三點式力矩平衡質(zhì)量測量

1、點力矩平衡式質(zhì)量測量系統(tǒng)內(nèi)容摘要 】本文通過對基于 3 點式力矩平衡原理對物體的質(zhì)量測量系統(tǒng)的組成、原理、設(shè)計選材過程詳細的闡述，并對影響系統(tǒng)精度的因素進行了分析，根據(jù)力矩平衡原理的要求以及實際應(yīng)用中存在的問題，給出了在應(yīng)用中注意的事項和解決問題的方法和措施，為基于力矩平衡原理的物體質(zhì)量測量系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的進一步拓展具有借鑒作用。關(guān)鍵詞：3 點式力矩平衡、應(yīng)變片式稱重傳感器、 電橋、單片機、RS232C通信一、概述確定物體的質(zhì)量在日常生活、 工業(yè)生產(chǎn)及工程中都有著非常重要的意義，尤其對于對于重量較大的物體重心測量，力矩平衡法是現(xiàn)在最常用的一種，利用力矩平衡原理測量物體重量及重心的方式目前有三種方

2、式：稱重平臺式、懸掛式、千斤頂式；無論何種方式都是通過點、 4 點或多支撐點的測力傳感器感知力值的大小，再通過采集系統(tǒng)對傳感器感知力值數(shù)據(jù)信號的采集， 通過計算機軟件對該信號的解算，便得到物體重心的位置值， 這便是本文將要介紹的基于力矩平衡原理的物體重量重心測量系統(tǒng)；二、系統(tǒng)的基本原理和組成系統(tǒng)組成和原理系統(tǒng)由三個稱重傳感器、信號放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模塊、看門狗模塊、單片機、RS232通信接口電路模塊及PC機等部件組成。從各測力傳感器 （或稱重平臺） 感知的力信號通過數(shù)字模塊進行采集、 A/D 轉(zhuǎn)換、處理。系統(tǒng)組成原理圖見圖 1；電源模塊（給各個模塊供電）傳感器RS232C 接口看門狗電路單

3、片機通信模塊信號放大電路A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊PC 機系統(tǒng)組成原理圖系統(tǒng)的支撐操作組合方式利用力矩平衡原理測量物體重量及重心的方式目前有稱重平臺式、懸掛式、千斤頂式三種，因系統(tǒng)支撐操作不同而有多種組合 ，其一，單一的稱重平臺式是在每一測力的支撐點下放置一臺稱重平臺，通過稱重平臺感受被測物體施加的力；其二，懸掛式是通過多套拉式測力傳感器將被測物體以一定的要求懸掛起來，由拉式測力傳感器感知被測物體施加的力；其三，千斤頂式是在每一支撐點下的千斤頂頭部配裝一壓式測力傳感器，通過千斤頂頂推測力傳感器，測力傳感器頂起被測物體進行測力；其四，在每一稱重平臺上放置一千斤頂，將稱重平臺作為千斤頂?shù)牡鬃脚_，由千斤

4、頂支撐被測物體，通過稱重平臺感知所測力；以上這四種組合形式可根據(jù)被測物體的實際，需靈活組合和使用。傳感器的選擇在選擇傳感器時，主要應(yīng)該考慮組成測量系統(tǒng)的量程、精確度、傳感器的安裝控件、周圍的壞境對傳感器可能產(chǎn)生的影響、 加載的類型以及傳感器的壽命等方面的因素。 本設(shè)計選用的傳感器為 ELC-7-2000Kg 型微型荷重傳感器。其技術(shù)參數(shù)如下表：技術(shù)參數(shù)技術(shù)指標(biāo)額定載荷10,100,200,300,500,1000,2000Kg額定輸出1.5mV非線性0.1% F.S滯后0.1% F.S重復(fù)性0.1% F.S零點輸出1% F.S零點溫度系數(shù)0.003% F.S/絕緣電阻5000M供橋電壓10V

5、DC工作溫度-2065允許過載150%F.S由以上參數(shù)可知該稱重傳感器的可用性。13.3.7參考電源設(shè)計參考電源是一種用來作為電壓標(biāo)準的高穩(wěn)定性的電壓源。本次設(shè)計中采用 5V 的參考電源來為 A/D轉(zhuǎn)換器提供參考電壓并給傳感器橋路供電。LM336-5 是高精度、低溫度飄移的基準電壓電路，以分流穩(wěn)壓器方式工作，輸出電壓+5.0V 。由于 A/D 轉(zhuǎn)換器中所需要的基準電壓要求比較高， 所以選用可調(diào)式基準電壓LM336 來穩(wěn)定輸入的電壓， 調(diào)節(jié)電位器 VR1 可獲得精密、低溫度系數(shù)的電壓輸出V5BRIREF 。如圖13-5 所示。R13VCC88330ohmV5BRIREF2V5BRIREFU10L

6、M336-5NVVR1C15C13J10K10u/16VID0.1uFVA31GNDGND圖 13-5參考電源電路信號放大電路的設(shè)計本次題目設(shè)計中信號放大電路主要分為兩部分，第一部分是由AD623 儀表放大器組成的前端放大電路，第二部分是由LM358 組成的后端放大電路。AD623 是一個集成單電源儀表放大器，它能在單電源（+3+12V ）下提供滿電源幅度的輸出。 AD623 允許使用單個增益設(shè)置電阻進行增益編程，以得到更好用戶靈活性，且符合引腳的工業(yè)標(biāo)準引腳配置（見圖13-6）。在無外接電阻的條件下，AD623 被設(shè)置為單位增益（G=1 ）；在接入外接電阻后，AD623 可編程設(shè)置增益，其增

7、益最高可達到1000 倍。8圖 13-7 所示為本次設(shè)計中 AD623 信號放大部分的電路圖， 傳感器橋路的差分號為 QQ2和 QQ1，其中 R1 和 C1， R2 和 C7 其濾波作用， AD623 由 6V 電源 V6CB 供電， C3 和 C4為電源的去耦電容，本電路中放大倍數(shù)為：G=1+100K ?/ （ R4+VR2 ）（式中 R4、 VR2 為圖 13-7 中 R4 和 VR2 的電阻值）1U18-RG+RG27-IN+VS36+INOUT45-VSREFAD623AN圖 13-6GNDR4VR2R50.01uFC1250 ohm2KV6CBV5BRIREFU1VR6500KR11

8、8C3C4400K-RG+RGQQ210K27V6CB0.1uF10u/16V-IN+VS36OUTPUTR2+INOUTQQ1GND45GNDGND10K-VSREFVR5AD623ANR3V5BRIREFC7400K500K0.01uFGND圖 13-7AD623 信號放大部分的電路圖LM358 （引腳排列圖見圖13-8）內(nèi)部包括兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器， 適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式。 在推薦的工作電源下， 電源電流與電源電壓無關(guān)。 它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有單電源供電的使用運算放大器的場合。為了方便理解， LM

9、358 可以看做如圖 13-9 所示的兩個運放， 本次設(shè)計所使用的 LM358電路如圖 13-9所示。可以通過調(diào)整 VR3 和 VR4 的值來調(diào)整放大倍數(shù)。為了清楚表明原理關(guān)系，本設(shè)計中使用的LM358 電路可以理解為兩個運算放大器并排方向使用。1U28OUTPUTAVCC27A-OUTPUTB36A+B-45GNDB+LM358圖 13-8 LM358 引腳排列圖R9VR31U28V6CBV6CBOUTPUTAVCC10KR10100K2A- OUTPUTB7A0OUTPUT3A+B-6C9C88.2KGND4510KGNDB+R?R1625KVR410u/16V0.1uFLM358Res2

10、C10R1410KGNDR80.01uF10KC12GND0.01uF GND10KGND圖 13-9 LM358 芯片電路放大部分TLC2543A/D轉(zhuǎn)換芯片考慮到測量精度、 體積及性價比的因素， 本例選擇 TLC2543 作為 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。TLC2543是 TI 公司生產(chǎn)的11 個輸入端的12 位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成轉(zhuǎn)換過程。具有模數(shù)轉(zhuǎn)換快、穩(wěn)定性好、接口簡單、價格低等優(yōu)點。TLC2543 芯片有腳雙列直插封裝，其引腳排列如圖13-12 所示。A/D20 引1AIN0Vcc20219AIN1EOC318AIN2I/O CLOCK417AIN3 DATA IN

11、PUT516AIN4DATA OUT615AIN5/CS714AIN6REF+813AIN7REF-912AIN8AIN101011GNDAIN9圖 13-12 TLC2543 引腳圖TLC2543 芯片各引腳功能如說明下：1） AIN0AIN10:11 路模擬信號輸入端；2） /CS：片選端，低電平有效；3） DA TAINPUT ：數(shù)據(jù)串行輸入端；4） DA TAOUT ：數(shù)據(jù)串行輸出端；5） EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束端標(biāo)志；6） I/O CLOCK ： I/O 時鐘輸入端；7） REF+：基準電正端；8） REF-：基準電壓負端；9） VCC：電源；10） GND ：電源地。TLC2543的控制

12、字是從 DATA INPUT 端串行輸入的8 位數(shù)據(jù)，它規(guī)定了 TLC2543 要轉(zhuǎn)換的模擬量通道、轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)據(jù)的長度以及輸出數(shù)據(jù)的格式。其中高4 位（ D7D4 ）表示通道號。 對于 0 通道到 10 通道，該 4 位為 00001010 ；當(dāng)為 10111101 時，用于對 TLC2543進行自檢，分別測試（ REF+REF- ） /2、 REF+ 、REF- 的值；當(dāng)為 1110 時， TLC2543 進入休眠狀態(tài)。低4 位決定輸出數(shù)據(jù)長度及格式，其中D3、 D2決定輸出數(shù)據(jù)長度，01 表示輸出數(shù)據(jù)長度為8 位， 11 表示輸出數(shù)據(jù)長度為16位， 00及 10 則表示輸出數(shù)據(jù)長度為12

13、 位。D1 決定輸出數(shù)據(jù)是高位先送出， 為 0 表示高位先送出， 為 1 表示低位先送出。D0 決定輸出數(shù)據(jù)是單極性（為二進制）還是雙極性（二進制補碼）。若為單極性，該位為0，反之為 1.通電后，片選 /CS 必須從高到低變化，才能開始一個工作周期，此時EOC 為高，輸入數(shù)據(jù)寄存器被置為 0，輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容是隨機的。開始時， 片選 /CS 為高， I/O CLOCK 、DA TA INPUT 被禁止， DATA OUT 呈高阻狀態(tài)， EOC 為高。使片選 /CS 變低， I/OCLOCK 、 DATAINPUT 使能， DATAOUT 脫離高阻狀態(tài)。 12 個時鐘信號從I/OCLOCK

14、端依次加入，控制字DA TAINPUT 一位一位的在時鐘信號的上升沿被送入TLC2543 （高位先送入） ，同時上一周期轉(zhuǎn)換的A/D 數(shù)據(jù)，即輸出數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)從DA TAOUT 一位一位地移出。TLC2543 收到第 4 個時鐘信號后，通道號也已收到，此時 TLC2543 開始對選定通道的模擬量開始進行采樣，并保持到第12 個時鐘信號的下降沿。在第12 個時鐘信號的下降沿，EOC 變低，開始對本次采樣的模擬量進行 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間約需要 10us。轉(zhuǎn)換完成后 EOC 變高，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)在輸出寄存器中，帶下一個工作周期輸出。此后，可以進行新的工作周期。對 TLC2543 的操作，關(guān)鍵是

15、理清接口時序圖和寄存器的使用方式。圖 13-13 是 TLC2543的接口時序圖。 從圖中可以看出， 在片選信號 /CS 有效的情況下， 首先要根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換的功能需要配置要輸入的數(shù)據(jù)。需要注意的是，在讀數(shù)據(jù)的同時，TLC2543 將上一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)輸出口伴隨輸入時鐘輸出。為了提高A/D 采樣的速率，可以采用在設(shè)置本次采樣的同時，將上次A/D 采樣的值讀出的辦法。U3V5A01AIN0VCC20V5C6219C510u/16VAIN1EOC318P100.1uFAIN2I/O CLOCK417P11GNDAIN3 DATA INPUT516P12AIN4DATA OUT615P13C11AIN5/CS714V5BRIREFAIN6REF+0.01uF813GNDAIN7REF-R11912V5AIN8AIN9GND101110KGNDAIN10TLC2543圖TLC2543A/D 轉(zhuǎn)換電路圖RS232 通信接口的設(shè)計考慮到成本和通用性，應(yīng)本設(shè)計題目的要求采用RS232C 接口實現(xiàn)單片機與PC 機的通信。 RS232 總線標(biāo)準規(guī)定了數(shù)據(jù)和控制信號的電壓范圍。在數(shù)據(jù)線 TXD 和 RXD 上：邏輯 1： -3-15V ；邏輯 0:315V在控制線和狀態(tài)線RTS、 CTS、DSR 、 DTR 和 DCD 上；信號有效： 3