定量称重控制仪的设计

定量称重控制仪的设计
摘要
我国的定量称重仪表衡器需求量很大，但定量称重控制仪表技术却相对落后。

为此，设计了一种自动定量称重控制仪，该定量称重控制仪具有控制准确度高、功能实用以及性能稳定可靠等特点。

本控制仪属于单片机嵌入式系统，采用AT89S52作为系统的MCU 单元。

所设计的硬件电路单元主要包括：信号调理电路、数据采集电路、显示和键盘电路、系统输出电路、系统电源电路等。

选用了灵敏度高、性能稳定的电阻应变式称重传感器及高分辨率模数转换处理芯片AD7810，保证了系统的测量精度和准确度。

通过编制系统的软件程序，实现了三级给料定量称重过程的自动控制、提前量数据的自行修正、包装数据的自动保存以及键盘操作和实时显示等多项实用功能。

从而使本定量称重控制仪的稳定性、及定量称重控制的准确度均达到预期的要求。

关键词定量称重；单片机；自动控制
The Design of Quantitative Weigh Control
Instrument
Abstract
The demand for automatic quantitative weighing apparatus in our country is quite large , but the automatic quantitative weighing control instrument technology of our country is still relatively behind the times .So a quantitative weighing control instrument is developed in this dissertation ,and it has the characteristics of high control accuracy ,practical functions and stable and reliable performance etc. This instrument can be classified into embedded microcontroller system, and the microcontroller unit employed in this system is AT89S52.The hardware circuits designed include: data acquisition circuit , display and keyboard circuit , output circuit ,system power supply etc .To ensure the precision and accuracy of the system ,the resistance strain meter type load cell that is of high sensitivity and stable performance and high resolution analog-digital converting chip AD7810 are selected .By programming the software of the system ,several practical functions ,such as the automatic control of three-stage feeding quantitative weighing process, automatic correction of closing lead data ,automatic storage of package data ,keyboard operation and real-time display etc ,are accomplished by the instrument . Experimental tests on stability ,static performance and dynamic performance of the system are conducted respectively .And the analysis of testing reports indicate that the stability and the accuracy and precision of automatic quantitative weighing control of this instrument are in accordance with the desired technical properties .
Keywords：Quantitative Weighing；Microcontroller；Automatic Control
目录
摘要 (I)
Abstract ......................................................................................................................................................... I I 第1章绪论 (1)
1.1 自动定量衡器技术综述 (1)
1.1.1 电子衡器的分类 (1)
1.1.2 自动定量衡器技术国内外发展概况 (1)
1.2 研究本课题的意义 (3)
1.3 本论文完成的主要工作 (4)
第2章系统的总体设计 (5)
2.1 定量称重控制系统的组成和工作原理 (5)
2.1.1 定量称重装置的组成 (5)
2.1.2定量称重控制的工作原理 (6)
2.2 系统的结构方案 (7)
2.2.1系统概述 (7)
2.2.2 系统结构 (7)
2.3 系统的功能、特点及主要技术指标 (8)
第3章系统的硬件设计 (10)
3.1系统硬件的结构 (10)
3.2 微控制器AT89S52及其应用 (10)
3.2.1 AT89S52性能概述 (10)
3.3 数据采集前端模块 (12)
3.3.1电阻应变式称重传感器 (12)
3.3.2信号调理电路 (15)
3.4模数转换单元 (17)
3.4.1模数转换器的选择 (17)
3.4.2 AD7810的特点与功能 (18)
3.4.3 AD7810的接口设计 (19)
3.5 人机通信单元 (20)
3.5.1 显示及键盘控制芯片HD7279 (20)
3.5.2 键盘及显示电路 (21)
3.6 输出电路 (23)
3.7 系统电源设计 (24)
3.8 定量称重过程特性分析 (25)
第4章系统软件设计 (27)
4.1 系统程序流程 (27)
4.2数据采集子程序 (28)
4.3 人机通信程序设计 (29)
结论 (34)
致谢 (35)
参考文献 (36)
第1章绪论
我国社会主义市场经济的繁荣和发展，促进了对定量包装商品需求的不断增长。

例如以零售商品为例，根据有关统计，美国零售市场中定量包装商品的销售量占95%以上，我国零售市场上定量包装商品的销售量也己经达到70%左右[1]，并且其数量将随着经济的发展而不断扩大。

本设计所研制的自动定量称重控制仪，属于国际法制计量组织OIML（Organization of International Legal Metrology）国际建议R61－1所称之重力式自动装料衡器（Automatic Gravimetric Filling Instrument）中的控制装置[2]。

在我国，自动装料衡器又称之为定量自动衡器，有些场合还可称为定量包装秤、打包秤、灌包秤或打包机。

OILM把重力式自动装料衡器定义为“通过自动称量把散状物料分成预定且实际上相对恒定质量的装料,并将其装入容器的衡器”[3]。

1.1 自动定量衡器技术综述
1.1.1 电子衡器的分类
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。

按照不同的分类标准，可将电子类衡器作如下划分[4]：
一、按测试系统划分
1.静态型。

静态电子衡器是把被称量物体稳定的放置于电子衡器上进行测量的，目前这种类型的电子衡器使用范围最为广泛。

2.动态型。

动态电子衡器是在静态电子衡器的基础之上发展起来的一种新型电子衡器，它所测量的是随时间变化的运动物体的质量。

二、按称量方式划分
1.接触式测量。

接触式测量主要是通过传感器直接与被测量的运动物体直接接触而获得动态信号，并对此动态信号进行处理来获取真实的质量信息。

2.非接触式测量。

非接触式测量则主要是利用辐射传感器来获取运动物体的动态信号，并加以分析以得到真实的质量信息。

1.1.2 自动定量衡器技术国内外发展概况
在近百年的历史中，称重技术大致经历了以下四个发展阶段：大约半个多世纪的机械式装置模拟测量阶段；20世纪50～60年代进入了机电衡器阶段；20世纪70～80年代进入了电子测量阶段；自20世纪80年代以来，全面进入了数字化测量及微机智能化测量的阶段[5~6]。

一、国外发展情况
无论在技术水平、品种还是规模等方面，发达国家的电子称重设备都达到了较高水平。

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），己能达到OIML规定的3000d(分度)，最高的可以达到6000d；在稳定性方面，要求一年内不允许超差；在可靠性方面，称重传感器正常使用条件下的寿命一般在十年以上，仪表的平均故障间隔时间(MTBF)都超过2000小时，有些产品达到了5000小时。

由于加强了应用技术开发，能够适应高温、振动、粉尘、电磁干扰等各种恶劣使用环境条件，准确度一般能达到0.1～0.3%左右[7]。

在品种方面，随着生产发展的需要和新技术的应用，出现了一些新品种，如电脑组合定量秤、高速自动定量秤等。

这些自动秤往往与生产过程紧密结合，成为生产线的一个组成部分，或者与生产机械组合成机电一体化设备。

在功能上也比较齐全，大部分是用软件来实现。

这些功能包括：各种参数的设定，如分度值、最大量程、小数点、固定皮重等设定；零点自动跟踪；自动去皮；量程自动校准；动态检测；开机自检和故障诊断；停电数据保护；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。

在规模上，国外衡器制造业己是很发达的工业。

据资料介绍，日本1995年时电子衡器的年产量就已经达到623万台、产值达880亿日元，是世界上出口电子衡器最多的国家。

在称重仪表方面，由于采用了低漂移高增益放大器、电可擦存储器(EEPROM)和非易失性随机存储器(NOVRAM)、高速低功耗10位串行模数转换器和智能称重传感器等新技术[8~ 10]，使其性能和功能都有了很大提高。

为了便于与计算机通信，称重仪表配有各种输出接口供选用，如RS232C、RS485等，有些还采用无线传输方式。

二、国内发展情况
我国从六十年代中期开始研制和生产电子秤，初期为模拟指针式，后来发展成数字式。

自八十年代初以来，与国外开展了技术交流和合作，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，使电子称重装置的综合水平有了很大的提高，产品发展到几十种。

但总的来说，我国电子称重装置只相当于发达国家八十年代中期的水平。

我国同发达国家差距的突出表现,在于电子衡器在各领域所使用的各种衡器中所占百分比数量方面。

在我国，电子衡器在工业领域实际使用的各种衡器中所占比例为40.8%，商用领域所占比例为6.4%；而发达国家工业领域中电子衡器所占比例为80～90%，商用领域为50～60%。

差距的第二个表现是品种尚少，功能不齐全。

目前，国内500g以下范围的小秤量定量包装机占了绝大多数，500g以上定量包装机生产厂家相对较
少；再次是产品稳定性和可靠性不够理想，某些关键元件尚依赖于进口[11]。

近年来，我国自动定量称重衡器技术发展很快，并且已经成为衡器行业中发展最迅速的产品种类。

例如，将模糊控制技术应用于定量称重[14~15]以及在电阻应变式称重传感器方面采用蠕变补偿[12]、模糊补偿[13]和滞后补偿[16~18]技术等。

三、发展方向展望
定量称重衡器已日益渗透到几乎全部工业领域和生产过程,而且将不再是单纯的称重计量,而是向多参数、多专业综合控制方面拓展,逐渐形成多元化智能管理和控制系统。

这种横纵两个方向的深入发展，大体可以概括为以下几个方面[19~20]。

1.质量控制。

在配料系统中,单纯的称重计量是不能完成配料的。

为此，衡器称重需结合化学分析,即兼有成分测控功能。

2.网络化、系统化。

通过计算机联网,实现网上通讯和远程计量,形成物流管理网络,企业各部门同时共享称重信息。

3.定量包装机。

它已不是单一的称重衡器,而是将机械、电气、电子、计算机、自动控制与衡器融为一体的机电结合的智能化设备。

4.工艺控制机。

即除了具有称重功能以外,还需检测或保证其它物理参数的多参数控制机。

总之，智能化、自动化、多功能化将成为现代定量称重技术的发展方向[21]。

1.2 研究本课题的意义
定量称重电子衡器是当今世界衡器技术发展的前沿产品，它能有效的解决称重过程中速度和准确性难以统一的问题，而这两个指标却又是定量称重衡器最重要的性能指标。

现在我国一些中小企业中所使用的机械衡器，虽然在一定程度上可保证称量精度，
但高效是绝对无法做到的。

作为一个人口大国，我国定量包装商品的需求量很大。

据调查，单单冶金企业每年新增和更换的各类工业电子秤就达约5000台，而其它工业及商业部门也都需要装备数量很大的电子称重装置。

面对国内巨大的需求，我国自动定量称重控制仪表技术相对落后的现状亟需改变。

期望本课题的研究工作，能够对改善我国自动定量称重控制仪表技术相对落后的局面有所贡献。

1.3 本设计完成的主要工作
本设计利用AT89S52单片机和电阻应变式称重传感器，设计了一种新型的定量称重控制仪，所完成主要工作如下：
1.在对国内外定量称重控制现状进行综述的基础上，指出了定量称重控制技术的发展趋势；
2.介绍了定量称重控制仪的工作原理、系统结构及其所具有的功能和特点；
3.设计了以AT89S52为核心微控制器的称重控制处理单元以及信号调理电路、数据采集电路、显示和键盘电路、输出电路、系统的电源电路等电路系统；
4.选用了灵敏度和满度分辨率高、非线性误差和温漂系数小、性能稳定的高精度电阻应变式称重传感器和高速低功耗10位串行模数转换芯片AD7810，保证了系统的测量精度和准确度；
5.设计了系统的控制功能程序、键盘及显示控制程序等软件系统。

利用控制功能程序实现了三级给料定量称重过程的自动控制、提前量数据的自行修正、包装数据自动保存等多项实用功能，并采用了软件控制策略较好地解决了称量速度与精度之间的矛盾；
6.对设计工作进行了总结。

第2章系统的总体设计
测控仪器的总体设计就是要确定系统的原理方案，进行数学建模，确定系统的主要技术参数，进行精度设计和总体结构设计。

现代计量测试仪器设计应遵循一定的要求，以下是测控仪器设计中几条比较重要的一般要求[22~24]：
1.精度要求。

衡量测控仪器精度的指标有很多种，如复现性、灵敏度等，应根据被测对象的要求具体确定仪器的精度指标。

2.速度要求亦称效率要求。

即仪器的测控速度应与测控对象的速度(一般指生产效率)相适应。

提高检测效率不仅对系统的经济性有影响，而且往往对检测精度也会产生一定影响并且两者经常表现为矛盾性。

3.可靠性要求。

可靠性要求就是要求设备在一定时间和条件下，无故障地、稳定地发挥其功能的概率要高，这要由可靠性设计来保障。

4.经济性要求。

即在满足仪器的功能和可靠性要求的前提下，具有较好的性能价格比，而不能盲目追求所谓“复杂、高级”的设计方案。

5.使用条件要求。

仪器的工作环境的温湿度、机械振动和电磁干扰等对其性能甚至是正常工作具有重要影响，仪器设计时必须予以认真考虑。

6.美观与人性化要求。

仪器的外观要美观，功能实现及外型设计要便于操作者使用。

2.1 定量称重控制系统的组成和工作原理
2.1.1 定量称重装置的组成
定量称重装置的一般组成如图2.1所示,它由料仓、给料装置、称重传感器、称量斗、卸料门、夹袋机构和输送设备等组成[26]。

1.给料装置。

给料装置是根据物料的粒度、流动性、定量精度和理化特性来选型的。

常见的给料方式有如下几种：闸门式自动给料用于流动性好、不易结块的物料，如大米、小麦等颗粒状物料；螺旋输送式给料用于不会粘着的、粉状或细粒状的物料，如饲料、面粉等；振动式给料用于自由流动、粒度较大的物料，如食品、饲料等。

图2.1定量称重装置示意图
2.称重部分。

称重部分主要由称重传感器、称量斗（又称承载器）和卸料门等组成，其中称重传感器是称重部分的关键部件。

一般需结合物料的最大定量称重值和堆比重，设计不同大小的称量斗。

卸料门一般采用气动式,其动作迅速、工作稳定可靠、维修简单方便，其气源一般采用压力为0.4～0.7MPa的压缩空气。

3.夹袋及包装输送部分。

夹袋机构用于夹住包装袋，其动作是由两个夹袋气缸来推动的，而包装输送部分则由包装机和输送设备组成。

当定量给料结束时,夹袋机构松袋,包装袋落在输送设备上输送至包装袋封口设备。

2.1.2定量称重控制的工作原理
定量称重控制系统的工作原理如下：系统开始工作时,在控制仪的控制下,卸料门首先关闭,自动去皮后开启给料机构进行给料。

物料不断进入称量斗内，由压力传感器将质量（重量）转换成电信号送至控制仪。

控制仪不断显示物料的质量值，并根据预先设置的参数依次输出各个运行步骤的控制信号，直至达到预定的定量称重质量后给料机构关闭，从而结束给料过程。

在夹袋机构处于夹紧的状态下，称量斗的卸料门打开，物料依靠重力经夹袋筒流入包装袋。

卸料结束后，卸料门关闭，夹袋机构自动张开以便卸下包装袋，从而完成一个工作周期。

夹袋机构一侧设置手动式行程开关,用于配合人工套袋操作发出夹袋信号，控制夹袋机构的松开与加紧动作。

2.2系统的结构方案
2.2.1系统概述
本控制仪采用电阻应变式称重传感器，将物体重量转换成相应的电压信号。

此电压信号通过信号调理电路进行滤波和放大后，以A/D转换器为核心的数据采集电路把模拟信号转换成单片机可以处理的数字信号，从而得到称量斗中的物料质量值。

然后，结合软件程序控制，将检测到的质量值与设定的目标质量值进行比较，单片机根据比较结果发出气缸动作控制信号，从而使定量称重装置处于到量、夹袋、开卸料门、关卸料门和松袋等不同的工作状态。

本系统将单片机作为整个仪器的核心，通过它进行系统运行控制以实现高效、高精度自动定量称重的控制目的。

根据所采用的传感器量程和所设定的定量目标值的不同，完成相应的定量称重过程，称重的累计量等过程数据可以自动保存。

称重的实时信息、功能设定和状态等相关信息，可以通过LED数码管进行直观显示。

2.2.2 系统结构
按照所完成的主要功能不同，可以把本控制仪的系统划分为图2.2所示结构[27]。

各模块的基本功能分述如下：
图2.2系统功能结构框图
1.信号调理和数据采集模块。

信号调理和数据采集模块主要由信号调理电路和数据采集电路组成。

信号调理电路实现对称重传感器送来的小信号的放大、滤波处理。

数据采集电路用来实现模拟信号的数字化，由单片机读取数字量并据之执行相应操作。

A/D 转换器是数据采集电路中的核心器件。

2.人机通信模块。

人机通信模块是为了完成人机对话功能，以便于使用者对仪器进行有关设置和管理，它包括显示器接口部分和键盘进口部分。

本控制仪在前面板上设置了16个按键，六位蓝色〝0.8〞主显数码管和两位〝0.56〞副显数码管。

按键包括数字键0～9和一些功能键，其中数字键还包含有复用功能。

数码管用于显示称重数据以及功能设置和键盘操作等状态下的有关信息。

3.开关量输出模块。

本系统中所应用的按键、继电器和行程开关操作信号均属于开关量信号。

这种信号只有开和关，也就是高电平和低电平两个状态相当于二进制的“1”和“0”，其处理较为简便。

本系统利用MCU的并行I/O口与控制对象进行开关量信息交换。

由于工业现场中经常存在电场、磁场和噪声等干扰，因此在本系统的输出口采用了光电耦合器作为隔离器件，以抑制外界各种干扰的影响。

另外，由于MCU输出电流不足以驱动继电器，因此在控制仪的输出口设置达林顿管阵列芯片作为驱动器，来驱动
控制气缸动作的电磁阀继电器。

2.3 系统的功能、特点及主要技术指标
一、本仪器实现的功能
本控制仪的核心功能是完成除套袋外的自动定量称重过程控制，其主要功能包括：
1.定量称重过程控制；
2.可事先存储20种规格的定量称重数据，各种定量称重规格的快、中、慢控制数据的自行修正；
3.称重数据的自动保存；
4.系统运行状态的实时显示；
5.简便实用的键盘操作功能；
6.设有手动控制功能，可人工控制给料和卸料，以便于清理结块和堵塞的物料。

二、本仪器的特点
本控制仪具有以下几个主要特点：
1.可在额定定量称重质量范围内，任意设定定量称重的质量值；
2.采用高精度电阻应变式称重传感器和高速低功耗10位串行模数转换芯片AD7810，称重精度高；
3.给料控制，结合控制算法，实现了快速、准确的定量称重；
4.自动修正给料过程参数，以提高定量称重控制的精度和速度；
5.键盘操作功能丰富而又简便。

三、本仪器的主要技术指标
通过研发设计，应使本定量称重控制仪的主要技术指标达到如下要求：
1.量程：0～50Kg；
2.分度值：10g；
3.称量误差： 0.1%FS。

第3章系统的硬件设计
硬件电路系统是测控系统感知信息、传递信息、处理信息和输出信息以完成控制功能的重要载体，也是软件系统运行的必备物质基础。

在本系统的硬件电路设计中，充分考虑了系统的抗干扰能力、稳定性和可靠性要求。

为了便于硬件电路的设计、修改、调试和扩充，本系统硬件电路采用了模块化结构。

3.1系统硬件的结构
本控制仪的硬件系统主要包括MCU单元、信号调理和数据采集模块、调节控制模块和人机通信模块，其总体结构框图如图3.1所示。

图3.1称重控制仪的硬件电路总体结构
信号调理和数据采集模块主要包括传感器、信号调理电路与模数转换器。

电阻应变式称重传感器将称量的质量（重力）转换成相应的模拟电压信号。

这一模拟电压信号只有毫伏级，必须经过信号调理并经A/D转换器转换成数字量后，才能送入CPU。

CPU 对测量信号处理后，即可进行显示或执行控制动作。

调节控制模块根据输入状态不同，由软件控制输出电路发出控制信号对称重装置进行控制，使其处于相应工作状态。

人机通信模块包括用于参数及功能设定的键盘接口电路以及用于系统运行状态和键盘操作信息显示的数码管显示接口电路。

3.2微控制器AT89S52及其应用
3.2.1 AT89S52性能概述
作为计算机的一个独特的分支，微控制器MCU（Micro Controller Unit）以其体积小、功能强及性能价格比高等优点广泛应用于智能化仪表等诸多领域。

单片机是本系统的核心器件。

根据本控制仪的功能需求和几种型号单片机的性能特点，经过综合比较分析，选择ATMEL公司AT89S52型单片机作为本控制仪的微控制器，使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容，具有良好的性价比等诸多突出优点[28~29]。

一、AT89S52产品特性[30~31]
1．AT89S52功能特性描述与MCS-51单片机产品兼容
2．8K字节在系统可编程Flash存储器
3．1000次擦写周期
4.全静态操作：0Hz～33Hz
5.三级加密程序存储器
6.32个可编程I/O口线
7.三个16位定时器/计数器
9.八个中断源
10.全双工UART串行通道
11.低功耗空闲和掉电模式
12.掉电后中断可唤醒
13.看门狗定时器
14.双数据指针
二、AT89S52的引脚配置
AT89S52的引脚配置如图3.2所示，其各引脚功能说明如下：
图3.2 AT89S52的引脚配置
1.VCC:电源
2.GND:地
3.P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

4.P1 、P2、P3口：都具有内部上拉电阻的8 位准双向I/O 口，并能负担4个TTL 负载。

其中P1、P3口分别有其第二变异功能。

5.RST: 复位输入。

6.ALE/PROG:地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。

7.PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。

8.EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。

9.XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

10.XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。

3.3数据采集前端模块
3.3.1电阻应变式称重传感器
本控制仪是一个依赖于数据采集处理从而进行控制的系统。

所称量的质量（重力）信号的正确采集，是系统有效运行的根本前提。

本设计所选用的称重传感器，属于金属电阻应变式传感器，而电阻应变计是其关键元件。

一、金属电阻应变式传感器的测量原理
1.金属电阻的应变效应[32~33]
当金属导体受外力作用发生机械形变并导致其阻值发生变化的现象称为电阻的应变效应。

若电阻丝的长度为l ，截面积为A 、电阻率为ρ，则其电阻为
R=ρA
l （3.1） 若对整条电阻丝长度方向作用均匀的应力，其电阻变化可由式（3.1）的全微分求得
A
dA l dl d R dR -+=ρρ （3.2）对于半径为r 的圆形截面电阻丝，则A=π2r ，微分可得
r
dr A dA 2= 由材料力学可知
μεμ-=-=l
dl r dr （3.3） 式中μ为金属材料的泊松系数，ε为电阻丝的轴向应变。

将上式代入式（3.2），并经整理后得
()εερερμK d r dr =⎥⎦
⎤⎢⎣⎡++=21 （3.4） 式中，()ρερ
μd K ++=21为电阻丝的灵敏系数，表示单位应变引起的电阻变化率。

K
受两个因素影响，一个是受力后电阻丝的几何尺寸变化所引起的，即(1+2μ)项，另一个。