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小量程称重传感器四角标定测控仪设计


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小量程称重传感器四角标定测控仪设计 e 机 学号 e

学生姓名 所在学院 专业班级 指导教师 完成地点

械 工 程 学 院

机 械 制 造 及 其 自 动 化 e 校 内 __ __ ___

2009 年 06 月 01 日

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小量程称重传感器四角标定测控仪设计

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指导教师:e
【摘要】本设计是基于单片机的测控仪,它的硬件电路设计包括单片机最小系统,A/D 转换器、称重
传感器、语音电路、LED 显示电路、正负 5V 稳压电源电路等几部分设计内容。其中压力传感器输出响应的 模拟电压信号,经过模/数转换(A/D 变换)后就得到数字量 D。但是,数字量 D 并不是重物的实际重量值 W,W 需要由数字量 D 在控制器内部经过一系列的运算—即数据处理才能得到。整个设计系统由 Atmel 公司 生产 51 系列 89S51 单片机进行控制;软件实现功能开机检测,主要是开机后自动逐个扫描 LED 数码管,以 防止某段数码管损坏造成视觉误差。

【关键词】 :四角误差;传感器;单片机;测控仪;LED

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The corners of small scale weighing sensor calibration measurement and control instrument design

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Tutor :e

【Abstract】 The design of measurement and control instrument based on single chip microcomputer,
hardware circuit design, it includes the minimum system of the MCU, A/D converter, a weighing sensor, a voice circuit, LED display circuit, positive and negative 5V regulated power supply circuit and other parts of the design content. The analog voltage signal output pressure sensor response, after the analog / digital conversion (A/D transform) is the digital D. However, digital D and the actual weight is not the weight values of W, W required by the digital D controller in after a series of internal operations that data processing can be. The design of the whole system produced by Atmel company, 51 series of 89S51 single chip microcomputer to control; software start-up detection, mainly is the boot automatically by scanning LED digital tube.

【Keywords】error corners;weighing sensor;weighing instrument;LED

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目录

绪论 ............................................................................................................................................... 1 第1章 传感器的四角标定和修正 .................................................................. 4

1.1 传感器标定的意义 ............................................................................................... 4 1.2 传感器标定的基本方法 .................................................................................... 4 1.3 传感器标定的分类 ............................................................................................... 4 1.3.1 根据被测量进行分类 ............................................................................ 4 1.3.2 根据标定的内容分类 ............................................................................ 4 1.4 应变式称重传感器的工作原理 .................................................................... 5 1.5 称重传感器的四角误差检测.......................................................................... 5 1.6 称重传感器四角误差测试仪.......................................................................... 6 1.6.1 工作原理....................................................................................................... 6 1.6.2 结构特点....................................................................................................... 6 1.6.3 测试过程....................................................................................................... 7 1.7 称重传感器四角误差的修正方法 ............................................................... 8 1.8 标定方法对称重传感器标定的影响.......................................................... 8 1.9 本章总结 .................................................................................................................... 8

第2章

测控仪的总体设计方案 ........................................................................ 9

2.1 四角修正 .................................................................................................................... 9 2.1.1 结构特点及工作原理 ........................................................................... 9 2.1.2 工作原理....................................................................................................... 9 2.1.3 结构特点....................................................................................................... 9

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2.2 测控仪的系统总体框图 .................................................................................. 10 2.3 测控仪的主控制系统设计 ............................................................................. 10 2.4 测控仪各模块的方案选型 ............................................................................. 10 2.4.1 电源模块方案选型................................................................................ 11 2.4.2 数据采集模块方案选型.................................................................... 11 2.5 主控制器模块方案选型 .................................................................................. 12 2.6 数据显示模块方案选型 .................................................................................. 13 2.7 报警模块方案选型 ............................................................................................. 13 2.8 本章小结 .................................................................................................................. 13

第3章

测控仪的各单元电路硬件设计 ..................................................... 14

3.1AT89S51 单片机的简介 ..................................................................................... 14 3.2 电源电路设计 ...................................................................................................... 14 3.3 前级放大器电路设计 ...................................................................................... 15 3.4 显示电路设计 ...................................................................................................... 15 3.4.1 显示器件的选择 ............................................................................................. 15 3.4.2 LED 结构与原理 .................................................................................. 16 3.4.3 系统显示部分的接线图.................................................................... 17 3.5 报警电路的设计 .................................................................................................. 17 3.6 单片机系统图 ....................................................................................................... 18 3.7 控制部分系统图 .................................................................................................. 19 3.8 系统图仿真和实物演示 .................................................................................. 19 3.8.1 系统图仿真 ............................................................................................... 19

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3.8.2 实物演示 .................................................................................................... 23 3.9 本章小结................................................................................................................. 23

第4章

测控仪的软件设计 ................................................................................. 24

4.1 主程序设计............................................................................................................. 24 4.2 显示程序设计 ...................................................................................................... 25 4.3 本章小结 .................................................................................................................. 27

结论 ............................................................................................................................................. 28 致谢 ............................................................................................................................................. 29 附录 1 附录 2 附录 3 系统总图 .............................................................................................................. 1 程序清单
............................................................................................................ 2

外文翻译 .............................................................................................................. 6

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绪论
现今电子衡器制造技术及应用的到了新发展。电子称重技术从静态称重向动态称重发 展:计量方法从模拟测量向数字测量发展;测量特点从单参数测量向多参数测量发展,特别 是对快速称重和动态称重的研究与应用。 通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外 市场的需求,电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化;其技术性能趋向 是速率高、准确率高、稳定性高、可靠性高;其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信 息并重的 “智能化” 功能; 其应用性能趋向于综合性和组合性。 电子称是电子衡器中的一种, 衡器是国家法定计量器具,是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设 备,衡器产品技术水平的高低,将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。 课题研究目的与意义 随着自动化测试技术的发展,传统的称重系统在功能、精度、性价比等方面已难以满 足人们的需要,尤其在智能化、便携式、对微小质量的测量方面更显得力不从心。采用以 AT89S51 单片机为控制核心,结合高敏度的电阻式应变式压力传感器和高精度的 A/D 转换 器,设计称重系统的总体结构及软件、硬件。实现物体质量、控制及显示报告的电气化与智 能化。 称重仪是电子衡器的一种,电子衡器是自动化称重控和贸易计量和科学研究都起到了 重要作用。电子衡器具有反应速度快、测量范围广、应用面广、结构简单、使用操作方便、 信号远便于计算机控制等特点,被广泛应用于煤炭、是由、化工、电力、轻工、冶金、矿山、 交通运输、港口建筑机械制造和国防等各个领域。 在工业现场和环境中干扰源是各种各样的,如噪音干扰、工频干扰等,抗工频干扰能 力成为衡量电子衡器性能的重要指标。 为了具备这一性能, 市场上的电子衡器的电路普遍较 复杂,相对的,成本也较高。而本产品电路简单,成本低,抗工频干扰强,具有很好的推广 价值。 50 年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。60 年代初期出现机电结合式电 子衡器以来,经过 40 多年的不断改进与完善,我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现 在的全电子型和数字智能型。我国电子衡器的技术装备和检测实验手段基本达到国标 90 年 代中期的水平,少数产品的技术已处于国际领先水平。国内的电子秤市场中,1009 左右量 程的电子秤精度一般为 0.019 即 10 毫克。在研究方法上,电子称重系统的工作原理一般是 将作用在承载器上的质量或力的大小, 通过压力传感器转换为电信号, 并通过控制电路来处 理该电信号。 电子衡器制造技术及应用得到了新发展。 电子称重技术从静态称重向动态称重 发展;计量方法从模拟量向数字测量发展;测量特点从单参数测量向多参数测量发展,特别 是对快速称重和动态称重的研究与应用。 在国际上,一些发达国家在电子称重力一面已经达到了较高的水平。特别是在准确度 和可靠性等方面有了很大的提高。 在称重传感器方面, 国外电子秤产品的品种和结构又有创 新,技术功能和应用范围不断扩大,成果举例如下: (1) 美国 Revere 公司研制出 PUS 型具有大气压力补偿功能的拉压两用的称重传 感器,用于高准确度检验平台,称重平台,准确度可达 5000d。 (2) 德国 HBM 公司研制成功 C2A、C16A 两种不同结构的 1-100t 具有耐压外壳 保护的防爆称重传感器,其防爆性能符合欧洲 EN50014 和 EN50018d 级标准 (3) 美国斯凯梅公司研制出新一代高准确度不锈钢 F60x 系列 5-5000kg 称重传感 器,准确度 6000d。用于湿度大,腐蚀性强的环境中,而且防水。 (4) 德国赛特内尔公司研制出以被青铜为弹性体材料,快速称重用 200 型称重传 感器。其特点是线性好,固有频率高,动态响应快。独创油阻尼装置与过载

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保护装置一体化, 保证称量时速度快, 工作寿命长。 组装 3-30kg 电子平台秤, 准确度可达 4000d。 但就总体而言, 我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距。 其 主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规 格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。 台式电子计价秤具在商业贸易中的使用相当普遍, 但应用场所受到制约。 电子秤产品的应 用性能趋向上更综合性和组合型。 (1) 小型化 新研制的电子平台秤结构充分体现了体积小、高度低、重量轻(即小、薄、轻)的发 展方向。对于低容量的电子平台秤和电子轮轴秤,可采用薄型或超薄型的圆形称重传感器, 这样不但降低了成本, 而且提高了稳定性和可靠性。 对中等或较大容量的电子平台秤已经出 现了采用方形或长方形闭合截面的薄壁型港焊接成秤体,这是一种很有发展前途的秤体结 构。对于大型电子平台秤,可利用有限单元法进行等强度和刚度计算,采用抗弯刚度大的型 材和轻型波纹夹心钢板等。 (2) 模块化 对于大型或超大型的承载器结构,如大型静动态电子汽车衡,以开始采用几种长度的 标准结构的模块,经过分体组合而产生新的品种和规格。这种结构,不仅提高了产品的通用 性、互换性和可靠性,而且也大大的提高了生产效率和产品质量。同时还降低了成本,增强 了企业的市场竞争力。 (3) 集成化 小型电子平台秤、专用秤、便携式静动态电子轮轴秤、静动态电子轨道衡等,都可以 实现秤体与称重传感器,钢轨与称重传感器,轨道衡秤体与铁路线路一体化。 (4) 智能化 电子秤的称重显示控制器与电子计算机结合,利用电子计算机的智能来增加称重显示 控制器的功能。使电子秤在原有功能的基础上,增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织 等功能, 这就是当今市场上采用微机化称重显示控制器的电子秤与采用智能化称重显示控制 器的电子秤的根本区别。 (5) 综合性 电子称重技术的发展规律是不断的加强基础研究并扩大应用,扩展新技术领域,向相 邻学科和行业渗透,综合各种技术去解决称重计量、自动控制、信息处理等问题。例如在流 量计算专业,如果采用称重法及质量流量法,只要将重量和时间测量准确,大流量的测量问 题就迎刃而解了。 现代商业系统还要求商用电子计价秤能提供各种各样销售信息, 把称重与 管理自动化紧密结合,实现管理自动化。这就要求电子计价秤能与电子计算机联网,把称重 系统与计算机系统组成一个完整地综合控制系统。 (6) 组合性 在工业称重计量过程或工艺流程中,不少称重计量系统还要求具有可组合性,即测量 范围等可以任意设定;硬件功能项软件方面发展;软件能按一定的程序进行修改和扩展;输 入输出数据与指令可以使用不同的语言和条形码, 并能与外部的控制和数据处理设备进行通 信。 我国衡器行业适用面最广、产销量最大的计量产品是非自动衡器。国际法制计量组织 76号国际建议 OILMR76非自动衡器中,明确规定非自动衡器按大类分为非自动天平与非自 动秤。目前我国产品标准中列入的十大类衡器已实现了电子化。 以地中衡的标定和四角误差调节为例, 角差调节是一个非常重要的步骤。 国家衡器计量 检定规程中做出了明确的要求, 使用大质量的砝码要比使用小质量砝码组合的效果好。 若用 大砝码应放在区域中心位置, 若用小砝码应均匀分布。 N 个承重点的秤, 将最大称量 1/ (N 一 1)的砝码分别放置在 1/N 承重台板的面积上进行偏载检定。对于承受偏载量较小的承
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载器(如料斗秤) ,在每个承重点上要施加约等于最大称量的 1/10。目前模拟式称重传感 器是依靠接线盒的电位器来调节。调节方式分为两种:供桥信号调节和输出信号调节。

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第1章
1.1 传感器标定的意义

传感器的四角标定和修正

(1)是设计、制造和使用传感器的一个重要环节。任何传感器在制造、装配完毕后都 须对设计指标进行标定试验,以保证量值的准确传递。 (2)对新研制的传感器,须进行标定试验,才能用标定数据进行量值传递,而标定数 据又可作为改进传感器设计的重要依据。 (3)传感器使用、存储一段时间后,也须对其主要技术指标进行复测,称为校准(校 准和标定本质上是一样的) ,以确保其性能指标达到要求。 (4)对出现故障的传感器,若经修理还可继续使用,修理后也必须再次进行标定试验, 因为它的某些指标可能发生了变化。 1.2 传感器标定的基本方法 将已知的被测量作为待标定传感器的输入, 同时用输出量测量环节将待标定传感器的输 出信号测量并显示出来 (待标定传感器本身包括后续测量电路和显示部分时, 标定系统也可 不要输出量测量环节) ;对所获得的传感器输入量和输出量进行处理和比较,从而得到一系 列表征两者对应关系的标定曲线,进而得到传感器性能指标的实测结果。 1.3 传感器标定的分类 1.3.1 根据被测量进行分类 (1)绝对标定法:被测量是由高精度的设备产生并测量其大小的。特点:精度较高,但 较复杂。 (2)相对标定法或比较标定法: 被测量是用根据绝对标定法标定好的标准传感器来测量 的。特点:简单易行,但标定精度较低。 1.3.2 根据标定的内容分类 (1)静态标定:确定传感器的静态指标,主要有线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。 (2)动态标定:确定传感器的动态指标,主要有时间常数、自然振荡频率和阻尼比等。 有时根据需要也对非测量方向(因素)的灵敏度、温度响应、环境影响等进行标定。 对传感器进行标定, 目的是依据试验数据确定传感器的各项性能指标, 实际上也就是确 定传感器的测量精度。传感器制造出来之后,自身的测量精度就客观确定了。但标定结果可 能因所用的标定装置或标定数据处理方法不同而出现差异。 一个高精度的传感器, 如果标定 方法不当,则很可能在实测中产生较大的误差;反之,一个精度不太高的传感器,如果标定 方法得当,反而可能在实测中产生较小的误差。 显然,提高标定设备、指示仪器的精度有助于提高标定精度。按有关规定,标定设备、 指示仪器的精度都有一最低要求。在此规定上,标定设备和指示仪器的精度越高,标定的精 度也越高。数据处理的方法很多,不同的方法有不同的精度,因此,提高对标定数据处理的 精度也很重要。 还应注意减小环境变化引起的误差。 传感器一般由制造厂在实验室内按规定条件进行标 定。 通常希望传感器的标定状态尽可能模拟实际测量状态, 但在实验室内不可能模拟各种使 用状态。使用状态改变引起测试数据变化时,将会给测量带来明显的误差。为此,设计传感 器时就应考虑这一因素的影响。 某些环境条件对传感器输出的影响不可消除时, 可在特定条 件下标定,并给出在不同条件下标定值的修正系数或修正公式。若能在测量现场进行标定, 则效果更好。

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1.4 应变式称重传感器的工作原理 称重传感器是根据力-电转换、由非电量转换为电量的工作原理而工作的, 按其工作原 理可分为电阻应变式、电容式、电感式、压磁式、压电式、振弦式等多种类型, 其中, 最常 用的是电阻应变式称重传感器。 称重测量采用目前常用并且比较成熟的方法来实现,称重传感器选用双孔梁式传感器, 如图 1.1 所示,4 片电阻应变片(图 1.1 中 1、2、3、4)粘贴在双孔梁的应变区,在称重时, 双孔梁在由被称物体产生的压力 P 和系统底盘对双孔梁的支持力 N 的作用下产生平行四边形 形变, 由这 4 片应变片接成的惠斯通(Wheatstone)电桥在供桥电压的激励下随重量不同而输 出不同的电压信号, 通过放大电路将电桥送来的微弱信号进行放大后送给 A/D 转换电路, 之 后单片机对 ADC 的结果进行处理, 最后显示或打印出来完成称重测量。 图 1.2 是一般使用双 孔梁式称重传感器构成称重系统的结构示意图,它主要由 1 秤盘,2 称重传感器,3 底盘三 部分组成。

图 1.1 双孔梁

图 1.2 称重系统的结构示意图

1.5 称重传感器的四角误差检测 将称量物体放在秤盘上的不同位置,其检测结果应大致相同,而允许有一定的偏差,这 个值就是最大四角误差,四角误差的检测方法如下: 根据国际建议 OIML 所述是依据天平满量程的三分之一重量及秤盘半径三分之一的位置 来对天平进行测量,四角误差的出现有些是由于传感器的结构与装配上产生的偏差所造成 的,而最大的误差是由于上下连动杠杆的长度不一致所产生的。 (秤盘半径是指试验载荷放 在称量盘的中心和该称量盘中心到规定的前、后、左、右方向上的正式周边的距离。 ) 如图 1.3 所示:

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图 1.3 称量盘

先将砝码放在 1 的位置上进行测量, 然后移到 2,3,4 各位置上分别进行测量。 如果所检 测出来的数值超过最大误差值范围,便需要对四角误差进行调整。 注意: (1)使用的检测砝码值要取接近天平满量程的最大整数 (2)砝码放在天平秤盘的最外侧(如图 1.3 所示) 1.6 称重传感器四角误差测试仪 1.6.1 工作原理 本检测装置称重传感器四角误差测试仪使用单组固定砝码加载的方式对称重传感器进 行加载,通过称重传感器自身 360°顺时针和逆时针旋转来模拟秤盘的四角。砝码到加载装 置中心的距离为加载半径, 当称重传感器顺时针和逆时针旋转到预定的角度时, 砝码即时加 载,同时控制系统记录下称重传感器的输出值,作为将来修正的依据。 1.6.2 结构特点 称重传感器四角误差测试仪主要有机身、 控制系统、 回转台、 固定夹持装置、 加载装置、 夹持装置、上固定横梁、砝码组八个部分组成。图 1.4: 称重传感器四角误差测试仪的主要装配结构如下: 机身四脚放置在地面上, 机身上部的 平台上装有一个由驱动电机驱动的可 360°旋转的回转台; 固定夹持装置可以根据称重传感 器大小调换,其一端固定在回转台上,另一端在测试时固定称重传感器;上固定横梁固定在 机身上平台上;夹持装置固定在上固定横梁上,并可夹持加载装置;加载装置处于回转台回 转中心的正上方;砝码组与加载装置的悬臂梁相关联并可加卸载荷。控制系统独立放置,分 别与夹持装置、驱动回转台的电机相连。 回转台用来带动称重传感器顺时针和逆时针旋转。 固定夹持装置用来将称重传感器固定 在回转台上,其大小可以根据称重传感器的大小进行替换。夹持装置夹持加载装置,固定在 上固定梁上,测试时夹持装置释放加载装置,加载到称重传感器上。砝码组放置在加载装置 的悬臂梁上, 砝码的大小可以根据称重传感器量程大小进行替换, 加载位置也可以在悬臂梁 上前后调节,以满足不同称重传感器模拟加载半径的需要。

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图 1.4 系统装配图

控制系统包括一个采集传感器反馈信号的信号采集单元, 一个控制驱动电机的控制输出 单元和一个显示采集传感器输出显示单元。 信号采集单元采集自传感器的输出数据能按照国 家标准规定的方法和格式对数据进行处理、显示、存贮和打印。具有方便、直观、准确、快 速、标准和便于存贮的数据处理效果。 控制系统的控制软件是为称重传感器四角误差测试检测而专门开发, 集数据采集、 自动 控制、数据管理于一体,功能齐全。软件的界面为标准的 Windows 界面风格,简洁直观, 操作简单,易于掌握。采集自传感器输出的试验数据采用数据库管理方式,自动保存所有试 验数据,并支持多种数据查询方式。数据输出能够支持中文的数据报表,并能够将数据报表 导入到 Word 或 Pdf 文档中。 1.6.3 测试过程 测试开始前, 操作人员首先根据称重传感器的大小选择合适的固定夹持装置, 然后将称 重传感器一端固定在固定夹持装置上。 再根据称重传感器的检测标准, 选择对应质量的砝码 组加载到加载装置的悬臂梁上, 并根据加载半径要求调节砝码组在悬臂梁上的位置, 最后将 加载装置下端与称重传感器相连。 测试开始时, 操作人员通过控制系统控制夹持装置松开加载装置, 砝码组通过加载装置 将载荷加载到称重传感器上。通过控制装置控制回转台按试验流程进行顺时针和逆时针旋 转, 由于加载装置和回转台的回转中心处于同一直线上, 称重传感器与加持装置连接的一端 绕被加载的一端旋转,与此同时砝码组进行卸载。当回转台旋转到试验流程规定的角度时, 控制装置记录称重传感器在砝码组加载下, 四个不同角度的输出值, 再对传感器进行修正标 定,存储并显示测试结果,从而完成测试。 测试结束后,操作人员通过控制系统控制夹持装置夹起加载装置,取出称重传感器,并
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在称重传感器上根据修正标定的数据做出标识,以便后道修正工序修正误差。 1.7 称重传感器四角误差的修正方法 采用单个传感器的电子秤有计价秤、计重秤、台秤等。这些类型电子秤产生偏载误差的 原因是应变片所贴位置的弹性体受力后, 形变不均匀、 对称; 从而使同一被称物在秤台不同 位置示值不一致。 四角误差调整方法, 通常是采用修正传感器弹性体孔边缘的几何尺寸进行 实测修正; 即改变应变片所贴位置的弹性体的截面积。各角对应修正孔边缘位置如图 1.5 所示:

图 1.5 应变片的修改位置

用锉刀锉显示值最小所对应修正孔边缘的弹性体, 减少的弹性体的截面积, 改变应变 力使示值增大; 然后根据四角示值进行修正, 使各角之间差值不超出允许误差范围 , 若示 值超出允许误差范围, 重新进行量程标定即可。这种方法一般是先锉几刀, 看示值变化量, 然后再逐步接近, 以防止矫枉过正。 1.8 标定方法对称重传感器标定的影响 随着大规模集成电路及信息处理功能的飞速发展, 工业生产自动化水平越来越高, 传感 器在自动化仪器设备中使用越来越广泛,其正确使用对仪器、设备的性能起着决定性影响, 因此, 传感器必须进行正确的标定。 传感器的标定方式一般在质检部门进行, 脱离使用环境, 也可在使用环境中与设备捆绑标定(在线) ,下面对这两种标定方式的结果进行比较。 1.9 本章总结 本章主要讲述了传感器的标定以及关于标定的各个方面的问题

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第2章

测控仪的总体设计方案

2.1 四角修正 称重传感器四角误差修正的方法有很多, 但是无论我们如何修正, 首先都需要一个精确 的误差检测数据作为修正的依据, 这样才能有针对性的对称重传感器进行误差修正, 这样的 修正结果才会准确无误。所谓四角误差,是指在称重传感器在使用时,由于每次物体放置位 置不同, 产生偏载并在电阻应变计处引起附加应变, 使得称重传感器的输出产生误差的想象。 为了避免影响使用, 称重传感器在使用前必须对四角偏载误差进行检测修正, 从而消除误差。 2.1.1 结构特点及工作原理 称重传感器四角误差测试仪为了满足国内对于称重传感器按照称重传感器检定规程要 求进行检测,主要用于称重传感器的四角误差检测。 目前的检测方式主要是在模拟称重传感器使用时, 在不同方向的四个角上, 施加符合要 求的砝码,通过测量称重传感器的输出值来确定四角偏载误差。对于砝码的加载,目前主要 有手工加载和气缸驱动四个砝码组加载两种方式。 手工加载是指操作人员手工将加载砝码放置到称重传感器上, 检测称重传感器的相应输 出。但是手工放置的位置无法固定,经常出现偏差,从而影响检测精度。手工加载的量程有 限,对于量程稍大的衡器加载,手工方式加载劳动强度极大,效率低。 气缸驱动加载设备是通过气缸驱动四组砝码加卸载到称重传感器的模拟使用位置上, 检 测称重传感器的相应输出。 虽然加载位置比手工加载准确, 量程也更大, 但是其占地面积大, 使用的四组砝码自身存在加工误差, 因此检测精度也不高, 重复性差, 加加载位置相对固定, 设备只适用几个型号的传感器,通用性差。 2.1.2 工作原理 本检测装置称重传感器四角误差测试仪使用单组固定砝码加载的方式对称重传感器进 行加载,通过称重传感器自身 360°顺时针和逆时针旋转来模拟秤盘的四角。砝码到加载装 置中心的距离为加载半径, 当称重传感器顺时针和逆时针旋转到预定的角度时, 砝码即时加 载,同时控制系统记录下称重传感器的输出值,作为将来修正的依据。 2.1.3 结构特点 称重传感器四角误差测试仪的主要装配结构如下: 机身四脚放置在地面上, 机身上部的 平台上装有一个由驱动电机驱动的可 360°旋转的回转台; 固定夹持装置可以根据称重传感 器大小调换,其一端固定在回转台上,另一端在测试时固定称重传感器;上固定横梁固定在 机身上平台上;夹持装置固定在上固定横梁上,并可夹持加载装置;加载装置处于回转台回 转中心的正上方;砝码组与加载装置的悬臂梁相关联并可加卸载荷。控制系统独立放置,分 别与夹持装置、驱动回转台的电机相连。 回转台用来带动称重传感器顺时针和逆时针旋转。 固定夹持装置用来将称重传感器固定 在回转台上,其大小可以根据称重传感器的大小进行替换。夹持装置夹持加载装置,固定在 上固定梁上,测试时夹持装置释放加载装置,加载到称重传感器上。砝码组放置在加载装置 的悬臂梁上, 砝码的大小可以根据称重传感器量程大小进行替换, 加载位置也可以在悬臂梁 上前后调节,以满足不同称重传感器模拟加载半径的需要。 控制系统包括一个采集传感器反馈信号的信号采集单元, 一个控制驱动电机的控制输出 单元和一个显示采集传感器输出显示单元。 信号采集单元采集自传感器的输出数据能按照国 家标准规定的方法和格式对数据进行处理、显示、存贮和打印。具有方便、直观、准确、快
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速、标准和便于存贮的数据处理效果。 控制系统的控制软件是为称重传感器四角误差测试检测而专门开发, 集数据采集、 自动 控制、数据管理于一体,功能齐全。 2.2 测控仪的系统总体框图 按照本设计功能的要求,系统由 5 个部分组成:控制器部分、信号采集部分、报警部 分、数据显示部分、电路电源部分,系统设计总体方案框图如图所示:

称重传感器

信号放大调整电路 AT8 9S5 1 单 片 机 控 制 处 理 器 LED 显示

模/数转换

电源

步进电机

电源电路

电磁阀

气缸

四个限位开关

超重报警

图 2.1 总体方案框

信号采集部分是利用称重传感器检测压力信号,得到微弱的电信号,而后经处理电 路处理后,送 A/D 转换器,将模拟量转化为数字量输出。控制器部分接受来自 A/D 转换输 出的数字信号,经过复杂的运算,将数字信号转换为物体的实际重量信号,并将其存储到存 储单元中, 控制器还可以通过对扩展 I/O 的控制, 对键盘进行扫描, 而后通过键盘散转程序, 对整个系统进行控制。 数据显示部分根据需要实现显示功能。 电路电源部分主要是为电路提 供稳定方便的电源,将工频电压直接转换成所需的正负 5V 电压。报警部分只要是在超重时 对使用者发出警告声。 2.3 测控仪的主控制系统设计 该系统选用 AT89S51 单片机为主控制器,主要是先进行数据采集,采集由前级放大器 把压力传感器获取的电压信号放大的模拟信号,在经过 A/D 转换器转换成的数字信号。此 信号在单片机内经过数据处理及各种运算把所感知的二进制信号转换成十进制, 并送进显示 模块显示出来。此外,当单片机感知测量对象超出系统测量范围时,单片机会向报警模块发 出指令,启动声光报警装置,设计中为了安全起见,留有较大的过负载能力,因此系统报警 时的负载不会对测量器具造成损坏。 2.4 测控仪各模块的方案选型 整个硬件系统由五大模块组成,下面以控制系统结构为依据针对各模块做出具体的方 案设计。

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2.4.1 电源模块方案选型 为了使测控仪的供电方便,这里把电源设计成 220V 的交流 电经过变压器后输出正负 9V 的电压,经整流滤波电路后,通过 LM7805 和 LM7905 进行 DC/DC 变换得到正负 5V 供 压力传感器和系统的其他芯片使用。 2.4.2 数据采集模块方案选型 数据采集模块分为 3 个部分:称重传感器、前级放大器、A/D 转换器。 (1) 称重传感器选用 YBSC-500KG ,如图:

图2.2称重传感器

额定载荷 Rated load:0.05、0.1、0.2、0.5、2、5、10、20、50T 灵敏度 Sensitivity:2.0±0.003mV/V 综合误差 Total error:±0.1%F.S;±0.2%F.S 蠕变(30 分钟)Creep(30min):±0.05%F.S 零点平衡 Zero balance:±1%F.S 零点温度影响 TCO:±0.05%F.S/10℃ 输入阻抗 Input reslstance:400±10Ω 输出阻抗 Output reslstance:352±2Ω 绝缘电阻 Insulation resistance:≥5000MΩ 输出温度影响 TC SPAN:±0.05%F.S/10℃ 工作温度范围 Operating Temp Range:-30~+70℃ 安全过载 Safe load limit:150%F.S 极限过载 Lateral load limit:200%F.S 推荐激励电压 Recommend excitation:10~12VDC 最大激励电压 Maximun excitation:15VDC 密封等级 Protection Class:IP68 (2) 前级放大器 方案一: 由于晶体三极管及场效应管对环境的要求较高, 如果只采用晶体三极管或场效应管来设 计放大电路则很容易引起失真,导致设计结果不符合设计要求!阻,具有较高的放大倍数, 且不容易产生失真,参数也较容易估算。所以,此方案不适合采用。 方案二: 集成程控增益放大器。它们具有低漂移、低非线性、高共模抑制比和宽带带等优点,但
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其增益有限,只能实现特定的几种增益切换。所以我们不采用此方案。 方案三: 有运放+数模转换器(D/A)构成程控增益放大电路。放大器固定为 60dB 增益,再通 过 D/A 转换器的电阻网络衰减电路,衰减后输出,即可实现程控增益。D/A 转换器的电阻 网络可由单片机进行控制,且精度非常高,在本设计中使用 8 位 D/A 转换器 DAC0832,其 转换精度可达到 1/256,可以满足要求。而放大器使用固定的电阻接成 60dB 放大,因而 可以保证在整个通带内增益不变,稳定性较好,且容易实现,最后选定本套方案作为最终程 控增益部分的方案。 (3) A/D 转换器 方案一:积分型 AD 工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频 率),然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率, 但缺点 是由于转换精度依赖于积分时间,因此转换速率极低。所以,此方案不适合采用。 方案二: 并行比较型 AD 采用多个比较器, 仅作一次比较而实行转换, 又称 FLash(快速) 型。由于转换速率极高,n 位的转换需要 2n-1 个比较器,因此电路规模也极大,价格也高, 只适用于视频 AD 转换器等速度特别高的领域。所以,此方案不适合采用。 方案三: ADC0808 转换器——ADC0808 是采样分辨率为 8 位的、 以逐次逼近原理进行模/ 数转换的器件。其内部有一个 8 通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选 通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。ADC0808 是 ADC0809 的简化版本,功能基本相 同。 一般在硬件仿真时采用 ADC0808 进行 A/D 转换, 实际使用时采用 ADC0809 进行 A/D 转换。 可直接连接单片机,也可以满足精度要求,故采用此方案。 A/D 转换图:

图 2.3 A/D 转换图

2.5 主控制器模块方案选型 根据本设计与主控制系统的功能要求,选用 51 单片机,而且以单片机为主控制器的
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设计, 可以容易的将计算机技术和测量控制技术结合在一起, 组成新型的只需要改变软件程 序就可以更新换代的“智能化测量控制系统” 。单片机选用 AT89S51 型号。 2.6 数据显示模块方案选型 本设计只需要显示出所称实物的实际重量,由于 LED 耗电省、使用寿命长、成本低、 亮度高等优点,再加上驱动简单,容易利用单片机对其进行控制和编辑等特点选用 LED 显示。 2.7 报警模块方案选型 报警电路只在实物超出人为设定值时,才被单片机驱动。 2.8 本章小结 本章主要是阐述系统的总框图及其各大模块的方案设计,并且为个方案的选型做了 一一的讲解。

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第3章
3.1AT89S51 单片机的简介

测控仪的各单元电路硬件设计

89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能 CMOS8 位,微处理器俗称单片机。单 片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造 技术制造,与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁 存储器组合在单个芯片中,ATMEL 的 89C51 是一种高效微控制器,89C2051 是它的一种精简 版本。89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 中央处理单元选用我们熟悉的单片机,即最后电路的核心采用最常用、好用和廉价的 ATEMAL 公司的 AT89S51。 设计者必须仔细选择晶振频率, 确保标准的通讯波特率 (1200、 4800、 9600、 19.2K 等) 。 先列出可供选择的晶振所能产生的波特率, 然后根据需要的波特率和系统要求选择晶振。 有 时也不必过分考虑晶振问题,因为可以定制晶振。当晶振频率超过 20M 时,必须确保总线 上的其它器件能够在这种频率下工作。当工作频率增加时,功耗也会增加,这点在使用电池 作为电源的系统中应充分考虑。 单片机采用 89S51 单片机,它有 4K 的程序存储空间和 256B 的数据存储空间, 可以满 足编程的要求。P0 口和 P2 口用于 LED 数码管的显示。用 12Mhz 的晶振,时钟周期为 1us。 采用按键复位。其最小系统的外围电路如图所示:

图 3.1 最小系统的外围电路图

3.2 电源电路设计 本时钟电源采用整流滤波电路和三端稳压电路 LM7805 和 LM7905。 LM7805CT 芯片输 入端电压约为 5V,LM7905 芯片输入端电压约为-9V,输出端电压为-5V,输入端和输出端 的压差绝对值都应大于 2.5V,否则会失去稳压能力。电源设计图如图所示:

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图 3.2 电源电路图

3.3 前级放大器电路设计 称重传感器输出的电压信号为毫伏级, 所以对运算放大器要求很高。 我们已考虑可以采 用第 3 种方案。所采用的专用仪表放大器我们选用 INA126,其接口如图所示:

图 3.3 前级放大器电路图

3.4 显示电路设计 3.4.1 显示器件的选择 因为显示部分只是用于显示数字, 所以可以选用 LED 数码管, 在显示数字方面完全可以 满足本设计的要求。 1.JM-S10016A 型 LED 数码管介绍 2.规格:位数:1位; 极性:共阴; 引脚排布

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图3.3 引脚排布

注:3-8 : 公共脚; 参数介绍: 反向电压:5V; 正向电流:20mA; 峰值电流:100mA; 功 耗:40mW; 使用电流:动态:平均电流:4~5mA; 峰值电流:100mA; 3.4.2 LED 结构与原理

LED主要由PN结芯片、电极、光学系统及附件等组成。LED的发光体叫晶片,其 面积为10.12mil(1mil=0.0254mm2) 。 在洁净的环氧树脂中,封 装半导体晶片。在半导体的PN结的P型端加正电压,空穴就会流向N型端,电子则由N型 端流向P型端。当电子通过晶片时,带负电的电子移动到带正电的空穴区域,空穴和电子可 以直接结合,在结合的过程中,能量以光的形式释放出光子,这就是LED的发光原理。另 外,有些LED中的电子加速后在撞击、游离化过程中也可释放出能量而发光。电子和空穴 之间的能量 (带隙) 越大, 产生的光子能量就越高。 传统的发光二极管大多是利用砷化镓 (G aAs) 、磷化镓(GaP)或它们的组合晶体(GaAsP)等III-V族的半导体构 成。 LED的颜色和发光效率等光学性能与半导体材料及其加工工艺有关。 在P型材料和N 型材料中掺入不同的杂质, 就可以得到不同的单一波长的LED发光二极管, 同时电气性能 也会有所不同。根据光学原理,白光由连续光谱组成,因此,不可能制出直接发出连续光谱 的单只白光LED。在照明领域,应用最为广泛的是白光,因此,白光LED的研制和技术 进步, 关系到LED在照明领域的应用和推广。 单个LED发光二极管的光学系统包括平 行发射器、偏振片、透光罩等。光学系统可以使LED的光束以平行光或一定的光束角发射 出去。因此,改变封壳圆顶的几何形状,就可以改变LED的光束角。 白光LED可以由 一只LED产生的2种或3种单色光合成, 也可以由几只单色光LED混装在一起, 按三基色 合成原理得到白光。

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3.4.3 系统显示部分的接线图

图3.4 显示部分

3.5报警电路的设计 一个完美的电路设计, 不但只是能够保证系统能够在正常条件下稳定运行, 还要能够使 系统在非正常情况下向用户发出警告,一边是用户发现问题。为此,在设计系统后,又添加 了声光报警部分电路,如图3-16所示。把发光二极管引线接到单片机 P3.4口,把报警电路 引线接到单片机 P3.5口,当传感器检测到信号经过模数转换和单片机处理后大于系统的称 重范围时,发光二极管开始点亮,同时发出报警信号。报警电路图:

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图3.5报警电路

3.6单片机系统图

图3.6 单片机系统图

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3.7 控制部分系统图

图 3.7 控制部分

3.8 系统图仿真和实物演示 3.8.1 系统图仿真

图 3.8 系统图仿真

示例程序: #include "reg51.h" sfr P4 = 0xc0;

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sfr P5 = 0xc8; void delay() { int i, j; for (i=0; i<1000; i++) for (j=0; j<500; j++); } void main() { P0 = 0xfe; delay(); P0 = 0xfc; delay(); P0 = 0xf8; delay(); P0 = 0xf0; delay(); P0 = 0xe0; delay(); P0 = 0xc0; delay(); P0 = 0x80; delay(); P0 = 0x00; delay(); P0 = 0xff; P1 = 0xfe; delay(); P1 = 0xfc; delay(); P1 = 0xf8; delay(); P1 = 0xf0; delay(); P1 = 0xe0; delay(); P1 = 0xc0; delay(); P1 = 0x80; delay(); P1 = 0x00; delay(); P1 = 0xff; P3 = 0xfe; delay(); P3 = 0xfc;
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delay(); P3 = 0xf8; delay(); P3 = 0xf0; delay(); P3 = 0xe0; delay(); P3 = 0xc0; delay(); P3 = 0x80; delay(); P3 = 0x00; delay(); P3 = 0xff; P2 = 0xfe; delay(); P2 = 0xfc; delay(); P2 = 0xf8; delay(); P2 = 0xf0; delay(); P2 = 0xe0; delay(); P2 = 0xc0; delay(); P2 = 0x80; delay(); P2 = 0x00; delay(); P2 = 0xff; P4 = 0xfe; delay(); P4 = 0xfc; delay(); P4 = 0xf8; delay(); P4 = 0xf0; delay(); P4 = 0xe0; delay(); P4 = 0xc0; delay(); P4 = 0x80; delay(); P4 = 0x00;
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delay(); P4 = 0xff; P5 = 0xfe; delay(); P5 = 0xfc; delay(); P5 = 0xf8; delay(); P5 = 0xf0; delay(); P5 = 0xe0; delay(); P5 = 0xc0; delay(); P5 = 0x80; delay(); P5 = 0x00; delay(); P5 = 0xff; while (1) { P0 = 0x00; delay(); P0 = 0xff; P1 = 0x00; delay(); P1 = 0xff; P3 = 0x00; delay(); P3 = 0xff; P2 = 0x00; delay(); P2 = 0xff; P4 = 0x00; delay(); P4 = 0xff; P5 = 0x00; delay(); P5 = 0xff; } }

示例在 Keil 开发环境下请选择 Intel 的 8058 芯片型号进行编译,测试芯片的工作频率 为 18.432MHz。测试开始时,操作员通过控制系统控制释放的加载装置的夹紧装置,质量 设定载荷通过加载单元加载的称重传感器。 由控制装置控制的转台顺时针和逆时针转动, 由
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一端连接在测试过程中, 装载单元和转台的转动中心在同一条直线上, 称重传感器和被保留 的移动设备周围的一端的旋转被加载,在同一时间。重量团体卸载。当转盘旋转一个预定的 角度时,测试过程中,控制装置记录称重传感器在装载重量组中,五个不同的输出值的角度 传感器的校准修正,存储,显示测试结果,从而完成测试。 3.8.2 实物演示

图 3.9 实物图 上述示例程序烧录到开发板上,运行后的结果如上图所示。

3.9 本章小结 本章主要是讲述系统各单元的硬件设施, 把各单元的硬件电路具体设计与实际电路设计 做了详细的讲解,并对设计中所用到的主要芯片做了详细的阐述。

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第4章

测控仪的软件设计

4.1 主程序设计 根据系统方案,特设计出本系统主程序流程,可以用框图4-1表示。

图4.1主程序流程图

A/D 转换的工作过程是:当为低电平时,在下降沿 MAX187的 T/H 电路进入保持状态, 并开始转换,8.5微秒后 DOUT 输出为高电平作为转换完成标志。这时可在 SCLK 端输入一串 脉冲将 DOUT 端移出,读入单片机中处理。

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图4.2A/D 转换的工作过程图

4.2 显示程序设计 点亮 LED 显示器有静态和动态两种方法。所谓静态显示,就是显示某一字符时,相应 的发光二极管恒定的导通或截止,这种方法,每一显示位都需要一个8位的输出口控制,占 用的硬件较多, 一般仅用于显示位数较少的场合, 而动态就是一位一位轮流点亮各位显示器, 对每一位显示器而言,每隔一段时间点亮一次,利用人的视觉留感达到显示的目的。为了显 示字符和数字,要为 LED 显示器提供显示段码,组成一个“8”字形的7段,再加上一个小数 点位,共计8段,因此提供 LED 显示器的显示段码为1个字节。各段码的相对应关系如图4.3 所示。

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图4.3显示程序设计流程图

用 LED 显示器显示十进制数显示段码,如图4.4所示。从 LED 显示器的显示原理可知, 为了显示数字, 必须最终转换成相应段选码。 这种转换可以通过硬件译码器或软件进行译码。

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图4.4显示程序设计

4.3 本章小结 本章主要提供了本设计的系统软件的设计总体方案, 主要分为主程序、 MAX187转换程 序和显示程序设计,同时阐述了各程序的流程图。

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结论
本次设计的主要技术指标主要有以下四点:称重范围 0-5KG 、分度值0.01KG、精确度 0.01KG、LED 显示。其中在实现电路功能中主要存在的问题就是称重的分度值和精确度, 涉及到信号护理、转换和放大等许多方面。其外观通过 LED 显示所有数据结果。依照我国 目前称重传感器四角误差标定的加载方式, 设计一台称重传感器四角误差标定自动加载机是 非常有必要的。 该自动加载机能够为生产称重传感器的企业提供专业的高精度的称重传感器 四角误差标定, 以解决目前手工加载方式所带来对产品质量影响较大的人工操作误差。 称重 传感器四角误差的标定是传感器出厂前的一个重要的环节, 传感器的质量好坏很大程度上取 决于此,所以需要以更加准确的方式在称重传感器四角误差标定时对秤盘进行砝码的加载, 通过该自动加载机可以实现更加准确的标定。 不足之处是:键盘输入的价格方面寻在一定的缺陷,更改价格比较繁琐。鉴于这种情况 可更改为16X16的矩阵键盘,这样就可以解决这一问题。从而达到了本次设计的最终目的, 既锻炼了我实际的动手操作能力,同时达到了经济实用的要求。

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致谢
本文从拟定题目到定稿,历时数周。在毕业论文即将完成之际,我想向曾经给我帮助和 支持的人们表示衷心的感谢。 首先要向我的指导老师 ee 老师致以诚挚的谢意,在论文的写作过程中,e 老师给了我 许许多多的帮助和关怀。e 老师学识渊博、治学严谨、平易近人,在 e 师的悉心指导下,我 不仅学到了扎实的专业知识, 也在为人处世等方面受益很大。 同时也得到了实践锻炼的机会。 她严谨的治学态度、对我的严格要求以及为人处事的坦荡将使我终身受益。 有时候也会遇到一些设计中的小问题, 总会拿来请教自己周围的同学, 他们也很热情的 给予我最大的帮助, 这样即解决了问题又节省了时间。 换有很多我无法一一列举姓名的师长 和友人给了我指导和帮助,在此衷心的表示感谢,他们的名字我一直铭记在心。 惶恐的承受诸位的恩惠,唯有乘风破浪,展翅高飞以求不负众望。

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参考文献
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附录1

系统总图

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附录 2

程序清单

A/D 转换子程序: REAND1:CLR P1.1 JNB P1.2,$ MOV R7,#8 REAND2:CLR P1.0 MOV C,P1.2 CY 中 RLC A SETB P1.0 DJNZ R7,REND2 MOV R1,A MOV R7,#4 REAND3: CLR P1.0 MOV C,P1.2 RLC A SETB P1.0 DJNZ R7,READ3 MOV R2,A SETB P1.1 CLR P1.0 MOV A,R1 MOV R7,A MOV A,R2 MOV R6,A ACALL HTOBCD RET MOV 显示子程序: MOV P2,#7FH R0,#E0H LCALL DELAY MOV R0,#D0H LCALL DELAY MOV R0,#C0H LCALL DELAY MOV R0,#B0H LCALL DELAY LED-BUF: EQU 40H DISPLAY: MOV R0,#LED-BUF MOV R3,#77H MOV A,#FFH MOV R1,#BITPORT
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LD1:

MOVX MOV MOV MOV MOV MOV MOV LCALL INC JNB RL

@R1,A A,@R0 DPTR,#TABLE A,@A+DPTR P0,A A,R3 P2,A DELAY1 R0 ACC.3,LD2 A

动 MOV R3,A SJMP LD1 LD2: RET TABLE: DB 3FH DB 06H DB 5BH DB 4FH DB 66H DB 6DH DB 7DH DB 07H DB 7FH DB 6FH DB 0AH DELAY1: MOV R7,#64H LOOP: NOP NOP NOP DJNZ R7,LOOP RET HTOBCD: PUSH A MOV R5,#03H MOV R4,#0E8H ACLL DIVZ POP R0 PUSH R0 CJNE R6,#0,HB1 MOV @R0,#0AH SJMP HB2 HB0: MOV A,R6 MOV @R0,A CJNE A,#5,HB01
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HB01:

HB1: HB2:

HB3: HB4: HB5:

DIVZ:

CLR CLR RET MOV MOV MOV MOV MOV MOV ACALL POP PUSH CJNE MOV INC JNC MOV SJMP MOV MOV MOV MOV MOV MOV MOV MOV ACALL POP CJNE MOV INC JNZ MOV SJMP INC MOV MOV INC MOV MOV RET MOV JNZ MOV

P3,4 P3,5 A,R2 R6,A A,R3 R7,A R5,#0 R4,#100 DIVZ R0 R0 R6,#0,HB3 A,@R0 R0 HB4 @R0,#0AH HB5 A,R6 @R0,A A,R2 R6,A A,R3 R7,A R5,#0 R4,#10 DIVZ R0 R6,#0,HB3 A,@R0 R0 HB4 @R0,0AH HB5 R0 A,R6 @R0,A R0 A,R2 @R0,A A,R7 BEJIN A,R6

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BEGIN:

DIVZ1:

NEXT:

JNZ RET MOV MOV MOV CLR MOV RLC MOV MOV RLC MOV MOV RLC MOV MOV RLC MOV MOV SUUB MOV MOV SUBB JC INC MOV MOV MOV DJNZ

BEGIN R2,#0 R3,#0 R1,#16 C A,R6 A R6,A A,R7 A R7,A A,R2 A R2,A A,R3 A R3,A A,R2 A,R4 R0,A A,R3 A,R5 NEXT R6 R3,A A,R0 R2,A R1,DIVZ1

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附录 3

外文翻译

称重传感器蠕变的模糊补偿方法研究
朱子健 陈仁文

[摘 要 ]本文介绍了对传感器蠕变进行补偿的新方法, 首次引入模糊识别的方法来确 定载荷的变化情况, 该方法可实现蠕变实时精确补偿, 简便易行, 避免了繁琐的传感器蠕 变模型的建立和实现过程. 实验证明这种方法精度很好. [关键词] 称重传感器, 蠕变, 模糊补偿 作为传感器性能的一个主要技术指标,蠕变误差一直受到人们的普遍关注。它是指由于 一个快速的加载增量Δ W 引起传感器输出信号的增量为Δ S 时,在所有的环境条件不变的情 况下,Δ S 随时间发生的最大变化 Ws 与Δ S 之比(Cp=Ws/Δ S(Cp 为蠕变误差))。显然蠕变是 考核时间影响的技术指标,即传感器的时间稳定性,也是传感器生产中最难控制的技术指标之 一。 传感器蠕变是由弹性体产生的正蠕变、 应变片及应变胶等产生的负蠕变综合影响而形成 的,一般来说当弹性体设计定型后,其蠕变值也就大致确定了。控制和调整蠕变的传统做法 是选用不同蠕变补偿性能的应变片,改变贴片位置及贴片胶固化工艺等方法来实现[1]。可见, 这些方法仅适用于一些精度要求不高的情况,如果要生产高精度的传感器,那么这些蠕变的控 制方法在实际生产中变得非常不现实,因为靠调节制造工艺等方法来调控蠕变,其工艺过程繁 复,返工量大且随机性高,难以实现、甚至无法实现精确控制。近年来,国外一些大公司将数字 补偿引入数字传感器中以实现蠕变控制,取得了较好的效果。通过建立传感器蠕变的数学模 型,测试出传感器的常温蠕变 ,计算并确定数学模型中的系数,利用单片机计算蠕变补偿量并 进行修正。笔者曾对这类数字补偿传感器作过很多测试,发现这种补偿尚存在以下不足,其一, 如果该传感器的蠕变温度性能好,则补偿的效果不错;若其高低温蠕变与常温蠕变不一样时 , 而补偿的时候只按常温蠕变进行补偿,则其高低温的蠕变性能反而不如不补偿。其二,数学模 型中蠕变是一个指数函数,计算量大,占用单片机资源太多,从而影响传感器动态响应。其三, 在实际的生产中每个传感器都要进行半小时的蠕变测试,尤其是传感器容量比较大的情况下, 测试本太高。 基于以上分析,本人提出一种新的模糊蠕变补偿方法,可实现动态蠕变实时补偿, 实验表明,该方法是一种提高传感器精度的有效方法。

1 传感器的蠕变特性
称重传感器的蠕变特性曲线如图 1 所示[2],其中曲线 L 为传感器的加载特性曲线,曲线 C 为传感器的卸载特性曲线。 从中可以看出,传感器的加载曲线由加载段 L0 和蠕变段 L1 组成。 在加载段 L0,传感器的输出急剧增加,迅速达到载荷的真实值 W0。 在这个时间段,由于时间极 短,传感器的产生的蠕变较小;进入 L1 段后,传感器输出发生缓慢的增加并逐渐趋近不变,这就 是传感器的蠕变;在传感器的卸载曲线 C 上,传感器的输出值以极高的速度迅速衰减 到卸载曲线的 N 点,超过 N 点,传感器输出缓慢回零,为蠕变恢复。 图 1 描述了传感器蠕变特性曲线。实际应用过程中,这样的加载情况是很少存在的,往往是 要经过加/卸载的多次循环,如图 2、3、4 所示。

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图1

传感器的蠕变特性曲线

图2

传感器多次加载时的蠕变特性

图3

加载后不完全卸载的蠕变特性

图4

含加/卸载循环时的蠕变特性

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2 补偿原理
分析上述图 1~4,不难发现对传感器的每一个加/卸载过程,都可以划分为两个区,即传感 器输出的剧烈变化区与缓慢变化区。 实际上传感器输出的剧烈变化区就是计量过程中传感器 的加卸/载段,而传感器输出的缓慢变化区实际上是传感器的蠕变段。 在测量过程中如果传感器的加/卸载段时间很短,可以认为传感器加/卸载段的蠕变为“0”,其 输出变化量就是加在传感器上载荷的变化量,即加载段末端传感器的输出为传感器上的实际 载荷。下面以图 2 为研究对象,具体介绍传感器的蠕变补偿原理。 2. 1 传感器工作过程分析 任取图 2 上一点 C,当 C 点落在图 2 上 C0 左侧时,传感器处于初始载荷与初始蠕变均为” 0”的加载段,C 点的传感器载荷 WC 即是传感器在 C 点的输出 fC,随着时间的增加,C 点逐渐 向 C0 点靠近。 当 C 点到达 C0 点,传感器到达加载曲线的终点,输出 f0 为传感器实际载荷 W0, 接着开始发生蠕变;当 C 点超过 C0,传感器实际载荷不变,仍为 W0,然而输出继续发生变化,是 变化速度大为减小,传感器产生蠕变 X。 随时间的增加,C 点到达 C1 点,X 也达到 X1,此时传感 器实际载荷保持为 W0;C 点超过 C1,传感器进入二次加载阶段。此时,初始加载条件为:传感 器初始载荷 W0,初始蠕变 X1。 传感器在该段的蠕变保持不变,实际载荷与可用下式进行计算: Wc=W0+ΔW=W0+Δf=W0+ (fc-f1) =fc- (f1-W0)=fc-X1 (1) 其中: WC 为传感器在 C 点的实际载荷; Δ W 为传感器在 C 点载荷相对于 C1 点的载荷变化; Δ f 为传感器在 C 点输出相对于 C1 点的输出变化,如在传感器加/卸载段上,Δ W=Δ f; f1 为传感器在 C1 点的输出,实际上它是传感器初始载荷 W0 与初始蠕变 X1 的和; fC 为传感器在 C 点的输出; 当图 2 中的任一点 C 到 C2 时,传感器二次加载段结束,开始二次蠕变。 C 点越过 C2,传感 器进入二次蠕变段。与上一个蠕变段相同,实际载荷保持不变,蠕变可用下式计算: Xc=X0+Δf=X0+ (fc-f2) (2) 其中:XC 为传感器在 C 点的蠕变; Δ f 为传感器在 C 点输出相对于 C2 点的输出变化; f2 为传感器在 C2 点的输出; fC 为传感器在 C 点的输出; 将上述过程应用于图 3、4 的分析,可得到相类似的结论。即在图 2、3、4 的第一个加载 段,结论相同,在图 2、3、4 的第二个加/卸载段,传感器的蠕变与载荷计算公式相同,所不同的 只是加载时Δ W>0,卸载时Δ W<0。 2. 2 蠕变补偿原理 分析上面由图 2 第二次加载得到的公式 (1) 与公式(2), 可以看出其对第一次加载即 :对 W0= 0,X= 0 时的加/卸载曲线,曲线的加/卸载段上任一点 C 的传感器载荷 WC 和蠕变段上任 一点 C 的传感器载荷 XC: WC=W0+ΔW=ΔW=Δf=fC Xc=X0+Δf=Δf=fc-W 其中:fC 为传感器在 C 点的输出,Δ W 为本次加/卸载曲线的实际载荷。其结果与前面 2. 1 中分析的结果一样,由此可以看出公式(1)与公式(2)也适合于 C0 点的计算,这说明公式(1)与公 式(2)具有通用性。 将公式(1)与公式(2)推广到传感器的整个工作过程,可得到传感器蠕变特性上任一点传 感器实际载荷与蠕变的计算方法如下: 对传感器加/卸载曲线上任一点 C,假定其当前工作段的初始载荷与初始蠕变分别为 W0 与
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X0, 1) 位于加/卸载段时,其载荷 WC 与蠕变 XC 为: Wc=fc-X0 Xc=X0 (3) 2) 位于蠕变段时,其载荷 WC 与蠕变 XC 为: Wc=W0 Xc=fc-W0 (4) 其中:fC 为传感器在 C 点的输出 在上述公式中,要确定传感器蠕变特性曲线上一点 C 的载荷与蠕变,就必须确定 C 点的传 感器输出状况,为此,考察图 1、2、3、4 中的加载段的终点 C0,可以看出围绕 C0 传感器蠕变 特性曲线的斜率发生了较为显著的变化,在 C0 点左侧,传感器蠕变特性曲线斜率的绝对值远 远大于 C0 点右侧蠕变特性曲线的斜率。 根据这一点可以方便的确定蠕变的起始点,从而确定 当前载荷 W。

3 蠕变的模糊补偿方法
以上介绍了称重传感器蠕变的补偿原理。 已知当前加载段的传感器载荷初值 W0 与初始 蠕变 X0 时,利用上述原理,根据传感器输出的变化状况可以方便的确定当前加/卸载段载荷变 化Δ W,从而确定传感器实际载荷 W。这里涉及到一个载荷剧烈变化的概念,在实际应用中, 很难用一个明确的定义界定所谓的“剧烈变化” 。为此,本文引入模糊识别的方法来确定载荷 的变化状况。 3. 1 模糊识别原则 目前,模糊识别主要有两种方法:最大隶属原则与择近原则。最大隶属原则主要用于个体 的识别,而择近原则则是用于群体模型的判别。根据具体情况,本文采用最大隶属原则来辨识 蠕变的起始点。 根据最大隶属原则[3, 4]: 设 Ai∈F(U)i= 1, 2,?,n,对 u∈U,若存在 i 使 Ai(u0)= max{A1(u0),A2(u0),?,An(u0),则认为 u0 相对的属于 Ai 3. 2 传感器载荷变化状况的辨识 这里设 f0 为前一时间段传感器的输出,ft 为当前时刻传感器的输出,则传感器当前的输出 变化量Δ f 为:Δ f=ft-f0 其对传感器输出的相对变化量 Z 为:Z=Δfft 从简化算法的角度出发,本文采用传感器的相对输出变化量代替传感器的输出相对变化 率,以考察传感器输出变化的剧烈程度。 取采样时间段(或采样时间段的整数倍)内传感器的相 对输出变化量 Z 为论域 U,A1、A2 分别为 U 上的模糊集<剧烈变化><缓慢变化>,经行业内 随机抽样调查,其隶属函数可分别表示为: A1(Z)= 0 Z≤10 Z- 10 90 2 10<Z≤100 1 Z> 100 (5) A2(Z)= 1 Z≤10 1 -Z- 10902 10<Z≤100
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0 Z> 100 这里,η 的单位为 1/100 000。 实际计量中,传感器利用上面各处的隶属函数分别计算某个 时间段上的一点对上述两个模糊集的隶属度,判断该点的载荷状况,根据载荷状况的不同选用 公式(3)或(4)计算该处的实际载荷与蠕变。 3. 3 传感器蠕变模糊补偿方法的实现 采用上述的补偿方法,这里以图 2 所示的正蠕变曲线为例说明传感器蠕变的模糊补偿过 程。在图 2 所示的加载过程中,在 C0 左侧段,传感器从“0”载荷“0”蠕变处开始工作,首先 经过输出急剧变化的加载段,而后进入蠕变段,传感器输出缓慢增大。在这一段,传感器系统的 计算机以一定的速度读取传感器输出 , 计算输出变化 , 求取当前的时间点对模糊集 < 剧烈变 化>与<缓慢变化>的隶属度 A1(Z)和 A2(Z),并比较二者大小,而后将传感器当前的输出存储。 当 A1(Z)<A2(Z)的第一个时刻 t 上,传感器认为上一时刻即为传感器的蠕变点,将上一时刻传 感器的输出减去存储器中存储的蠕变量得到传感器所承受的实际载荷。然后,传感器将这一 数值作为下一加/卸载段的初始载荷 W0 取代存储器中的 W0 旧值。进入蠕变段后,传感器计 算机继续读入传感器输出、计算当前时刻对模糊集 A1 和 A2 的隶属度、比较大小、判别是 否继续发生蠕变,如是,传感器系统计算机用传感器当前输出减去上述 W0 求传感器当前蠕变 量 X,并存入存储器,代替旧蠕变值;这样通过不断的对载荷状况的模糊识别,对各过程内的初 始载荷及蠕变值进行动态修整,从而得到传感器的实际载荷。 上面详细介绍了称重传感器正蠕变的补偿方法 ,需要明确的是,对负蠕变,上述方法同样适用, 只是蠕变 X<0。

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验证试验

采用上述的补偿方法对其进行了试验验证。实验步骤:对一个 30 kg 的传感器先加载 10 kg,等 2m in,再加 10 kg,等 2m in,卸载至零点,等 2m in,再加载 30 kg,等 5m in。 在刚加载完及下 一次加载前分别读取传感器输出值。实验数据见表 1。 表 1 测试数据 实际重量/Kg 10 20 0 30 时间/s 012 0012001200300 补偿前 输出/kg 10. 000 3 10. 003 9 20. 004 2 20. 006 3 0. 006 0. 001 5 30. 001 8 30. 015 3 误差(%F.S) 0. 001 0. 013 0. 014 0. 021 0. 002 0 0. 005 0. 006 0. 053 补偿后 输出/kg 10. 000 3 10. 000 3 20. 000 9 20. 000 9 0. 000 6 0. 000 6 30. 001 5 30. 001 2 误差(%F.S) 0. 001 0. 001 0. 003 0. 003 0. 002 0. 002 0. 005 0. 005

5 结束语
蠕变补偿是目前绝大多数传感器生产厂家均未能采取的补偿方式,一些国外公司进行蠕 变补偿,其采用建立数学模型而后根据数学模型进行数字补偿的方法。 这种方法生产成本高、 运算量大且环境适应性不是很好。而以上介绍的称重传感器蠕变特性的模糊补偿方法,通过 对传感器工作状况及蠕变的分析,利用称重传感器的蠕变特性曲线中其加/卸载变化斜率与蠕 变变化的斜率不同,用两种不同的隶属度函数对传感器的当前时刻的相对输出变化量进行计 算,并与动态的模糊识别方法相结合 ,确定蠕变的起始点以及各过程的载荷状况 ,通过动态的 模糊识别,根据载荷状况的不同,利用初始蠕变值和初始载荷就能确定该过程的实际载荷或新 的蠕变值,因计算量小、且计算简单,不会影响传感器的动态响应性能。由于传感器能连续对
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不同过程中的蠕变量进行动态的修正,所以在测量过程中能实现对蠕变误差进行实时调控,因 此传感器能够进行高精度的蠕变补偿,该补偿简单易行,不必事先对传感器进行蠕变测试或调 整制造工艺,制造成本低,易于计算机实现及批量生产。本方法由于不受传感器的载荷与温度 等环境影响,补偿精度高,是称重传感器的蠕变误差补偿的一种全新的方法。 参考文献
[1] [2] [3 ] [4] 马良程.应变电测与传感技术[M ].北京:中国计量出版社, 1993; 396-408 陶宝祺.电阻应变式传感器[M ].北京:国防工业出版社, 1993; 9-64 M amdni E H, Application of Fuzzy A lgorithm s for Control of Simple Dynam ic Plant[J]. Proc. IEEE, 121 DuboisD and PradeH. Fuzzy Sets and System s:Theory and Aplications[M ]. New York, 1980

(1974); 12: 1585-1588

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