粉末狀物料稱重技術的研究

徐迅成

(杭州職業技術學院，浙江 杭州 310018)

0 引言

我國作為一個人口大國，是世界第一大食品生產國。近年來隨著人們膳食結構的調整和飲食習慣的改變，促進了食品加工業的快速發展，需要大量高品質的包裝機械和食品加工機械。未來幾年食品和包裝機械的需求量將會大幅度增加。國內的大力發展與國際市場的適時開拓與進入，勢必給食品包裝機械市場帶來更好的利潤發展空間。我國的食品和包裝機械行業近些年來所取得的成績是顯著的，但與西方發達國家的產品相比仍存在10年以上的技術差距。我國現有的一些包裝機械產品技術含量不高，特別是在定量稱重環節上，無論是速度還是精度都無法與歐美國家的同類產品相抗衡，對我國食品和包裝機械行業的整體發展已經造成了一定的阻礙。因此，在快速自動稱量中如何提高動態稱量準確度，一直是包裝機械企業急需解決的難題[1]。

1 設計的基本框架

本文的設計是基于我國定量稱重包裝機械的市場情況和發展趨勢所提出的，它利用了數字信號處理器（DSP）其獨特的結構和快速實現各種數字信號處理算法的突出優點，對如何提高包裝機的速度和精度提出了改進方案[2]。稱料斗受到的力大小由稱重傳感器轉換成與之相應的電壓信號，該電壓信號經OP07放大器放大后再A/D轉換成離散的數字信號，將此數字信號送入DSP進行處理并換算成一個判斷值。把判斷值和參考值做比較，當達到或超過時，DSP停止電磁振動給料器下料，觸發料斗開門裝置打開排料門卸料，物料落入包裝容器中，完成一個充填周期。

在硬件電路設計上要對硬件電路部分進行調試工作，在設計調試過程中，要兼顧考慮溫度和時間等因素變化引起的零漂、溫漂、時漂和失調電壓，以及稱重傳感器、信號放大器和A/D轉換器中任何一個性能不佳對精度和速度產生的影響。因為本文涉及的稱重信號是隨時間變化而變化的，屬于動態稱重過程。對于動態稱重過程要想提高動態計量精度，必須首先保證數據采集系統的靜態精度和穩態性。

2 硬件電路的設計

本文的硬件部分主要設計了DSP(數字信號處理)硬件控制平臺。該平臺主要由稱重傳感器模塊、放大電路模塊、ADC信號采集模塊、數字信號處理DSP模塊、外部存儲器模塊、CPLD(可編程邏輯器件)模塊、舵機控制模塊等組成，下面將對以上各個模塊作詳細介紹。

2.1 傳感器介紹

本設計選用的是普通的電阻應變式稱重傳感器，它是屬于雙孔梁結構，主要是彈性敏感元件、電阻應變片、檢測電路三部分組成。彈性敏感元件是一個有特殊形狀的結構件，它的主要作用是將被測的重量轉換為形變。而電阻應變片作為變換元件則將彈性體的形變同步轉換為電阻值的變化，且分別處于相反的應力區內，即當其中一對電阻的變形為拉伸時，另一對則為壓縮變形。檢測電路的主要部件是惠斯登電橋，它可以比較方便地解決稱重傳感器的補償問題，并把電阻應變片的電阻變化轉變為相應的電信號輸出[3]。

它的工作原理比較簡單，用以上四個處于相反的應力區內的等值應變電阻片組成惠斯登電橋。當不受壓力作用時此時R1=R2=R3=R4=R，電橋處于平衡狀態，稱重傳感器的輸出電壓UO=0mV。

當物料重量通過稱量料斗作用于稱重傳感器時，稱重傳感器的彈性敏感元件在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在它表面的電阻應變片也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發生變化，并且各橋臂阻值變化相同，設變化量為△R，即：R1、R4分別減小△R，R2、R3分別增大△R時，可以推出傳感器的輸出電壓為：UO=△R R·Ui。

以上可以看出，當對電橋任意對應的兩端加一恒定電壓，另外兩端便輸出對應于壓差的電壓信號，從而達到測量重力的目的。2.2放大電路的設計

由于本設計所選用的ADS8341內部沒有PGA（可編程增益放大器），所以必須外接放大電路。本設計選用差動放大電路的放大電路，電路可以有效地抑制溫漂、抗干擾能力強。

2.3 ADC采樣模塊的設計

ADS8341是一種典型的逐次逼近式A/D轉換器，它是基于電容充放電的原理來實現采樣保持功能的，在制作上用的是0.6μmCMOS工藝。輸入轉換器的模擬信號首先要通過一個4通道多路復用器，經過相應寄存器的配置選擇后進入轉換過程。如果選擇單通道模式，被選擇的通道以COM為基準進行信號采樣。在差動模式下，由兩個被選中的通道提供差動輸入。

在轉換過程中，采樣時模擬輸入的電流大小取決于設備的轉換速率。因為在采樣開始時，采樣電容進行充電，當電容充滿電荷后，就不會再有更多的電流了。所以轉換速率越快，電容充放電越頻繁，采樣時的模擬輸入電流就會越大。ADS8341雖然是以SPI串行通訊方式工作的，但經過實驗分析在幀脈沖上與5402上的McBSP不兼容。但如果把McBSP的引腳配置成通用的I/O引腳，進行SPI時序模擬還是比較容易的。

2.4 CPLD可編程邏輯器件的應用設計

在電路設計中會遇到不少組合邏輯問題，如讀寫信號譯碼和信號反向、I/O空間的擴展和鍵盤掃描等。由于這些情況較多，如果用分立元件設計會很煩雜，且占用較大的空間，不具有靈活性。我們最后選用Altera公司生產的CPLD器件EPM7128來完成所有這些功能。DSP的一些控制信號經過CPLD后輸出了RAM和FLASH的片選、讀寫信號。通過分析DSP對FLASH與SRAM的讀寫時序，就可很方便地用CPLD來實現邏輯譯碼功能。

3 DSP測控系統軟件設計

DSP程序設計部分主要考慮的問題是，如何選擇合適的控制算法來實現準確的稱重。當稱重信號采集進來后，就可以經過濾波、系統辨識等一系列信號處理方案，然后依據處理后的信號來控制開關達到準確稱重的目的。在CCS集成開發環境下，首先要對DSP進行合理的初始化，配置好相應的寄存器，開放定時器中斷，把ADC采樣程序寫在定時中斷子程序里，使采樣工作在設定的速率下，做到一個中斷采集一次。采樣之后緊接著在同一個中斷中做信號處理，然后做閾值判斷，最后退出中斷。值得注意的是，由于ADS8341自身不帶自校準功能，在采樣之前進行初始化要加上自校準的程序[4]。

系統初始化程序主要是對堆棧和狀態寄存器進行設定，這部分程序如果用C語言編的話可以直接調用庫函數，也可以自己編寫。我在編寫程序代碼時選擇了執行效率較高、執行精確的匯編語言。

初始化的工作主要：①置位INTM關閉所有可屏蔽中斷，使能中斷屏蔽寄存器中定時器的中斷，清除中斷標志位。②配置CLKMD來設定PLL，使DSP工作在較高的系統時鐘上。③通過設置等待狀態寄存器SWWSR和分區轉換控制寄存器BSCR，使得在對外部總線進行控制時自動插入設定好的等待周期，這樣一來，DSP就能很方便地與外部慢速器件相接口。④通過設置處理器工作模式狀態寄存器PMST來設定DSP的工作模式，并設定好定時器的定時時間。⑤然后就可以對串口進行初始化，完成液晶1602的復位，使其工作在期望的模式下。⑥最后啟動電磁振動給料機，設置相應的中斷寄存器來啟動定時器，剩下的是等待中斷的發生。

4 結論

綜上所述，本設計用DSP作為動態重量計量測控裝置的核心器件，為的是希望通過在硬件和軟件設計中采用了一些措施和動態控制方法，能較好地兼顧了粉狀物料重量計量精度和速度的矛盾,實現了粉狀物料連續生產過程中動態計量的包裝要求，這對改進我國當前食品企業的粉狀物料稱重技術，提高企業的生產率、降低企業的生產成本有積極意義。

［1］杜振清.國產包裝機械還要繼續熱身[J].中國包裝機械,2003,25(3)：45-49.

［2］劉建.包裝機械技術邁向何方[OL].中國機械工業技術信息網www.lannet.com.cn.

［3］王琦.電阻應變式稱重傳感器的設計[J].木材加工機械,2005(3)：20-23.

［4］趙紅怡.DSP技術與應用實例[M].北京：電子工業出版社,2003,6.