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0引言
傳統(tǒng)的大噸位稱重系統(tǒng)已無法滿足現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)與工程需求［1］。企業(yè)迫切需求對其安裝在建筑工地現(xiàn)場的干混砂漿料罐中余料重量進行實時測量并實現(xiàn)遠程監(jiān)測，以便根據(jù)物料余量合理安排生產(chǎn)及輸送。根據(jù)上述特定應(yīng)用目的，設(shè)計開發(fā)一款具備多路大噸位稱重傳感器測量接口、GPS定位信息采集、GPRS數(shù)據(jù)及指令傳輸及現(xiàn)場人機交互接口等基本功能模塊的稱重儀。該稱重儀具有GPS定位、GPRS數(shù)據(jù)傳輸、以絕對值或百分比值顯示稱重值、顯示物料品種信息、遠程關(guān)閉顯示、現(xiàn)場通過按鍵設(shè)置參數(shù)、遠程參數(shù)設(shè)置、現(xiàn)場蜂鳴器及LED閃爍超限報警、遠程重啟等豐富功能，可滿足實際工程需求。
1硬件設(shè)計
該稱重儀硬件主要由大噸位稱重傳感器、A/D數(shù)據(jù)采集單元、單片機最小系統(tǒng)、GPS及GPRS模塊、現(xiàn)場人機交互接口及電源模塊等功能模塊組成，其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。

1.1稱重傳感器
該稱重儀雖然根據(jù)1～100t稱重需求設(shè)計，但在允許誤差范圍內(nèi)(此稱重儀針對2%的需求設(shè)計)可與各種量程的稱重傳感器接口，應(yīng)用于不同容量的砂漿罐體。稱重傳感器內(nèi)部集成電阻應(yīng)變片及惠斯登電橋，將壓力產(chǎn)生的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成利于采集的電壓信號。大噸位傳感器安裝在固定在地面的罐體安裝筒里面，稱重儀安裝在控制柜里，如圖2所示。

由圖2知道，該稱重儀最多可連接4路傳感器，對于3個支腳的罐體，也可用于連接3個傳感器，根據(jù)連接的傳感器數(shù)量需要通過按鍵選擇相應(yīng)的計算參數(shù)。同時，傳感器的輸入電壓靈敏度一般有1.0mV/V和2.0mV/V，也需要選擇對應(yīng)的參數(shù)。具體的參數(shù)選擇如表1所示。
1.2A/D數(shù)據(jù)采集及單片機單元
針對A/D數(shù)據(jù)采集及各種功能控制，該稱重儀核心采用了C8051F350單片機［2］。該單片機內(nèi)部集成可編程增益放大器PGA、24位差分A/D轉(zhuǎn)換器及輸出濾波器等模塊，使得該稱重儀比傳統(tǒng)的設(shè)計方案集成度更高、生產(chǎn)調(diào)試更為簡單、性價比更高。設(shè)計需求中當(dāng)量程為100t時，在10kg分辨率能穩(wěn)定顯示，則A/D轉(zhuǎn)換精度計算公式為:10kg/100t=1/10000≥1/2x，由此計算得x可取最小正整數(shù)為14，即對A/D的要求為14位精度，此單片機用作A/D采集能滿足設(shè)計需求［3］。傳感器A/D數(shù)據(jù)采集及單片機模塊電路結(jié)構(gòu)如圖3所示

1.3GPS及GPRS模塊
該稱重儀中GPS及GPRS功能模塊采用獨立設(shè)計，使得該功能模塊可與其他部件分開調(diào)試生產(chǎn)，對于該模塊功能故障的維護過程中可直接替換，縮短現(xiàn)場的維護時間，可有效降低對現(xiàn)場正常施工的影響。
該模塊與單片機核心模塊接口如圖4所示，與GPS及GPRS模塊的接口信號包含接收RXD、發(fā)送TXD及聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)LINK。接口的信號均通過高速光電耦HCPL2503進行隔離，電源通過IB0505S隔離電壓源模塊隔離，以降低GPS信號、GPRS信號及天線引入的靜噪干擾對模擬電路數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生的影響.

1.4現(xiàn)場人機接口
該稱重儀具有豐富的人機口，如圖5所示。其中，液晶屏用于顯示稱量結(jié)果、運行狀態(tài)及儀器參數(shù)等信息;按鍵用于參數(shù)設(shè)置;蜂鳴器及LED用于現(xiàn)場超限報警。

2軟件設(shè)計
軟件部分包括后臺程序與前臺程序。后臺程序包括單片機初始化程序及主循環(huán)程序;前臺程序包括串口中斷程序及定時中斷程序。
2.1主循環(huán)程序
主循環(huán)控制流程如圖6所示，包括以下幾個部分。

(1)按鍵指令處理。判斷是否有按鍵按下并根據(jù)鍵值執(zhí)行相應(yīng)的操作;
(2)串口數(shù)據(jù)處理。判斷是否完整接收完一幀數(shù)據(jù)，并當(dāng)一幀數(shù)據(jù)接收完整后對數(shù)據(jù)進行解析，根據(jù)指令修改運行模式及設(shè)定新的運行參數(shù);
(3)傳感器A/D數(shù)據(jù)采集。判斷是否允許一次數(shù)據(jù)采集，如果允許則進行一次A/D轉(zhuǎn)換任務(wù)，并對數(shù)據(jù)的進行校準(zhǔn)和存儲;
(4)數(shù)據(jù)的發(fā)送。判斷是否允許一次數(shù)據(jù)發(fā)送，如果允許則通過GPRS進行一次數(shù)據(jù)和參數(shù)的發(fā)送。
2.2前臺中斷程序
前臺程序中包含串口中斷程序，主要用于發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束的判斷及接收數(shù)據(jù)完整性的判斷，并根據(jù)結(jié)果改寫信號變量，從而改變后臺程序的運行狀態(tài)。
同時，前臺程序中還包含一個1ms定時中斷程序。每中斷1次，包含的主要任務(wù)有:讀取端口鍵值，改寫信號變量并將鍵值發(fā)送給后臺程序;通過對中斷計數(shù)的方式計算時間間隔;當(dāng)時間間隔達到設(shè)定的采集時間間隔或發(fā)送時間間隔時改寫相應(yīng)信號變量，允許后臺程序進行A/D數(shù)據(jù)采集或數(shù)據(jù)發(fā)送。
3精度校準(zhǔn)
測量儀器的設(shè)計需要考慮分辨率、精度、穩(wěn)定性等基本指標(biāo)，分辨率等指標(biāo)由設(shè)計方案決定，而精度指標(biāo)可以在儀器設(shè)計完成后通過好的校準(zhǔn)方法得以提高。校準(zhǔn)的步驟:負載m1時稱重值為M1;當(dāng)負載為m2時，稱重值為M2。根據(jù)以上測量值繪制的校準(zhǔn)曲線如圖7所示。

根據(jù)校準(zhǔn)曲線可得到校準(zhǔn)公式為:

式中:Mx為校準(zhǔn)前的稱重值;M'x為校準(zhǔn)后的稱重值，而M'x逼近實際的負載m
4結(jié)束語
該大噸位稱重儀已在成都某建筑工地現(xiàn)場投入運行，長期使用結(jié)果表明其測量精度高、性能可靠、成本低廉且維護容易。采用單片機智能控制，可對軟件進行裁剪和修改后與多種量程稱重傳感器接口使用，具有滿足各行業(yè)稱重應(yīng)用的潛力。

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