智能電子灌裝秤的設計與實現

魏樹峰 (安徽電子信息職業技術學院軟件學院，安徽 蚌埠 233000)

智能電子灌裝秤的設計與實現

魏樹峰 (安徽電子信息職業技術學院軟件學院，安徽 蚌埠 233000)

電子灌裝秤廣泛應用于石油液化氣等液體的自動稱重灌裝，但在實際應用中存在功能單一、灌裝誤差較大、成本較高等問題。針對這些問題，在分析研究電子稱重原理與技術的基礎上，綜合運用傳感器技術、單片機技術和抗干擾技術，設計實現一種自動化、智能化的電子灌裝秤。實驗證明，研制的電子灌裝秤灌裝精度較高，系統運行穩定、良好，符合廠商和市場要求。

智能電子灌裝秤；傳感器技術；單片機技術；抗干擾技術

衡器(weighing machine)是稱量物體重量的器具，如秤、天平。衡器在人類生產、生活過程中有著非常重要的作用。目前市場上已有一些企業生產專用于液化氣灌裝的電子秤，但總的來看，這些產品都存在以下一些問題：①誤差較大；②灌裝方式單一；③灌裝數據不能保留；④價格昂貴；⑤操作過于復雜。為此，筆者在分析研究電子稱重原理與技術的基礎上，綜合運用傳感器技術、單片機技術和抗干擾技術，設計實現一種自動化、智能化的電子灌裝秤。

1 電子灌裝秤關鍵技術

圖1 電子稱重技術流程

電子稱重是將被測物體的質量通過稱重傳感器轉換為與之成正比的電信號，再以模擬或數字量的形式顯示出來[1]，如圖1所示。

1.1稱重傳感器技術

稱重傳感器是電子稱重系統的核心，從原理上可以分為電容式、壓磁式、光電式、電磁力式、磁極變形式、振動式和電阻應變式等[1]。

電阻應變式稱重傳感器是利用金屬的電阻應變效應將被測量轉換為電量輸出的一種傳感器，其基本原理是將構件表面的變形量轉變為電信號[2]，再進行分析處理。此類傳感器，一般結構較簡單，準確度高，適用面廣，且能夠在相對比較差的環境下使用。因此電阻應變式稱重傳感器得到了廣泛地運用，占據著稱重傳感器90%以上的市場份額[1]。

1.2單片機技術

單片機是將CPU、RAM、ROM、定時器、中斷系統和I/O接口電路集成到一起，單個芯片即構成一個小而完善的計算機系統[3]。單片機主要具有體積小、功耗低、性能高、功能強、性價比高等特點[4]。此外，現在很多單片機都提供基于C語言的開發環境，提供了豐富的函數和示例程序，加快了產品的開發速度，程序的可讀性和可移植性大大提高。

1.3抗干擾技術

抗干擾技術[5]就是研究干擾的產生根源、干擾的傳播方式和避免被干擾的措施(對抗)等問題。從廣義上講，機電一體化系統的干擾因素包括電磁干擾、溫度干擾、濕度干擾、聲波干擾和振動干擾等等。在眾多干擾中，電磁干擾最為普遍，且對控制系統影響最大。電磁干擾是指在工作過程中受環境因素的影響，出現的一些與有用信號無關并且對系統性能或信號傳輸有害的電氣變化現象。

抗干擾措施主要從硬件和軟件2個方面入手：硬件抗干擾的措施有很多，主要包括屏蔽、隔離、濾波和接地等方法；軟件抗干擾的措施主要有軟件濾波、“陷阱”程序、“看門狗”等[6]。

1.4電子灌裝秤稱重灌裝誤差分析

電子秤的誤差是對稱量結果準確度的定量描述。電子灌裝秤的誤差原因主要有以下幾點：①傳感器稱量非線性變化[7]。由于蠕變、溫漂、沖擊力、浮塵等的影響，傳感器承受載荷與其相應輸出電壓之間并非成直線關系。②零點漂移。電子秤在使用過程中受到大小不同且多次往復沖擊載荷的影響，傳感器的受力情況非常復雜，最終導致傳感器的觸點發生改變，使檢定時的原始狀態產生了變化，造成零點漂移，產生誤差。③各種干擾的影響。系統存在的干擾源有電源干擾、AD輸入通道干擾、空間磁場干擾等，均會影響最終的稱重結果。

2 智能電子秤核心硬件及抗干擾設計

圖2 電子灌裝秤總體結構

電子灌裝秤的總體結構如圖2所示。

2.1單片機選型

智能電子灌裝秤選用的單片機是STC90C516RD+，在8051基礎上擴充了數據存儲器(1280B)和程序存儲器(61KB)，內置3個定時器、看門狗和復位電路等。選用STC90C516RD+單片機應考慮如下幾方面：①功能的要求；②開發工具的要求；③未來升級的要求；④超強的抗干擾能力；⑤超低功耗；⑥性價比高。

2.2AD轉換電路設計

由于傳感器輸出的是毫伏級模擬信號，在送入單片機處理前必須進行放大和模數轉換。由于傳感器輸出的信號極小，要做到精確地測量，必須做到以下幾點[6]：①基準參考電壓必須非常穩定；②輸出控制的反饋電壓必須保持對稱穩定；③積分時間和放大倍數要適當。筆者選用ADS1230作為AD轉換器件，可以很好地解決上述問題。ADS1230是一個20位的AD轉換器，內含一個低噪聲可編程增益放大器、20位增量調制型AD轉換器，內置振蕩器。

2.3硬件抗干擾設計

1)電源抗干擾設計 電源干擾，尤其是瞬態干擾，具有隨機性強、變化速度快、持續時間短等特點，對系統的影響很大。在數字電路中，信號電平的轉換(如繼電器通斷)會產生很大的沖擊電流，在傳輸線和電源內阻上產生瞬態噪聲電壓，從而影響與電源連接的其他元器件。針對電源干擾，采取以下一些措施處理：①采用三端集成穩壓電路7805設計系統電源，而不是采用開關電源，使用1000μF大容量電解電容進行濾波。②在每個數字元器件的電源與地之間接0.1μF電容用于濾除高頻噪聲[8]。③為減少灌裝控制電路中的繼電器通斷對系統的干擾，在繼電器觸點旁設計濾波電路。

2)AD輸入通道抗干擾設計 傳感器輸出端送出的是毫伏級信號，極易受到干擾，從而產生較為嚴重的失真，影響系統的精度，甚至會觸發錯誤動作，引發安全問題。為此，采取的措施有：①采用ADS1230作為AD器件，它內置低噪聲、可編程增益放大器，具有增益穩定、失調漂移小等優點。②在傳感器輸出端與AD輸入端之間接RC低通濾波器，濾除高頻干擾。

3)空間干擾抗干擾設計 空間干擾是指通過靜電感應、電磁感應等受到的高壓、大電流或強磁場產生的干擾。在該系統中，結合液化氣灌裝設備防爆安全性的要求，將整個電路系統密封在一個金屬箱內，并將外殼接地，從而很好地解決了空間干擾問題。

圖3 軟件系統分層圖

4)PCB電路板抗干擾設計 設計PCB電路板時，采用下面一些措施避免干擾[6]：①盡量使用45°折線布線，避免使用直角折線，減小高頻干擾信號產生。②模擬、數字和繼電器電路分區布線，盡量將功率大的器件靠邊。③使用滿足要求的最低晶振頻率，使用STC90C516RD+的雙倍速和1/2增益模式，減少晶振的干擾。④采用多層印刷電路板，優化地線布線，防止地電位差和元器件間的耦合。

3 軟件系統及抗干擾設計

智能電子灌裝秤的軟件系統可以分為2大部分，一部分是架構在硬件上的驅動程序，另一部分是滿足用戶需求開發的軟件功能模塊，如圖3所示。

3.1驅動程序層主要模塊設計

驅動程序層主要是對鍵盤、數碼管陣列、AD、EEPROM等接口進行編程，向應用層提供硬件驅動服務。

1)顯示驅動設計 顯示部分的數碼管和發光二極管在邏輯上組合成一個5行6列的陣列。顯示驅動的基本思路是，將需要顯示的數據，按列由單片機串行輸出，然后通過逐列點亮。再輸出下一列數據，再點亮，循環重復這個過程。

為確保穩定顯示，顯示驅動被放到了定時中斷中，定時器初值計算方法如下：

(216-定時器初值)×指令周期=(定時時長-顯示驅動程序自身運行時間)×10-3

2)AD轉換驅動設計 電子秤的稱重部分，是由傳感器、ADS1230和單片機等共同構成。所以稱重驅動就是以ADS1230的接口編程，將其20位的串行數據變換為系統內碼值。使用ADS1230的一般過程是，先進行初始化和校準，再讀取數據。由于傳感器輸出的信號極小，極易受到干擾，為此必須對ADS1230輸出的數據進行數字濾波才可以使用。稱重驅動算法邏輯如下：①初始化；②偏移校準；③讀20位AD數據；④數字濾波；⑤若濾波次數不夠，則返回第③步；⑥返回稱重值。

3.2軟件抗干擾設計

1)采用數字濾波技術 數字濾波是用軟件的手段實現與硬件濾波器相同的作用，并且它具有成本低、可靠性高、穩定性好、使用靈活等優點。該系統采用的是中位值平均濾波法，方法是連續采樣N個數據，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N-2個數據的算術平均值。為了便于在求平均值時使用移位實現除法運算，N-2取的是2m。

2)使用STC90C516RD+的看門狗技術(WDT) 單片機內含一個WDT定時器，在程序中定時清除WDT的計數值，當程序跑飛或死循環時，WDT定時器計數值會溢出，從而強制系統復位。

3.3應用程序層設計

1)稱重灌裝 完成液化氣的自動稱重灌裝，系統自動登記皮重和灌裝數據，聲光報警，防盜報警，可單瓶灌裝，也可連續灌裝。

2)灌裝方式設定 根據用戶需求，分為總重、凈重、混合和金額等幾種灌裝方式。

3)鋼瓶設定 系統內置了100組鋼瓶數據，每組數據包括總重、凈重、提前量、鋼瓶下限和鋼瓶上限等值。

4)記錄查看 根據用戶需求，電子秤系統中最多可以存儲近數千條的灌裝記錄，每條灌裝記錄中有皮重、灌裝量、誤差和灌裝時間等信息。

5)恢復出廠設置功能 用于對灌裝記錄、鋼瓶組別數據、系統參數等進行初始化。

6)參數設置 為用戶提供界面，用于配置顯示精度、最大稱重量、日期、時間等參數。

7)校秤功能 主要用于建立實際稱重量與AD輸出數據的關系，一般出廠前需校秤一次。

4 性能分析

4.1靜態稱重測試

靜態稱重測試是指使用標準重量對電子秤進行靜態稱重實驗，采集的數據如表1所示。從測試結果

表1 靜態稱重實驗數據

看，在電子秤的有效稱重范圍內，最大誤差不超過20g，遠遠低于《液化石油氣充裝站安全技術條件(GB+17267-1998)》等國家標準中的要求，滿足用戶需要。

4.2實地灌裝測試

實地灌裝測試是將電子秤在液化氣站實地安裝后，進行灌氣測試，測試的結果如表2所示。從表中數據可以看出，灌裝誤差控制在50g以下，灌裝精度較高，完全滿足廠商的要求。

表2 實地灌裝測試數據

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[2] 周繼明，江世明. 傳感技術與應用[M]. 第2版. 長沙：中南大學出版社，2009:42-57.

[3] 梁凱淋. 單片機技術的發展及應用[J]. 中小企業管理與科技(下旬刊)，2009(12)：247.

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[8] 常濤.液化氣灌裝控制系統的開發[D].天津：天津科技大學，2005.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.02.030

TP399

A

1673-1409(2012)02-N092-03

2011-10-20

安徽高校省級自然科學研究項目(KJ2012Z016)。

魏樹峰(1977-)，男，2001年大學畢業，碩士，講師，現主要從事計算機應用方面的教學與研究工作。