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第一節(jié)：電子稱重技術現狀和發(fā)展趨勢
電子衡器一般是指裝有電子裝置的衡器。因其 種類繁多，且涉及到貿易結算和保護廣大消費者的 利益，所以為世界各國政府普遍關注和重視，并被 確定為國家強制管理的法制計量器具。電子衡器是 自動化稱重控制和貿易計量的重要手段，對加強企 業(yè)管理、嚴格生產、貿易結算、交通運輸、港口計 量和科學研究都起到了重要作用。電子衡器具有反 應速度快，測量范圍廣、應用面廣、結構簡單、使 用操作方便、信號遠傳、便于計算機控制等特點。 被廣泛應用于煤炭、石油、化工、電力、輕工、冶 金、礦山、交通運輸、港口、建筑、機械制造和國 防等各個領域。
一、現狀

50年代中期電子技術的滲入推動了衡器制造 業(yè)的發(fā)展。60年代初期出現機電結合式電子衡器 以來，經過40多年的不斷改進與完善，我國電子 衡器從最初的機電結合型發(fā)展到現在的全電子型和 數字智能型。我國電子衡器的技術裝備和檢測試驗 手段基本達到國際90年代中期的水平。電子衡器 制造技術及應用得到了新發(fā)展。電子稱重技術從靜 態(tài)稱重向動態(tài)稱重發(fā)展；計量方法從模擬測量向數 字測量發(fā)展；測量特點從單參數測量向多參數測量 發(fā)展，特別是對快速稱重和動態(tài)稱重的研究與應 用。但就總體而言，我國電子衡器產品的數量和質 量與工業(yè)發(fā)達國家相比還有較大差距，其主要差距 是技術與工藝不夠先進、工藝裝備與測試儀表老 化、開發(fā)能力不足、產品的品種規(guī)格較少、功能不全、穩(wěn)定性和可靠性較差等。
二、發(fā)展趨勢
通過分析近年來電子衡器產品的發(fā)展情況及國 內外市場的需求，電子衡器總的發(fā)展趨勢是小型化、 模塊化、集成化、智能化；其技術性能趨向是速率 高、準確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向 是稱重計量的控制信息和非控制信息并重的“智能 化”功能；其應用性能趨向于綜合性和組合性。
第二節(jié)：系統(tǒng)的組成框圖
系統(tǒng)的組成框圖見圖l

圖1高精度電子定量包裝秤的組成框圖
如圖1所示的高精度電子定量包裝秤的組成框 圖，系統(tǒng)可以分成三個模塊：測量模塊、顯示模塊 及控制模塊。其中測量模塊就是由PST系列稱重 傳感器、放大器OP37、A/D轉換器AD574A及 8031組成；顯示模塊主要由8031、鍵盤/顯示接 口芯片8279及程序存儲器、數據存儲器組成；而 控制部分是由繼電器及8031組成。在測量模塊中， PST系列稱重傳感器把物體的質量轉換為電壓，電 壓通過OP37放大后與A/D轉換器AD574A連接， 之后進入CPU8031;顯示模塊主要是把到 CPU8031中處理的數據，通過鍵盤/顯示器接口芯 片在顯示芯片上顯示出來；控制部分主要是對加料 進行控制。其中，控制部分是一個重點。在設計 中，采用繼電器開關閥門來控制“三段加料”，即 用三個繼電器來控制三個開關閥門。，三個閥門依次 連接“快速加料口”、“中速加料口”及“慢速加 料口” （電振器），通過“三段加料法”來提高高 精度定量包裝秤的精度與包裝速度。
第三節(jié)數學模型的建立
設計在生產線上所用的包裝秤，是通過單片機 對10公斤左右的顆粒狀原料自動稱量，企業(yè)的需 求是不能在10公斤的包裝袋中灌裝的原料太多 （企業(yè)要追求利潤），而國家又有相關的法律法規(guī)包 裝袋的重量不能低于標準重量太多，要在一定的范 圍內，所以對精度和生產效率的要求比較高，當前 國內大部分料斗式電子秤就釆用二段加料法，即快 速加料和慢速加料方式。雖然二段加料法在一定程 度上能協(xié)調效率和精度兩個要求，但無法從根本上 滿足效率和精度的最佳結合。
結合實際的應用中，我設計了一加料的數學模型。 采用三段加料法，即“快速加料” + “中速加 料” + “慢速加料”。其中加料速度（流量）一般設 為100： 10： 1,在本次的設計中采用的即是三段 加料法，其加料的示意圖見圖2所示。

三段加料法雖然較好地協(xié)調了效率和精度兩個 要求，但仍然不可避免的存在稱量誤差，只有對誤 差產生的原因進行分析，才能相應做出處理，以期 盡量減小稱量誤差。
誤差產生的原因：在開始稱量時，控制系統(tǒng)首 先打開加料門，由于機械誤差的原因，加料門的開 度大小不會是一個固定的常數。特別是運行一段時 間后，機械裝置受物料的污染后，更是如此。然而 加料門的開度大小決定了加料流量的大小，這就導 致了加料流量的不穩(wěn)定。同時，由于物料品種不一 樣（比如圓形物料和橢圓形物料），它的流速也是 不一樣的，這也導致了加料流量的不穩(wěn)定。這種流 量的不穩(wěn)定給精確稱量帶來了一定的難度。
開始加料后，加料量達到一定量時，應及時關 閉加料門，當發(fā)出關閉加料門信號時，由于機械慣 性的作用，加料門總要延遲一段時間后才能完全關 閉。在這一延遲時間中，加料流量發(fā)生了變化。這 一延遲時間由機械結構決定。這一時間內的落料量 稱為落差量。

加料停止后，秤的料斗上的原來加料時產生的 沖力突然消失，這時稱量壓力傳感器受到的力會產 生一個較大的波動，其值的大小在快速加料、中速 加料、慢速加料時是不同的。
由于機械結構的制約，稱量誤差的存在無法避 免。因此，必須提出一套有效的控制算法以減小誤 差，這是設計高效率、高精度料斗式電子秤的關鍵 所在。經過研究，提出了一種有效的解決方法。
加料門關閉方法，由于快速加料的流量很大, 如果采用在離設定的稱重值某個差值時關閉快速加 料門的話，這個值的設定就顯得很重要。當設定的 稱重值比較小，特別是略大于這個差值時，會變得 很難控制。因為在加料的同時必須對秤體料斗中的 實際落料量進行釆樣，并經過計算和比較，再做出 是否關閉加料門的動作。由于這一過程的存在，往 往使快速加料門很難及時關閉，造成稱量超重。為 了解決這個問題，用時間來控制快速加料門的關 閉，當快速加料門打開一定時間后強行關閉。同樣 中速加料和慢速加料也存在這個問題，但它們流速 較小，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性基本沒有影響，所以對它們 采用離開設定的稱重值某個差值進行關閉的方法來 控制，有利于提高系統(tǒng)的稱量精度。
簡而言之，對于快速加料采用時間控制，對于 中速加料、慢速加料采用重量控制。具體說，快速 加料開tl秒就關閉，中速加料和慢速加料分別加料 到離設定值S的差值折和S2時關閉。我們稱Si、S2 為中加限和小加限。那么加料曲線存在下列關系：
5=1^! xtl+£l+K2xz2+A2+V3xi3+L3+AV Si=L2+V3xf3+Z,3
S產L3
£=£1+£2+切+左1
其中：S    稱量設定值；
t     總的加料時間；
△ V——稱量誤差量；
△——時間波動量；
V2,匕~快、中、慢速的流量；
<1, h, <3    快、中、慢速的加料時間；
L\, L2, L ~快、中、慢速加料的落差量。
第四節(jié)：硬件實現過程
首先，通過PST系列的稱重傳感器把物體的 質量轉換為電壓（其中PST系列稱重傳感器的量程 為30kg,供應電壓為10V,因為此傳感器的靈敏 度為2.0mV/V,則傳感器滿量程輸出為20mV）o由 于稱重傳感器測得的輸出電壓十分微弱，達到毫伏 級。而我采用了 AD574A模數轉換器，AD574A轉 換器有10V和20V量程的模擬輸入。假設溫度傳 感器輸出的電壓為滿量程電壓即20mV,采用的是 10V量程12位分辨率的AD574A轉換器。所以 10V電壓對應4096個分辨單元，若把20mV電壓 直接與10V電壓輸入口連接，則20mV對應的分辨 單元為8.192,這樣一個分辨單元就只能分辨 2.5mV, 2.5mV的電壓是由3.75kg的重量轉換過來 的，換句話說分辨率就成了 3.75kg,這樣精度就太 低了。所以在稱重傳感器與AD574A中要加一個放 大器，通過放大器來提高AD574A輸出電壓的精 度，我選擇了 OP37放大器。因為OP37放大器有 一定的精度及快速響應特點，非常適合高精度電子 包裝秤的精度及速度要求。其次，放大后的電壓通 過A/D轉換器AD574A轉換后連接CPU8O31。連 接在CPU上的鍵盤及LED顯示根據測量值的大小 來顯示。其中，為了提高電子秤的精度，本設計釆 用了 “三段加料控制法”，即“快速加料+中速加 料+慢速加料”。如何控制三段加料是一個難點。 本設計釆用電磁繼電器來控制開關閥門，每個加料 口由一個電磁繼電器來控制，即本系統(tǒng)有三個加料 閥門：快速加料閥門、中速加料閥門和慢速加料閥 門（電振器）。電磁繼電器是一種很容易掌握的裝 置。只要當電磁繼電器的控制電路中通有電流，它 的工作電路就開始工作。所以，我通過一個三極管 來連接繼電器，三極管導通則繼電器也啟動。而從 CPU出來的控制數據不能直接連接到三極管上，中 間要接一個鎖存器74LS373和一個緩沖器7407, 來達到數據的鎖存與緩沖。
第五節(jié)：其它
一個成功完整的系統(tǒng)離不開系統(tǒng)的硬件和軟件 的相互配合應用。如果把單片機控制系統(tǒng)的硬件比 做系統(tǒng)的軀體，相應各種程序則是系統(tǒng)的大腦和靈 魂，是人類的思維與機器硬件之間的橋梁。因本文 只涉及到高精度電子包裝秤的概要設計，因此不涉 及到軟件部分以及一些具體的實現過程。

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