稱重傳感器測量單元的研究與設計

摘要:從信號傳輸形式、與上位機的通訊方式和擴展調試等三個方面對稱重傳感器的專用測量單元進行了改進，構建了一種基于C8051F350單片機的智能數字式應變稱重傳感器專用測量單元。采用了RS-485總線通訊協議做為通訊方式，首創性地開發了一套專用的控制命令碼協議，并進行了大量實驗驗證。實驗數據表明系統具有較高的測試精度和良好的重復性及時間穩定性，可以滿足工程中實際應用的要求。

關鍵字:智能稱重，數字化，RS485，C8051F350

中圖分類號:TH715文獻標識碼:B文章編號:1009-3044(2009)33-9503-03

Research and Design of Measurement Unit of Load Sensor

TIAN Jia-lin1， ZHENG Bin1， JIANG Hua2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology， North University of China， Taiyuan 030051， China; 2.Heilongjiang Hua-an Machinery co.， ltd， Qiqihar 161046， China)

Abstrct: The measurement unit of load sensor is significantly improved form three ways which are the signal’s transfer-form， the communication to the host and expandtion –debugging. A new intelligent digital application specific measurement unit based on C8051F350 MCU is attained， which communicates with RS-485 BUS and controlled by a self-made special communication codes. Many experiments were done and the experimental data indicates that the system has high measuring precision and exceptional repeatability and stability for factual application.

Key words: intelligent-loading， digital， RS485， C8051F350

21世紀是人類全面進入信息電子化的時代。隨著技術的進步，由稱重傳感器制作的電子衡器已廣泛地應用到各行各業。電子技術的飛躍進步，單片機的普及與推廣，為電子衡器提高性能、稱量自動和智能化作出了貢獻，更加速了衡器數字化、智能化、微型化和微功耗的進程[1]。在這個大背景下，數字式稱重傳感器應運而生。

1 系統設計

本系統是針對應變稱重傳感器的專用測量單元的設計，即通過對外加芯片電路的調整、調試，使傳統的應變稱重傳感器數字化，智能化，使其能以更高的精度，更快的速度輸出更準確的結果[2]，并適宜于同其他數字化設備連接，便于下載和調試。

1.1 工作原理

整個系統主要包含傳感器、數字測量單元以及進行相應調試顯示功能的儀表或計算機。其總的系統結構框圖如圖1所示。

首先被測信號(壓力、溫度)通過傳感器部分轉化為電信號。然后，產生的測量電信號被輸入到數字測量單元進行A/D轉換、數字補償等數字處理[3]，以達到工業實際應用的精度要求。最后補償完的正確的重量信號將以RS-485的通信形式通過數據通信單元輸出給計算機、顯示儀表等二次儀表來完成各項補償的數學建模功能及顯示功能。

2 系統硬件電路設計

2.1整體設計

應變稱重傳感器專用測量單元的硬件連接電路主要可分為以下三個部分:傳感器與數字測量單元接口電路、數字測量單元電路和數字測量單元與顯示驅動芯片接口電路。

傳感器(包括溫度補償芯片)與數字測量單元接口電路主要是完成將傳感器測得的非電量信號(包括稱重信號和溫度信號)送入數字測量單元中進行處理。數字測量單元部分電路的設計主要是完成將傳感器輸入的重量和溫度信號進行放大、濾波、AD轉換和補償等處理。數字測量單元與顯示驅動芯片接口電路主要是將處理后的數據送入顯示屏進行顯示，以便于觀測。

2.2 傳感器與C8051F350單片機接口電路

在稱重模塊的外部留出各種線制的稱重傳感器的連接接口，可以對不同線制傳感器(例如四線制和六線制)的輸入模擬量進行后繼處理。由于六線制的傳感器要求稱重模塊部分有反饋補償輸入，不容易受環境溫度波動等因素的影響，在精密測量及長距離測量時具有一定的優勢[4]，所以一般都用六線制傳感器，但是考慮到對傳感器的兼容性，本系統在采用了六線制的傳感器外，還預留了四線制的傳感器接口。

2.3 RS485通訊芯片與C8051F350單片機接口電路

C8051F350單片機是一款集成化比較高的單片機，內部集成了程控放大器和采用Σ-Δ方式的24位8通道ADC [5]，本系統利用P0.1和P0.0為RS485芯片的輸入輸出口。RS485通訊芯片與C8051F350單片機接口電路中采用了75ALS180接口芯片，O+O-為差分輸出端，I+I-為差分輸入端。TXD與RXD分別對應輸出前的TTL電平與輸入的TTL電平[6]，兩路信號分別和單片機的P1.3和P1.5相連。

2.4 數字測量單元與顯示驅動芯片MAX6952接口電路

為了便于測量結果的顯示，采用顯示驅動芯片MAX6952驅動4個5×7LED顯示屏顯示稱重結果，由C8051F350單片機對其進行控制。

系統的總體電路如圖2所示。

3 系統軟件實現

3.1 傳感器輸出接口協議

為了使稱重模塊能按要求進行各種稱重行為，如傳感器校準，稱重，去皮，調零等的操作，需要開發一套通信命令碼協議對其加以控制。這樣一來所有的外接通信設備都要求以這種通信格式開發相應的控制程序，對稱重模塊發出各種稱重請求信息，從而提高了稱重模塊的適用范圍[7]。同時還可以交給不同的用戶按照自己的需要開發自己的操作終端。

本通信協議對命令頭，選址碼，功能碼及命令尾均有嚴格規定，其具體格式如下:

其中，功能碼又包含稱重功能碼和輔助功能碼兩部分。稱重功能碼是與稱重行為相關的命令碼，主要包括調零、稱重、去皮、顯示四個命令;輔助功能碼則主要是系統自身設置相關的命令，主要包括:錯誤檢測和采樣率設置兩個命令。

各部分命令碼與其功能的對應關系如表1所示。

3.2 中斷程序執行流程

測量單元對命令碼的響應通過中斷程序interrupt_Init()來實現，TT為中間緩存變量，m為全局控制變量。每次跳入中斷程序m都會自動累加。然后，根據m的當前累加值選擇進入判斷命令頭、功能碼還是命令尾。當上位機發送數據時，單片機接收并存儲到SBUF，m自加。若數據無效，m被清零;若數據有效，單片機將接收到并存儲到SBUF，然后進行相應判斷，執行相應語句。

其部分程序內容如下:

swich(m)

{ case 4: if (SBUF!=A0) m=0; //本機地址為E0A0

case5:if(SBUF=AA||SBUF=BB|SBUF=CC||SBUF=DD||SBUF=BC||(SBUFFn)=F0) {TT=SBUF;

If((SBUFFn)=F0) {K2=1; TT=SBUF0F;}}

else m=0;

case 6T2 =n;

case 7:if (SBUF!=E0) m=0;

case 8:if (SBUF!=0A) m=0;

else {K1=TT;

}}}

3.3 輔助功能執行流程

接收到上位機發送的命令后，首先判斷前8位是否為命令頭，若不是，則返回;若是命令頭，繼續判斷接下來的8位是否為本機選址碼，若不是，則返回，若是，則判斷命令類型:若為采樣設置命令，則將其參數給T2，然后判斷接下來的數據是否為命令尾，若是命令尾，把T2送給K2，程序返回，若不是命令尾，程序直接返回;若為檢錯命令，則直接判斷接下來的數據是否為命令尾，若不是命令尾，程序返回，若是命令尾，則運行采樣子程序并判斷采樣結果是否接近滿量程，若接近滿量程，LED閃爍5次報警然后返回，若結果不大，LED亮一下后自動滅以示檢錯完畢，程序返回。

3.4 稱重功能執行流程

本程序執行后，將建立4個存儲單元，分別為X0、X1、X2、X3。其中，X0中存放的為測量臺的重量;X1中存放的為皮重;X2中存放的為毛重;X3中存放的為凈重。

當接收到通信命令碼協議中規定的命令頭，LED標志燈滅，同時系統對稱重信號進行采樣。然后根據《通信協議命令碼對照表》判斷所接收到的功能命令為調零、去皮、稱重、顯示中哪一種。若為調零命令，則將當前測量結果即測量臺的重量送入X0中保存;若為稱重命令，則將當前測量結果(測量臺與被測物重量)final與X0(測量臺的重量)之差送入X2;若為去皮命令，則將當前測量結果final與X0之差送入X1，然后判斷X2是否為0:如果X2=0，則表示用戶在沒有進行第一次稱重的情況下誤按“皮重”按鈕，系統自動完成本次操作，等待下一次命令;如果X2!=0，則表示用戶已經進行過第一次稱重，此時將(X2-X1)送入X3中保存。當系統執行調零、去皮、稱重中任意一種操作后，LED燈都會自動亮起以表示操作完成。若接收到的為顯示命令，則系統將會把X1，X2，X3即皮重，毛重，凈重全部顯示在顯示屏上，以供用戶觀察之用。

4 實驗及結果分析

實驗環境:溫度，25℃;濕度，52%;預熱，30 min;

4.1 基本操作功能檢驗實驗

表2為凈重功能檢驗實驗測量結果。

4.2 重復性實驗

表3為重復性實驗測量結果。

4.3時間穩定性實驗

表4為時間穩定性實驗測量結果。

4.4 結果分析

誤差分析:Δ1=(1V-0.947V)/1V=5.3%;Δ2=(1V-0.950V)/1V=5.0%;Δ3=(1V-0.946V)/1V=5.4%;

實驗結果證明:系統誤差很小，專用測量單元毛重、凈重及去皮功能正常。系統的重復性、時間穩定性良好，可以滿足工程中實際應用的要求。

5 結束語

隨著科學技術的發展，數字化與智能化將是未來稱重傳感器的發展方向之一。而為稱重傳感器量身定做的專用測量單元具有數字化、智能化，集成化、微型化的眾多優點，能有效克服傳統模擬傳感器在軟硬件及應用上的不足。必將在不遠的將來大放異彩。

參考文獻:

[1] 王祁，手航.傳感器技術的新發展—智能傳感器和多功能傳感器[J].傳感器技術，1998，17(1):56-58.

[2] 劉九卿.數字式智能稱重傳感器的發展與應用[J].衡器，2004，33(5):8-12.

[3] 周祖濂.我對數字稱重傳感器的認識[J].工業計量，2002(1):49-52.

[4] 馬朝軍，寧小杰.電子稱量技術的進展[J].河南科技，1999(10):19.

[5] 陳日興.淺談我國稱重傳感器的發展[J].儀表技術，1998(02):44-45.

[6] 劉立生，劉國輝.數字傳感器和數字稱重系統[J].質量天地，2003(2):13.

[7] 周祖濂.數字稱重系統——稱重技術新概念[J].衡器，2005(05):13-17.