转：浅谈应变称重传感器专用测量单元的设计

数字式传感器系统是在传统电阻应变式传感器基础上，结合现代微电子技术、微型计算机技术集成而发展起来的一种新型电子称重传感器。目前，数字式称重传感器已经广泛应用于电子汽车衡、电子轨道衡以及电子皮带秤等各种电子衡器中。1　系统设计本系统是针对应变称重传感器的专用测量单元的设计,
即通过对外加芯片电路的调整、调试, 使传统的应变称重传感器数字化、智能化, 使其能以更高的精度、更快的速度输出更准确的结果, 并适宜于同其他数字化设备连接,
便于下载和调试。整个系统主要包含传感器、数字测量模块以及进行相应调试显示功能的仪表或计算机。其总的系统结构框图如图1所示。
首先被测信号(压力、温度) 通过传感器部分转化为电信号。然后, 产生的测量电信号被输入到数字测量模块进行A /D
转换、数字补偿等数字处理,以达到工业实际应用的精度要求。最后补偿完的正确的重量信号将以RS -
485的通信形式通过数据通信单元输出给计算机、显示仪表等来完成各项补偿的数学建模功能及显示功能。2　系统硬件电路设计2.11　整体设计在应变称重传感器专用测量单元的设计中,
数字测量模块是最重要的一个部分。本设计采用C8051F350单片机作为数字测量模块的主控芯片,
来控制数字测量模块乃至整个系统。C8051F350单片机自带全差分Σ - Δ方式24位8通道AD转换单元, 8位2通道DA转换单元,
而且内建有温度传感器、片内可编程增益放大器及8Kflash存储空间,
能够很好地实现本设计的设计目标。应变称重传感器专用测量单元的硬件连接电路主要可分为以下三个部分:
传感器与数字测量模块接口电路、数字测量模块电路和数字测量模块与显示驱动芯片接口电路。传感器(包括温度补偿芯片)
与数字测量模块接口电路主要是完成将传感器测得的非电量信号(包括称重信号和温度信号)
送入数字测量模块中进行处理。数字测量模块部分电路的设计主要是完成将传感器输入的重量和温度信号进行放大、滤波、AD转换和补偿等处理。数字测量模块与显示驱动芯片接口电路主要是将处理后的数据送入显示屏进行显示,
以便于观测。2.12　传感器与C8051F350单片机接口电路本系统在传感器接口电路部分采用了改进型带反馈补偿输入的称重传感器接口,
即在传感器对外接口中除了常用的电源、模拟地、模拟输入四条线外,补充了两条反馈补偿输入线。其中两条模拟输入线分别接入C8051F350的A IN012和A
IN013; 两条反馈补偿输入线中数据线接入P010而时钟线接入P011。这样,
在传感器将模拟量输出到AD转换器的同时温度补偿芯片AD7416也同时输出补偿参数给单片机,
实现了对传感器输出的补偿。2.13　RS485通讯芯片与C8051F350单片机接口电路RS485通讯芯片与C8051F350单片机接口电路中采用了75ALS180接口芯片。由于RS
- 485采用可使能控制的平衡发送和差分接收方式来实现全双工通信, 因此本系统将单片机的P114 与75ALS180 的DE端相连,
作为RS485通讯的使能控制端; 将P113和P115与75ALS180 的R 和D 端相连, 作为RS485通讯的输入输出端RXD和TXD;
同时将75ALS180的RE端接地以使其一直有效。这样, 便可以利用单片机来进行RS485数据的读写控制,
完成了RS485通讯芯片与C8051F350单片机接口电路的配置。2.14　数字测量模块与显示驱动芯片MAX6952接口电路为了便于测量结果的显示,
采用显示驱动芯片MAX6952驱动显示屏显示称重结果, 并由C8051F350单片机对其进行控制。MAX6952 是一种串行显示驱动芯片,
一片MAX6952最多可以驱动4组5位7段LED显示器, 本设计让这四组显示器显示测量台重量、皮重、毛重、净重。系统的总体电路如图2所示。
进行各种称重行为, 如传感器校准、称重、去皮、调零等的操作,
需要开发一套通信命令码协议对其加以控制。这样一来所有的外接通信设备都要求以这种通信格式开发相应的控制程序, 对称重模块发出各种称重请求信息,
从而提高了称重模块的适用范围[ 7 ]
。同时还可以交给不同的用户按照自己的需要开发自己的操作终端。本通信协议对命令头、选址码、功能码、校验码及命令尾均有严格规定。 (1)
命令头标志着一次信息传输的开始; (2) 选址码用于从数据众多的接收机中确定目的机; (3) 功能码又包含称重功能码和辅助功能码两部分:
称重功能码是与称重行为相关的命令码, 主要包括调零、称重、去皮、显示四个命令; 辅助功能码则主要是系统自身设置相关的命令, 主要包括:
错误检测和采样率设置两个命令; (4) 校验码为用于校验目的的一组数据项的和,以十六进制为数制表示的形式; (5)
命令尾标志着一次信息传输的结束。3.12　系统执行流程测量单元对命令码的响应通过中断程序interrup t_ Init () 来实现。初始时,
程序认为除预先规定好的命令头以外的所有命令都为无效命令, 只有在确认命令头后程序才会进行下一步操作; 确认命令头后程序会根据接收到的选址码确定目标接收机,
然后通过判断功能码进入到相应的功能子程序, 完成相应的称重功能或辅助功能; 如果程序没有收到有效的功能码程序不进行任何动作自动返回等待下一次的通信;
程序执行流程图如图3所示。
实验结果证明: 系统误差很小, 约在012%左右;专用测量单元毛重、净重及去皮功能正常; 系统的重复性良好;
可以满足工程中实际应用的要求。5　结束语随着科学技术的发展,
数字化与智能化将是未来称重传感器的发展方向之一。而为称重传感器量身定做的专用测量单元具有数字化、智能化、集成化、微型化的众多优点,
能有效克服传统模拟传感器在软硬件及应用上的不足, 必将在不远的将来大放异彩。