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0引言
目前市場(chǎng)上的臺(tái)稱(chēng)與平臺(tái)稱(chēng)等小型稱(chēng)重計(jì)量?jī)x表，主要只對(duì)一些靜止不動(dòng)的東西（如：貨物）稱(chēng)重，而對(duì)動(dòng)的東西（如：動(dòng)物，家禽等）稱(chēng)重要么功能單一，要么不具備相應(yīng)功能，針對(duì)市場(chǎng)對(duì)于多功能臺(tái)稱(chēng)的需求，并且依據(jù)衡器國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)研制了一種新型的多功能智能稱(chēng)重儀尤為重要。其主要可解決對(duì)動(dòng)的東西（如：動(dòng)物，家禽等）的稱(chēng)重，即具有基本稱(chēng)重功能，又有動(dòng)物稱(chēng)重、計(jì)數(shù)、峰值保持和累加等特殊稱(chēng)重功能，特別適用于倉(cāng)庫(kù)物料的進(jìn)倉(cāng)出貨，也可用于生產(chǎn)線(xiàn)上產(chǎn)品抽檢或點(diǎn)數(shù)量，從而進(jìn)一步完善市場(chǎng)上的臺(tái)稱(chēng)與平臺(tái)稱(chēng)計(jì)量?jī)x表，使其具有多功能智能稱(chēng)重的特點(diǎn)，市場(chǎng)前景非常廣闊。
1多功能智能稱(chēng)重儀總體設(shè)計(jì)
多功能智能稱(chēng)重儀的原理結(jié)構(gòu)電路如圖1所示：包括稱(chēng)重傳感器、濾波電路、差動(dòng)信號(hào)放大器、PWM脈寬調(diào)制電路、A/D轉(zhuǎn)換器、中央處理單元、多功能接口電路、TM1629專(zhuān)門(mén)鍵盤(pán)/LED顯示器接口電路，通訊與打印機(jī)接口電路、電流環(huán)大屏幕通訊口、電源電路等。
信號(hào)釆集部分是利用稱(chēng)重傳感器檢測(cè)壓力信號(hào)，得到微弱的電壓信號(hào)力，而后經(jīng)處理電路（如濾波電路，差動(dòng)放大電路），以及PWM脈寬調(diào)制電路處理后，送A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出?？刂破鞑糠纸邮軄?lái)自A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的運(yùn)算，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為物體的實(shí)際重量信號(hào)，并將其存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元中?？刂破鬟€可以通過(guò)對(duì)擴(kuò)展電路的控制，對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描，而后通過(guò)鍵盤(pán)散轉(zhuǎn)程序，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)顯示部分根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)顯示功能，可通過(guò)電流環(huán)變換將數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，也可通過(guò)電平變換將信息打印出來(lái)。電路電源部分主要是為電路提供穩(wěn)定的電源電壓。

圖1多功能智能稱(chēng)重儀結(jié)構(gòu)框圖
不同稱(chēng)重功能方式下的程序載入嵌入式系統(tǒng)ARM處理芯片中，其將接收到的稱(chēng)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)處理和數(shù)據(jù)分析，處理流程如圖2所示。
（1）    基本稱(chēng)重。實(shí)現(xiàn)按鍵皮重，皮重內(nèi)鎖，自動(dòng)去皮，自動(dòng)零跟蹤，動(dòng)態(tài)檢測(cè)，手動(dòng)和自動(dòng)累計(jì)功能。
（2）    動(dòng)物稱(chēng)重。當(dāng)被稱(chēng)物在秤臺(tái)上跳動(dòng)時(shí)（如：動(dòng)物，家禽等），如使用基本稱(chēng)重方式時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)讀數(shù)跳動(dòng)；但采用此方式可以得到更加精確和穩(wěn)定的讀數(shù)。
（3）    計(jì)數(shù)。釆用此方式稱(chēng)重時(shí)，儀表顯示的是被稱(chēng)器件的數(shù)量。
(4)峰值保持?？蓽y(cè)量到設(shè)定時(shí)間段內(nèi)的最大稱(chēng)量值并顯示。主要用于材料的張力及拉力等到測(cè)量。

圖2稱(chēng)重軟件系統(tǒng)流程圖

2特殊功能稱(chēng)重算法的實(shí)現(xiàn)
在實(shí)現(xiàn)多功能智能稱(chēng)重的過(guò)程中，特殊功能稱(chēng)重方式為研究重點(diǎn)，包括動(dòng)物稱(chēng)重、計(jì)數(shù)、峰值保持和累加功能。下面就動(dòng)物稱(chēng)重和計(jì)數(shù)功能的算法實(shí)現(xiàn)做詳細(xì)闡述。
2.1動(dòng)物稱(chēng)重功能的實(shí)現(xiàn)
不論是進(jìn)行動(dòng)物的市場(chǎng)買(mǎi)賣(mài)還是進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，都需要對(duì)動(dòng)物進(jìn)行稱(chēng)重，但因動(dòng)物好動(dòng)會(huì)導(dǎo)致稱(chēng)量數(shù)據(jù)不停地大幅變化，而肉眼很難選擇合適的讀數(shù)實(shí)際，從而無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確讀數(shù)。為了解決這一難題，本文采用建模與參數(shù)估算的方法叫該方法主要是把動(dòng)態(tài)測(cè)量作為一個(gè)參數(shù)估計(jì)和預(yù)測(cè)問(wèn)題來(lái)處理，即首先根據(jù)有關(guān)稱(chēng)重測(cè)力系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，推導(dǎo)出一個(gè)含有未知參數(shù)的模型，然后用該模型去擬合稱(chēng)重測(cè)力過(guò)程的輸出信號(hào)，從而獲得最小平方誤差意義上的參數(shù)估計(jì)％由于被測(cè)重量或力值可以看成是稱(chēng)重測(cè)力過(guò)程的終值，因此它們可以用模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì)或預(yù)測(cè)。
稱(chēng)重部分由秤體和稱(chēng)重傳感器組成，可以等效為一個(gè)由彈簧、阻尼器組成的二階系統(tǒng)：
[M(t)++c—+kx=M(t)g+F(t)=G(s)
dtdt
式中：M(t)為動(dòng)物質(zhì)量，kg;m為秤體質(zhì)量，kg;c為等效阻尼系數(shù)；K為等效剛度，N/s；F(t)為動(dòng)物在秤上跳動(dòng)的沖擊力，N;x為秤體相X寸參考零點(diǎn)的位移，m;g為重力加速度m/s%
隨著動(dòng)物不停運(yùn)動(dòng)，此稱(chēng)重系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變非線(xiàn)性系統(tǒng)，可以釆用分段線(xiàn)性法將模型近似為線(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng)建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。經(jīng)過(guò)差分方法和Z變換，上式可轉(zhuǎn)化為：
M('0)=    —.丄.q.T
1+角+%N
問(wèn)題轉(zhuǎn)化為對(duì)一個(gè)模型參數(shù)的辨識(shí)問(wèn)題，對(duì)于參數(shù)識(shí)別，可以通過(guò)剔除初始階段的一些點(diǎn)來(lái)消除噪聲，用遞推最小二乘法來(lái)實(shí)現(xiàn)非零初值情況下的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重?cái)M和叫最后利用參數(shù)辨識(shí)的方法在線(xiàn)辨識(shí)的參數(shù)a,、位和b°從而求出質(zhì)量。
2.2計(jì)數(shù)功能算法的實(shí)現(xiàn)
計(jì)數(shù)可稱(chēng)為計(jì)件％其工作原理與稱(chēng)重原理類(lèi)似但又不同。計(jì)數(shù)是指在秤盤(pán)上放多個(gè)物件，然后用總重量除以單個(gè)物件的重量，經(jīng)四舍五入后計(jì)算出當(dāng)前批次的物件個(gè)數(shù)氣
根據(jù)傳感器輸出電壓U和物體質(zhì)量m呈線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系，即：
m=k,U    (3)
式中k『為比例系數(shù)。同樣，傳感器的輸出電壓在經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后與數(shù)字量的A/D值也是呈線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系，故：
m=k}k2A/D-kcA/D    (4)
式中歸是傳感器的輸入電壓與ADC轉(zhuǎn)換后的A/D值的比例系數(shù)；虹是物體重量和A/D值的比例系數(shù)。
設(shè)被測(cè)物體的質(zhì)量秤盤(pán)上的總質(zhì)量m*“，除被測(cè)物體以外，作用在傳感器上其他物體的總質(zhì)量為皿。則根據(jù)式(3)式(4)可得：
=<^/Z>0    (5)
死+0=丸&2+0    ⑹
因質(zhì)量的增加和A/D值的增加都是線(xiàn)性的，故：
』=力,+%    (7)
A/D^=AIDX+AID„    (8)
將式(6)減式(5),同時(shí)將式(7)(8)代入結(jié)果中，可得：
mx=kc(A/DJ[-A/Ds)=kc&A/D1:    (9)
設(shè)一批物件的平均質(zhì)量為m.,這批物件的個(gè)數(shù)為q,當(dāng)前放置于秤盤(pán)的總質(zhì)量為M。根據(jù)式(9)得：
M=kc^/Du
(11)
故這批物件的數(shù)量為
M_kcLA!Du
矣A/D.
kc    kj
式中k,為計(jì)數(shù)的標(biāo)定系數(shù)，表示平均一個(gè)物件對(duì)應(yīng)的A/D差值?！鰽/DM表示當(dāng)前物件的A/D值與空盤(pán)時(shí)的A/D之差。計(jì)數(shù)的標(biāo)定系數(shù)也要通過(guò)實(shí)驗(yàn)或計(jì)算的方式確定，一般為測(cè)量某一批特定的物件前進(jìn)行標(biāo)定,當(dāng)計(jì)數(shù)另一批物件時(shí)要重新進(jìn)行計(jì)數(shù)的標(biāo)定。
3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
分別對(duì)基本稱(chēng)重方式和特殊功能稱(chēng)重方式(動(dòng)物稱(chēng)重、計(jì)數(shù)、峰值稱(chēng)重)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每種稱(chēng)重方式分別測(cè)試10次。
基本稱(chēng)重方式下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

分析見(jiàn)圖3所示。

動(dòng)物稱(chēng)重方式下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖4動(dòng)物稱(chēng)重方式下的數(shù)據(jù)分析
計(jì)數(shù)稱(chēng)重方式下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

計(jì)數(shù)稱(chēng)重方式下的數(shù)據(jù)分析見(jiàn)圖5所示。

圖5計(jì)數(shù)稱(chēng)重方式下的數(shù)據(jù)分析峰值稱(chēng)重方式下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

峰值稱(chēng)重方式下的數(shù)據(jù)分析見(jiàn)圖6

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表和數(shù)據(jù)分析圖可知，在基本稱(chēng)重方式下所測(cè)試的結(jié)果非常穩(wěn)定，曲線(xiàn)呈線(xiàn)性上升走勢(shì)，誤差基本保持在0.25%,這也是稱(chēng)重系統(tǒng)中誤差率相對(duì)很小的范圍。在動(dòng)物稱(chēng)重方式下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)稍微有所波動(dòng)，但最大誤差也在0.8%左右，對(duì)于這類(lèi)特殊稱(chēng)重方式，已達(dá)到非常精確的效果。在計(jì)數(shù)稱(chēng)重方式下，數(shù)據(jù)只出現(xiàn)了兩次明顯波動(dòng)，但其他八次結(jié)果均無(wú)任何誤差，這兩次大的波動(dòng)是由外界條件人為操作不當(dāng)造成，說(shuō)明計(jì)數(shù)方式還是非常精準(zhǔn)的。在峰值稱(chēng)重方式下，數(shù)據(jù)也略微有所波動(dòng)，但誤差范圍均保持在0.4%以下，平均誤差可達(dá)0.16%。
通過(guò)對(duì)每種稱(chēng)重方式進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：該多功能智能稱(chēng)重儀可在不同稱(chēng)重方式下進(jìn)行快速準(zhǔn)確地稱(chēng)量，可滿(mǎn)足不同的市場(chǎng)需求。
4結(jié)論
本設(shè)計(jì)釆用了ARM為核心控制器，利用PWM脈寬調(diào)制電路、PWC318NA/D轉(zhuǎn)換器釆集壓力傳感器的信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波等軟件處理，實(shí)現(xiàn)基本稱(chēng)重方式和特殊稱(chēng)重方式，包括動(dòng)物稱(chēng)量、技術(shù)功能、峰值保持和累加等。以滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)于不同稱(chēng)重計(jì)量的需求。目前，該設(shè)備已完成最后調(diào)試，經(jīng)多次測(cè)試，稱(chēng)重性能穩(wěn)定，線(xiàn)性好，響應(yīng)速度快，現(xiàn)已投入生產(chǎn)，應(yīng)用前景廣泛。

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