，所以对计量精度要求严格的系统均采用累加法方式计量。

本系统设计正是基于累加法计量物料流量和累计重量。

2.3小结

本部分提出了系统的设计方案，阐述了传输带动态称重系统的基本结构和计量原理。

详细说明了本系统的组成结构和实现的功能，介绍两种基本计量算法，对优缺点进行了对比，选择累加法作为系统的基本计量算法。

3系统硬件电路设计

3.1系统硬件概述

数据采集电路是系统的主要硬件部分，将称重传感器0～20mV的输出信号由数模转换器转换为24位精度的数字信号，即000000H～FFFFFFH中的一个值，然后送入单片机。

速度数据采集部分，首先将测速传感器输出的脉冲信号进行光电隔离，然后由单片机对脉冲计数。

数据采集工作完成后，由通信接口将24位转换数据和脉冲计数值送入上位机，在上位机中完成数据的量化和最终计算，实时显示计算结果，并且存入数据库。

3.2系统微处理器

由于数据采集系统要求的芯片数据存储空间（RAM）和程序存储空间（ROM）都较小，固微处理器选择AT89S52芯片。

AT89S52是Atmel公司推出的与MCS-51兼容系列单片机。

它是一种低功耗、高性能的微处理芯片。

8KB片内Flash，可擦/写1000次以上；

256字节片内RAM；

全静态逻辑，工作频率范围0～24MHz；

32个可编程I/O口；

三级程序存储器加密；

一个全双工串行口；

三个16位定时/计数器；

支持在线编程ISP（InSystemProgrammable）功能。

3.3系统模数转换器

本系统称重传感器输出的信号为模拟量，需要转换为数字信号进行记录和处理，所以模数转换部件为本系统的重要部分，对整个系统的计量精度都会产生影响。

由于悬梁式电阻应变称重传感器输出为频率较低的模拟量，所以需要模数转换部件具有精确的计量精度，但对响应速度没有过高要求。

固本系统采用精度为24位的AD7730芯片作为模数转换器件。

AD7730是由美国ADI公司生产的24位无失码、双通道差分模式高分辨率模数转换装置，有效分辨率为21位，线性误差±

0.0018%。

AD7730是∑-△类型数模转换装置。

∑-△类型数模转换装置同时具备反馈比较和双积分式两种数模转换器的优点，以电荷平衡式数模转换器改良而成，∑-△类型数模转换装置去掉了在电荷平衡式模数转换器中使用的复杂的稳定式电路，取而代之为结构简单的D触发器，这种设计使∑-△类型模数转换器件自身的电路组成对元件的精度要求降到了一个很低的层面。

∑-△类型数模转换装置还同时具有双积分式模数转换器抑制串模干扰的功能。

∑-△类型是一个闭环的连续转换系统，所以对自身电路元器件的精度要求低于双积分式模数转换器，漂移与失调不会影响转换的精度。

∑-△类型模数转换装置由于使用了数字式反馈比较方式，从而使用量化噪音大大降低、提高了转换精度、增强了系统的抗干扰能力、加快了相应速度、优化了线性度。

∑-△技术将量化噪声移到了系统数模转换频带之外，所以AD7730抗干扰能力强，适用于低频信号的动态模数转换。

本系统采用AD7730转换悬梁式称重传感器输出的模拟量，并将转换结构送入单片机进一步处理。

AD7730的工作原理如下：

设fs为采样频率，该芯片采集称重传感器的模拟信号时采用k倍过采样频率kfs，内部通过信噪整形电路将fs/2信带宽度内的大量量化信噪移除模数转换器的转换频带，即移至fs/2至kfs/2之间的频带，从而使得系统量化信噪降低到之前的1k。

由于模拟低通滤波器只能滤除大于kfs/2频带宽度的信噪，所以需要利用采样抽取电路和数字滤波器来滤除频带无用信号和量化信噪，提取期望信号，提高转换分辨率和信噪比。

使用的采用率应高于两倍输入信号频率，即fs>

2fa，并且应符合香农采样定律的原则。

用户可以通过软件设置AD7730的工作方式寄存器，设置∑-△模数转换器的数字滤波器、信噪比、采样分辨率、采样频率，从而做出最优选择。

数据采集电路中，AD7730与AT89S52单片机的接口电路原理图如图3-1所示：

图3-1AD7730与AT89S52的接口原理图

单片机使用查询方式来控制AD7730芯片，单片机的P1.0、P1.1、P1.3、P1.4引脚分别连接AD7730的SCLK、CS、DOUT、DIN引脚。

当加在RDY引脚上的电压为低电平时，单片机可读取AD7730数据寄存器中的模数转换数据或校