基于虚拟技术的高精度称重系统设计

葛 亮，李俊兰，胡 泽，赵薇薇

（1. 西南石油大学 电气信息学院，成都 610500；2. 中国石油集团工程设计有限责任公司 西南分公司，成都 610041）

0 引言

传统的量具是杆秤或盘秤，随着电子技术的不断发展, 传统的称重系统在功能、精度、智能化、性价比等方面越来越难以满足人们的需要。20世纪70年代出现的电子秤，在各行各业中开始显现其测量精度高，测量速度快，操作简单易学，已经取代传统型的机械杠杆测量秤。随着人们生活水平不断提高，计算机走进千家万户，电子秤往往都是商家提前制作好的成品，不能和现在的计算机相连接，功能单一，不能根据用户需要进行实时更改系统的使用功能[1]。

基于虚拟技术的称重系统是一种智能化电子秤，采用现代传感器技术、数据采集技术和计算机技术而实现的一体化的电子称量装置[5,6]。用虚拟软件显示界面，可接打印机，还可自主设置被称量物体的价格，并显示付款金额，来满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动、远程同步”称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。因此，设计基于虚拟技术的高精度称重系统具有很高的实用价值[2]。

1 系统的总体框架设计

图1 系统总体设计框架

经过方案比较和论证，最终确定的系统总体设计框架图如图1所示。当物品放到悬臂梁上，悬臂梁受到被称重物的重力作用变形，使得粘贴在悬臂梁上的电阻应变片阻值发生变化，经过电桥测量电路转化为电压信号，电压信号的强弱随物重的大小而变化，该电信号经信号调理电路后，送入AD574进行模数转换，转换后的数字量与物重成正比，再进入AT89S52进行数据处理，然后经过串口MAX232送入计算机，计算机经过数据处理，在LabVIEW软件界面中实现实际质量显示、付款金额显示以及称量历史记录保存等功能。

2 系统硬件电路设计

2.1 传感器

悬臂梁式弹性元件具有结构简单、加工比较容易、应变片粘贴方便、灵敏度较高等特点，适用于制作小量限测力传感器。此类弹性元件有两种基本形式，一种为等截面悬臂梁，另一种为等强度悬臂梁，本设计采用等截面悬臂梁式传感器。

2.2 信号放大电路

根据传感器输出信号特点，放大器的设计主要是高增益，低噪声。AD公司生产的AD620以其低噪声的优越性能为低频微伏信号检测提供了很好的选择[3]。将传感器输出的电信号通入AD620的输入端，经放大后从AD620的第6脚输出，输出电压作为放大器OP07输入电压，再进行放大。由于悬臂梁式传感器输出信号易受外界因素影响，电压值有微小变化，为了使放大倍数更精确，故在OP07的反馈电阻上串联一个50K的滑动变组器。传感器的输出电压信号在0～6.5mv左右，在整个放大电路中只需相应调节滑动变组器阻值来满足所需的放大倍数。其放大电路原理图如图2所示。

图2 信号放大电路

2.3 数据采集电路

为了实现对传感器输出压力信号的采集，设计了如图所示的AD574与单片机的接口电路图。由于AT89S52单片机是八位机，对转换结果只能按双字节分时读取，故2脚接地。 AD574输出带三态输出的连接方式，故可以将其直接挂在数据总线上。图中AD574的高八位数据线接单片机的数据线，低四位数据线接单片机的低四位数据线，AD574的CE信号要求无论是单片机对其启动控制，还是对转换后数据的读入，都应该为高电平有效，所以和通过“与非”逻辑接CE信号；由于AD574的转换速度很快，故采用查询方式读取转换后的数据，将单片机的P2.5引脚与 AD574的工作状态指示（STS）引脚相连，通过P2.5引脚查询STS端口状态，当STS为0时，表明转换结束。

2.4 通信电路

数据通信在硬件上采用三线制，将计算机串口和单片机串口的三个引脚（RXD，TXD，GND）分别连在一起，即将单片机与计算机的发生数据线TXD与接收数据线RXD相互交叉连接，同时将两侧的接地线GND直接相连。

3 系统软件设计

系统软件分为单片机软件和计算机软件两个部分，单片机软件使用汇编语言进行编写，主要实现时间的测量和距离的计算功能；计算机端软件选用LabVIEW图形语言进行编写，实现登陆密码验证、重量显示、单价设定、显示付款金额和称量历史记录等功能[4]。其中，计算机端软件界面如图4所示。

工作原理：单片机上电复位后，由程序进行初始化操作，控制ADC选择输入模拟通道，并将模拟信号进行A/D转换，单片机采集数据后进行保存和数据处理，再通过串口通信送入计算机。

图3 数据采集接口电路

图4 计算机端软件界面

4 系统测试结果

结果测试，得到数据如表1所示，通过数据可以看出，系统测量误差在0.2%以内，可以满足日用称重测量需要。

5 结论

1）本文提出了一种基于虚拟技术的高精度称重系统的设计方案，从系统的硬件设计和软件设计两个部分详细地阐述了该称重系统的开发过程。

表1 系统测试数据

2）通过对该称重系统进行测试，验证了系统测量误差在0.2%以内，满足日常高精度测量需要。

3）在设计该高精度称重系统中，利用了虚拟仪器技术，用户可以根据需要对计算机端软件进行修改以适应不同的使用需要。

[1] 李秉荣, 刘夫云, 程雄, 王乔义, 蓝毓胜, 马永辉. 自动称重系统的设计与实现[J]. 电子器件, 2010, (02) .

[2] 周祖濂. 数字称重系统——称重技术新概念[J]. 衡器,2005, (05) .

[3] 胡泽, 葛亮, 李俊兰, 张禾, 陶真. 钻井工程参数测试的小信号放大电路设计[J]. 微计算机信息, 2011, (04) .

[4] 程路, 张宏建, 曹向辉. 车辆动态称重技术[J]. 仪器仪表学报, 2006, (08) .

[5] 邬蓉蓉, 滕召胜, 谭旗, 林海军. 基于C#.NET的智能化汽车衡称重管理系统[J]. 仪表技术与传感器, 2010, (07) .

[6] 张乐, 鲁仁全, 徐生林. 车辆衡自动称重系统的设计与实现[J]. 浙江大学学报(工学版), 2010, (07).