基于单片机的智能动态称重系统设计
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·62·
图 3 RS - 232 与 R S - 485 转换电路
图 4 通信中继器电路
1.6.2 干扰 信号 处理 常 采用 的硬 件抑 制干 扰措 施包 括: ( 1) 供 电系统 的抗 干扰 措施 ①对于 供电 电源 , 本系 统要 求单 独供 电, 而 且电
源 端 不可 与 大功 率 电器 混 用 , 电 源 线 要求 保 证 良好 接 地。
数据 采集 电路 的主 要功 能是 将传 感器 输出 的电 压 信号 进 行放 大 处理 后 , 再 送 入 模数 转 换 器进 行 模 数 转换 , 再 将 转换 后 的数 字 信 号送 入 微 处 理器 进 行 处 理。 数 据采 集 电路 部 分主 要 包 括两 方 面 : 输 入 信 号的 放大 以及 放大 后模 拟信 号的 数字 转换 。 1.3 LED 显示 器电 路设 计
我 们在 设计 硬件 电路 之前 , 先 要对 需要 用到的 芯 片进 行选 型。 包括 以下 几个 方面 :
( 1) 放 大器 传 感器 的输 出是 一个 毫伏 级的 模拟 信号, 在进 行 模数 转换 之前 , 需要 经过 运算 放大 器进 行放 大。为 了 得 到精 确 的放 大 倍数 及 最 低限 度 的 零 点漂 移 , 放 大 器采 用了 高精 度、超 低漂 移的 运算 放大 器 OP- 07。 ( 2) AD 转换 器 采集上 来的模拟信号要进入单片机进行处 理 前 , 需 要转 换成 数字信 号。综合 考虑 系统 对转 换精度 与 转换 速 度的 要求 , 我 们选 择 AD574 模数 转换 器来 完 成模 数转 换的 工作 。 ( 3) 微 处理器 由 于 USB 接口程序 所需程 序空间 比较大 , 要求 微 处理器包含比 较大的内部 程序存储器 空间。PHL 工
收稿日期: 2007- 07- 19 作者简介: 张玉凤 (1972- ), 女, 河北承德人, 徐州建筑职业技术学院机电工程系教师, 研究方向: 电力电子与电机拖动。
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张玉 凤: 基 于单 片机 的智 能动 态称 重系 统设 计
PS 公 司生产的 P89C58X2 单片 机内部 含有 32K 字节 的 FLASH 程 序存储器 和 256 字节的 RAM, 满足 设计 要求, 可以 选择 P89C58X2 作为 系统微处理 器。
动 态称 重 系统 测 量 出汽 车 车 重 后, 在 显示 器 上 将 车重 显 示 出 来 。我 们 选 用 LED 显 示器 来 完 成 显
示 。LED (Light Emitting Diode)显示 器 与其 它显 示器 相 比, 具有 工作电 压低 、多 色、寿 命长 、发 光控 制简单 等 优点 。我 们用 五片 共阳 极发 光二 极管(LED)显 示器 来 显示 汽车 重量 , 其中 三位 整数 , 两 位小 数。 1.4 单片 机硬 件电路 设计
2001: 9-35. [5] 刘盛雄, 周奇, 韦云隆.基于单片机的数字式电子钟的设计
与制作[J].重庆工学院学报, 2006, 20( 8) : 90-92.
De sign of I nt ellect ua l Dyna mic We igh in g Syst em Ba se d on Sin gle - ch ip M icr ocon tr olle r
正 常称 重等 功能 。 2.3 A/D 转换 模块
本 模块 由于 采用 单片 机运 行, 增强 了称 重数据 数 字化 的速 度和 效率 。 2. 4 数 字滤 波器 的实 现
经 过滤 波器 性能 综合 比较 , 本 系统 设计 决定选 择 海明 (Hamming)作为 数字 滤 波器 使用 的窗 函 数, 将 数 字 滤波 器 的阶 数 定为 100, 截 止 频率 定 为 1Hz, 采 样 频率 取为 1 000Hz。 2. 5 EMD 数 据处理 模块
②对 于信 号 处 理部 分 , 采用 无 源 铁氧 体 磁 环控 制 TTL 波 形 前 沿 , 防 止 扁 平 电 缆 的 串 扰 , 让 驱动 波 形 先 经过 铁 氧体 环 再到 电 缆 , 这 样 一 来驱 动 波 形就 变 得平 缓。
( 2) 过 程通道 干扰 处理 ①在 数据 采 集 电路 中 , 电阻 应 变 式传 感 器 与电 路 板 连接 采 用双 绞 线传 输 方 式 , 双 绞 线不 仅 提 高了 对 磁 场抗 干 扰能 力 , 而 且 回 路本 身 传 输的 电 流 一去 一 回, 两条 线电流 在空 间产 生的 磁场 正好 抵消 , 因而 减 小了 对其 他回 路的 影响 。 ②采用 A/D 集 成电路 板, 不 但提 高了 转换 精度 、 速 度, 而 且也增 强了 系统的 抗干扰 性能 。 ③预 处理 信 号 采用 双 反 馈接 法 , 消除 了 干 扰电 平 及放 大器 因零 漂对 系统 的影 响。 ④空间 抗电 磁干 扰措 施有 : 系 统配 备良 好的接 地 装 置;系统 的 数字 接地 端与 模 拟接 地端 分 开设 置 ; 用 金属 壳对 整机 部件 进行 屏蔽 防止 空间 干扰 。
ZHANG Yu- Feng
( Xuzhou Institute of Architectural Technology, Xuzhou 221008) Abstr act : This paper introduces the design of hardware on platform system platform scale including platform scale and integrated circuit.On the basis of finishing the design of hardware, this paper analyses the system of vehicle dynamic weighing and constructs a system model. Key wor ds: railway scales; dynamic weighing; single-chip microcontroller
图 4 所 示通 信 中 继 器 的 连接 电 路 中 , 89C51 和 计 算机 之间 、89C51 和 数 据采 集 器 (MSP430F449)之 间 用 1 根 双绞 线 进行 半 双工 通 信 , 分 时 实 现发 送 和 接 收。 由 于使 用 1 个 串 行口 进 行 通 信, 为 了避 免 发 信 号混 乱 , 用 P1. 6 控 制 1#MAX485 的 发 数据 允 许 位 DE, 用 P1. 7 控 制 2#MAX485 的 发 数 据 允 许 位 DE。 接收 数 据总 是不 同 时进 行, 按先 接收 计 算机 发 送的 地址 , 再 发送 地址 给数据 采集 器, 最后 接收 数据 采集 器发 送过 来的 数据 顺序 进行 。
关键词: 智能仪器; 动态称重; 单片机
中图分类号: TP273.5
文献标识码: A
文章编号: 1673- 1980( 2007) 04- 0061- 03
目前 市场 上不 少运 用智 能动 态称 重技 术的 产品 价 格高 , 精 度 低, 抗 干扰 能 力差 , 只能 适 用 于一 些 对 精 度要 求 不高 , 干 扰 不大 的 场 合 。本 文 所 介绍 的 智 能化 动态 称重 系统 主要 用于 车辆 在运 行状 态下 的自 动称 重, 同时 可以 进行 车次数 和货 物重 量的 累加 , 并 可以 用微 型打 印机 打印 出统 计结 果。
1 动态称重系统硬件方案设计
重物 传感器
放大滤波
采样保持
A/D
采样保持
同步 时钟
供桥电源
公共基准 电源
图 1 系统组成原理图
单片机
C键 R盘 T
1.1 硬 件组 成原 理 称重系统的硬件系统设计 主要包括以下两方
面: 称重 传感器 选择 以及 称重 电路 的设 计。称重电 路 的 设 计 又 包 括 数 据 采 集 电 路 、LED 数 码 管 显 示 电 路、接口 电路 设计 。硬 件组成 原理 如图 1 所 示。 1.2 硬 件系 统设 计 1.2.1 称 重传 感器 的选 择
为了 获得 较为 精确 的称 重数 据和 较好 的实 时称 量效 果, 系统 的设 计中 采用了 EMD 算法 。其 硬件 设 计的 整体 框图 如图 2 所 示。 1.5 通 信网 络设 计
称 重系 统 的通 信 网 络由 监 控 主 机, 中 继器 和 采 集点 组成 。各 个采 集点 与监 控主 机之 间的 通信 采用 多 级分 级 通信 模 式。 通 信网 络 采 用 分级 通 信 方式 , 监 控和 32 个 中 继器 之间 采 用 RS- 485 半双 工 接口 。 MAX232 实现 将 RS- 232 接 口 信号 电 平 转 化 为 TTL 电平 。MAX485 为++5V 供电 的 RS- 485 接口 的差 分 信号 收发 器 , 可 以将 TTL 电 平 转化 为 RS- 485 的 差 分接 口信 号形 式或 进行 相反 方向 的转 换。 每一 个中 继 器 (89C51) 承 担监 控 主 机和 32 个数 据 采集 模 块 MSP430F449 之间 通信 的中 继任 务。采用 不同 的 I/O 端 口线 分 别控 制 89C51 与 计 算机 、数据 采 集器 之 间 的通 信。
第9卷 第4期
重庆 科技 学院 学报 ( 自然 科学 版)
2007 年 12 月
基于单片机的智能动态称重系统设计
张玉凤 ( 徐州 建筑 职业 技术学 院, 徐州 221008)
摘 要: 对称重系统硬件模块进行设计, 包括称重秤 台以及称重电路。在对动态称重系统进行了硬件系统的设计基础
上, 详细分析了动态称重系统的受力情况。
本 模块 对采 集到 的称 重数 据进 行处 理时, 所采 用 的 算法 核 心思 想 是 EMD 经验 模 分 解技 术 , 可将 误 差允 许值 设定 到足 够小 , 因 此可 以充 分保 证处理 后 数据 对被 称量 真实 值的 复现 精度 。
参考资料 [1] 李友善.自动控 制原理〔上册)[M].北京: 国防 工业出版社,
1983. [2] 方 培生 .传感 器原 理与 应用 [M].北 京:电 子工 业 出版 社,
1991. [3] 施昌 彦.动 态称重测力 技术的现 状和发展 趋势[J].计 量学
报, 2004,12(3): 201-205. [4] 周 道武.动 态称 重技术 若干 问题研 究[D].西 北工业 大学,
不停 车收 费系 统的 动态 称重 系统 工作 环境 在室 外 , 条 件恶 劣 。而 动 态称 重 系 统也 要 求 传 感器 精 度 高 、速 度快 、频 率 响应 好 、长 期 性能 稳 定 。 基于 以 上 的原 因, 我们 选择 使用 电阻应 变式 称重 传感 器。 1.2.2 数 据采 集电 路设 计
CRT
健盘 看门狗电路
CPLD 系 统 7128A 电 显示 源 控制
译码
MSP 430 F449
16C550 MSX485
JTAG
8M
RS485
图 2 硬件设计整体框图
1.6 通 信网 络硬 件连 接电 路 1.6.1 R S- 232 与 R S- 485 之间 的电 路连 接
RS- 232 接 口 信 号 格 式 转 换 成 RS- 485 差 分 接 口 信号 格 式的 电 路连 接 如图 3 所 示 , 通 信 中继 器 的 电路 连接 如图 4 所 示。
开始
初 始化 累计 误差校 正 累计 误差校 正
出错显 示 累计 误差 校 正
数 据采集 A/D 转 换
数 字滤波 、处理
计 算净重
统计 打Baidu Nhomakorabea保 存
结束
图 5 系统软件总体流程
2.2 数 据采 集模 块 在此 模块 的设 计中 , 应着 重于 阈值 设定 的考 虑,
并且 为了 能够 实现 称重 系统 进行 清零 、传感 器调 定、
张玉 凤: 基 于单 片机 的智 能动 态称 重系 统设 计
2 动态称重系统软件设计
2.1 方 案 ( 1) 软件 总体 功能 分析: 自动 清零 ; 自动 称重 ; 数
据保 存 ( 2) 软件 结构 :包括 四个 部 分, 即数 据采 集 模块 、
A/D 转 换模 块、数字 滤波 器模 块和 EMD 数据 处理 模 块。 软件 总体 流程 如图 5 所 示。
图 3 RS - 232 与 R S - 485 转换电路
图 4 通信中继器电路
1.6.2 干扰 信号 处理 常 采用 的硬 件抑 制干 扰措 施包 括: ( 1) 供 电系统 的抗 干扰 措施 ①对于 供电 电源 , 本系 统要 求单 独供 电, 而 且电
源 端 不可 与 大功 率 电器 混 用 , 电 源 线 要求 保 证 良好 接 地。
数据 采集 电路 的主 要功 能是 将传 感器 输出 的电 压 信号 进 行放 大 处理 后 , 再 送 入 模数 转 换 器进 行 模 数 转换 , 再 将 转换 后 的数 字 信 号送 入 微 处 理器 进 行 处 理。 数 据采 集 电路 部 分主 要 包 括两 方 面 : 输 入 信 号的 放大 以及 放大 后模 拟信 号的 数字 转换 。 1.3 LED 显示 器电 路设 计
我 们在 设计 硬件 电路 之前 , 先 要对 需要 用到的 芯 片进 行选 型。 包括 以下 几个 方面 :
( 1) 放 大器 传 感器 的输 出是 一个 毫伏 级的 模拟 信号, 在进 行 模数 转换 之前 , 需要 经过 运算 放大 器进 行放 大。为 了 得 到精 确 的放 大 倍数 及 最 低限 度 的 零 点漂 移 , 放 大 器采 用了 高精 度、超 低漂 移的 运算 放大 器 OP- 07。 ( 2) AD 转换 器 采集上 来的模拟信号要进入单片机进行处 理 前 , 需 要转 换成 数字信 号。综合 考虑 系统 对转 换精度 与 转换 速 度的 要求 , 我 们选 择 AD574 模数 转换 器来 完 成模 数转 换的 工作 。 ( 3) 微 处理器 由 于 USB 接口程序 所需程 序空间 比较大 , 要求 微 处理器包含比 较大的内部 程序存储器 空间。PHL 工
收稿日期: 2007- 07- 19 作者简介: 张玉凤 (1972- ), 女, 河北承德人, 徐州建筑职业技术学院机电工程系教师, 研究方向: 电力电子与电机拖动。
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张玉 凤: 基 于单 片机 的智 能动 态称 重系 统设 计
PS 公 司生产的 P89C58X2 单片 机内部 含有 32K 字节 的 FLASH 程 序存储器 和 256 字节的 RAM, 满足 设计 要求, 可以 选择 P89C58X2 作为 系统微处理 器。
动 态称 重 系统 测 量 出汽 车 车 重 后, 在 显示 器 上 将 车重 显 示 出 来 。我 们 选 用 LED 显 示器 来 完 成 显
示 。LED (Light Emitting Diode)显示 器 与其 它显 示器 相 比, 具有 工作电 压低 、多 色、寿 命长 、发 光控 制简单 等 优点 。我 们用 五片 共阳 极发 光二 极管(LED)显 示器 来 显示 汽车 重量 , 其中 三位 整数 , 两 位小 数。 1.4 单片 机硬 件电路 设计
2001: 9-35. [5] 刘盛雄, 周奇, 韦云隆.基于单片机的数字式电子钟的设计
与制作[J].重庆工学院学报, 2006, 20( 8) : 90-92.
De sign of I nt ellect ua l Dyna mic We igh in g Syst em Ba se d on Sin gle - ch ip M icr ocon tr olle r
正 常称 重等 功能 。 2.3 A/D 转换 模块
本 模块 由于 采用 单片 机运 行, 增强 了称 重数据 数 字化 的速 度和 效率 。 2. 4 数 字滤 波器 的实 现
经 过滤 波器 性能 综合 比较 , 本 系统 设计 决定选 择 海明 (Hamming)作为 数字 滤 波器 使用 的窗 函 数, 将 数 字 滤波 器 的阶 数 定为 100, 截 止 频率 定 为 1Hz, 采 样 频率 取为 1 000Hz。 2. 5 EMD 数 据处理 模块
②对 于信 号 处 理部 分 , 采用 无 源 铁氧 体 磁 环控 制 TTL 波 形 前 沿 , 防 止 扁 平 电 缆 的 串 扰 , 让 驱动 波 形 先 经过 铁 氧体 环 再到 电 缆 , 这 样 一 来驱 动 波 形就 变 得平 缓。
( 2) 过 程通道 干扰 处理 ①在 数据 采 集 电路 中 , 电阻 应 变 式传 感 器 与电 路 板 连接 采 用双 绞 线传 输 方 式 , 双 绞 线不 仅 提 高了 对 磁 场抗 干 扰能 力 , 而 且 回 路本 身 传 输的 电 流 一去 一 回, 两条 线电流 在空 间产 生的 磁场 正好 抵消 , 因而 减 小了 对其 他回 路的 影响 。 ②采用 A/D 集 成电路 板, 不 但提 高了 转换 精度 、 速 度, 而 且也增 强了 系统的 抗干扰 性能 。 ③预 处理 信 号 采用 双 反 馈接 法 , 消除 了 干 扰电 平 及放 大器 因零 漂对 系统 的影 响。 ④空间 抗电 磁干 扰措 施有 : 系 统配 备良 好的接 地 装 置;系统 的 数字 接地 端与 模 拟接 地端 分 开设 置 ; 用 金属 壳对 整机 部件 进行 屏蔽 防止 空间 干扰 。
ZHANG Yu- Feng
( Xuzhou Institute of Architectural Technology, Xuzhou 221008) Abstr act : This paper introduces the design of hardware on platform system platform scale including platform scale and integrated circuit.On the basis of finishing the design of hardware, this paper analyses the system of vehicle dynamic weighing and constructs a system model. Key wor ds: railway scales; dynamic weighing; single-chip microcontroller
图 4 所 示通 信 中 继 器 的 连接 电 路 中 , 89C51 和 计 算机 之间 、89C51 和 数 据采 集 器 (MSP430F449)之 间 用 1 根 双绞 线 进行 半 双工 通 信 , 分 时 实 现发 送 和 接 收。 由 于使 用 1 个 串 行口 进 行 通 信, 为 了避 免 发 信 号混 乱 , 用 P1. 6 控 制 1#MAX485 的 发 数据 允 许 位 DE, 用 P1. 7 控 制 2#MAX485 的 发 数 据 允 许 位 DE。 接收 数 据总 是不 同 时进 行, 按先 接收 计 算机 发 送的 地址 , 再 发送 地址 给数据 采集 器, 最后 接收 数据 采集 器发 送过 来的 数据 顺序 进行 。
关键词: 智能仪器; 动态称重; 单片机
中图分类号: TP273.5
文献标识码: A
文章编号: 1673- 1980( 2007) 04- 0061- 03
目前 市场 上不 少运 用智 能动 态称 重技 术的 产品 价 格高 , 精 度 低, 抗 干扰 能 力差 , 只能 适 用 于一 些 对 精 度要 求 不高 , 干 扰 不大 的 场 合 。本 文 所 介绍 的 智 能化 动态 称重 系统 主要 用于 车辆 在运 行状 态下 的自 动称 重, 同时 可以 进行 车次数 和货 物重 量的 累加 , 并 可以 用微 型打 印机 打印 出统 计结 果。
1 动态称重系统硬件方案设计
重物 传感器
放大滤波
采样保持
A/D
采样保持
同步 时钟
供桥电源
公共基准 电源
图 1 系统组成原理图
单片机
C键 R盘 T
1.1 硬 件组 成原 理 称重系统的硬件系统设计 主要包括以下两方
面: 称重 传感器 选择 以及 称重 电路 的设 计。称重电 路 的 设 计 又 包 括 数 据 采 集 电 路 、LED 数 码 管 显 示 电 路、接口 电路 设计 。硬 件组成 原理 如图 1 所 示。 1.2 硬 件系 统设 计 1.2.1 称 重传 感器 的选 择
为了 获得 较为 精确 的称 重数 据和 较好 的实 时称 量效 果, 系统 的设 计中 采用了 EMD 算法 。其 硬件 设 计的 整体 框图 如图 2 所 示。 1.5 通 信网 络设 计
称 重系 统 的通 信 网 络由 监 控 主 机, 中 继器 和 采 集点 组成 。各 个采 集点 与监 控主 机之 间的 通信 采用 多 级分 级 通信 模 式。 通 信网 络 采 用 分级 通 信 方式 , 监 控和 32 个 中 继器 之间 采 用 RS- 485 半双 工 接口 。 MAX232 实现 将 RS- 232 接 口 信号 电 平 转 化 为 TTL 电平 。MAX485 为++5V 供电 的 RS- 485 接口 的差 分 信号 收发 器 , 可 以将 TTL 电 平 转化 为 RS- 485 的 差 分接 口信 号形 式或 进行 相反 方向 的转 换。 每一 个中 继 器 (89C51) 承 担监 控 主 机和 32 个数 据 采集 模 块 MSP430F449 之间 通信 的中 继任 务。采用 不同 的 I/O 端 口线 分 别控 制 89C51 与 计 算机 、数据 采 集器 之 间 的通 信。
第9卷 第4期
重庆 科技 学院 学报 ( 自然 科学 版)
2007 年 12 月
基于单片机的智能动态称重系统设计
张玉凤 ( 徐州 建筑 职业 技术学 院, 徐州 221008)
摘 要: 对称重系统硬件模块进行设计, 包括称重秤 台以及称重电路。在对动态称重系统进行了硬件系统的设计基础
上, 详细分析了动态称重系统的受力情况。
本 模块 对采 集到 的称 重数 据进 行处 理时, 所采 用 的 算法 核 心思 想 是 EMD 经验 模 分 解技 术 , 可将 误 差允 许值 设定 到足 够小 , 因 此可 以充 分保 证处理 后 数据 对被 称量 真实 值的 复现 精度 。
参考资料 [1] 李友善.自动控 制原理〔上册)[M].北京: 国防 工业出版社,
1983. [2] 方 培生 .传感 器原 理与 应用 [M].北 京:电 子工 业 出版 社,
1991. [3] 施昌 彦.动 态称重测力 技术的现 状和发展 趋势[J].计 量学
报, 2004,12(3): 201-205. [4] 周 道武.动 态称 重技术 若干 问题研 究[D].西 北工业 大学,
不停 车收 费系 统的 动态 称重 系统 工作 环境 在室 外 , 条 件恶 劣 。而 动 态称 重 系 统也 要 求 传 感器 精 度 高 、速 度快 、频 率 响应 好 、长 期 性能 稳 定 。 基于 以 上 的原 因, 我们 选择 使用 电阻应 变式 称重 传感 器。 1.2.2 数 据采 集电 路设 计
CRT
健盘 看门狗电路
CPLD 系 统 7128A 电 显示 源 控制
译码
MSP 430 F449
16C550 MSX485
JTAG
8M
RS485
图 2 硬件设计整体框图
1.6 通 信网 络硬 件连 接电 路 1.6.1 R S- 232 与 R S- 485 之间 的电 路连 接
RS- 232 接 口 信 号 格 式 转 换 成 RS- 485 差 分 接 口 信号 格 式的 电 路连 接 如图 3 所 示 , 通 信 中继 器 的 电路 连接 如图 4 所 示。
开始
初 始化 累计 误差校 正 累计 误差校 正
出错显 示 累计 误差 校 正
数 据采集 A/D 转 换
数 字滤波 、处理
计 算净重
统计 打Baidu Nhomakorabea保 存
结束
图 5 系统软件总体流程
2.2 数 据采 集模 块 在此 模块 的设 计中 , 应着 重于 阈值 设定 的考 虑,
并且 为了 能够 实现 称重 系统 进行 清零 、传感 器调 定、
张玉 凤: 基 于单 片机 的智 能动 态称 重系 统设 计
2 动态称重系统软件设计
2.1 方 案 ( 1) 软件 总体 功能 分析: 自动 清零 ; 自动 称重 ; 数
据保 存 ( 2) 软件 结构 :包括 四个 部 分, 即数 据采 集 模块 、
A/D 转 换模 块、数字 滤波 器模 块和 EMD 数据 处理 模 块。 软件 总体 流程 如图 5 所 示。