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第一節(jié)：電子稱(chēng)重技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
電子衡器一般是指裝有電子裝置的衡器。因其 種類(lèi)繁多，且涉及到貿(mào)易結(jié)算和保護(hù)廣大消費(fèi)者的 利益，所以為世界各國(guó)政府普遍關(guān)注和重視，并被 確定為國(guó)家強(qiáng)制管理的法制計(jì)量器具。電子衡器是 自動(dòng)化稱(chēng)重控制和貿(mào)易計(jì)量的重要手段，對(duì)加強(qiáng)企 業(yè)管理、嚴(yán)格生產(chǎn)、貿(mào)易結(jié)算、交通運(yùn)輸、港口計(jì) 量和科學(xué)研究都起到了重要作用。電子衡器具有反 應(yīng)速度快，測(cè)量范圍廣、應(yīng)用面廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使 用操作方便、信號(hào)遠(yuǎn)傳、便于計(jì)算機(jī)控制等特點(diǎn)。 被廣泛應(yīng)用于煤炭、石油、化工、電力、輕工、冶 金、礦山、交通運(yùn)輸、港口、建筑、機(jī)械制造和國(guó) 防等各個(gè)領(lǐng)域。
一、現(xiàn)狀

50年代中期電子技術(shù)的滲入推動(dòng)了衡器制造 業(yè)的發(fā)展。60年代初期出現(xiàn)機(jī)電結(jié)合式電子衡器 以來(lái)，經(jīng)過(guò)40多年的不斷改進(jìn)與完善，我國(guó)電子 衡器從最初的機(jī)電結(jié)合型發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和 數(shù)字智能型。我國(guó)電子衡器的技術(shù)裝備和檢測(cè)試驗(yàn) 手段基本達(dá)到國(guó)際90年代中期的水平。電子衡器 制造技術(shù)及應(yīng)用得到了新發(fā)展。電子稱(chēng)重技術(shù)從靜 態(tài)稱(chēng)重向動(dòng)態(tài)稱(chēng)重發(fā)展；計(jì)量方法從模擬測(cè)量向數(shù) 字測(cè)量發(fā)展；測(cè)量特點(diǎn)從單參數(shù)測(cè)量向多參數(shù)測(cè)量 發(fā)展，特別是對(duì)快速稱(chēng)重和動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的研究與應(yīng) 用。但就總體而言，我國(guó)電子衡器產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì) 量與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大差距，其主要差距 是技術(shù)與工藝不夠先進(jìn)、工藝裝備與測(cè)試儀表老 化、開(kāi)發(fā)能力不足、產(chǎn)品的品種規(guī)格較少、功能不全、穩(wěn)定性和可靠性較差等。
二、發(fā)展趨勢(shì)
通過(guò)分析近年來(lái)電子衡器產(chǎn)品的發(fā)展情況及國(guó) 內(nèi)外市場(chǎng)的需求，電子衡器總的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、 模塊化、集成化、智能化；其技術(shù)性能趨向是速率 高、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向 是稱(chēng)重計(jì)量的控制信息和非控制信息并重的“智能 化”功能；其應(yīng)用性能趨向于綜合性和組合性。
第二節(jié)：系統(tǒng)的組成框圖
系統(tǒng)的組成框圖見(jiàn)圖l

圖1高精度電子定量包裝秤的組成框圖
如圖1所示的高精度電子定量包裝秤的組成框 圖，系統(tǒng)可以分成三個(gè)模塊：測(cè)量模塊、顯示模塊 及控制模塊。其中測(cè)量模塊就是由PST系列稱(chēng)重 傳感器、放大器OP37、A/D轉(zhuǎn)換器AD574A及 8031組成；顯示模塊主要由8031、鍵盤(pán)/顯示接 口芯片8279及程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組成；而 控制部分是由繼電器及8031組成。在測(cè)量模塊中， PST系列稱(chēng)重傳感器把物體的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為電壓，電 壓通過(guò)OP37放大后與A/D轉(zhuǎn)換器AD574A連接， 之后進(jìn)入CPU8031;顯示模塊主要是把到 CPU8031中處理的數(shù)據(jù)，通過(guò)鍵盤(pán)/顯示器接口芯 片在顯示芯片上顯示出來(lái)；控制部分主要是對(duì)加料 進(jìn)行控制。其中，控制部分是一個(gè)重點(diǎn)。在設(shè)計(jì) 中，采用繼電器開(kāi)關(guān)閥門(mén)來(lái)控制“三段加料”，即 用三個(gè)繼電器來(lái)控制三個(gè)開(kāi)關(guān)閥門(mén)。，三個(gè)閥門(mén)依次 連接“快速加料口”、“中速加料口”及“慢速加 料口” （電振器），通過(guò)“三段加料法”來(lái)提高高 精度定量包裝秤的精度與包裝速度。
第三節(jié)數(shù)學(xué)模型的建立
設(shè)計(jì)在生產(chǎn)線上所用的包裝秤，是通過(guò)單片機(jī) 對(duì)10公斤左右的顆粒狀原料自動(dòng)稱(chēng)量，企業(yè)的需 求是不能在10公斤的包裝袋中灌裝的原料太多 （企業(yè)要追求利潤(rùn)），而國(guó)家又有相關(guān)的法律法規(guī)包 裝袋的重量不能低于標(biāo)準(zhǔn)重量太多，要在一定的范 圍內(nèi)，所以對(duì)精度和生產(chǎn)效率的要求比較高，當(dāng)前 國(guó)內(nèi)大部分料斗式電子秤就釆用二段加料法，即快 速加料和慢速加料方式。雖然二段加料法在一定程 度上能協(xié)調(diào)效率和精度兩個(gè)要求，但無(wú)法從根本上 滿(mǎn)足效率和精度的最佳結(jié)合。
結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用中，我設(shè)計(jì)了一加料的數(shù)學(xué)模型。 采用三段加料法，即“快速加料” + “中速加 料” + “慢速加料”。其中加料速度（流量）一般設(shè) 為100： 10： 1,在本次的設(shè)計(jì)中采用的即是三段 加料法，其加料的示意圖見(jiàn)圖2所示。

三段加料法雖然較好地協(xié)調(diào)了效率和精度兩個(gè) 要求，但仍然不可避免的存在稱(chēng)量誤差，只有對(duì)誤 差產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，才能相應(yīng)做出處理，以期 盡量減小稱(chēng)量誤差。
誤差產(chǎn)生的原因：在開(kāi)始稱(chēng)量時(shí)，控制系統(tǒng)首 先打開(kāi)加料門(mén)，由于機(jī)械誤差的原因，加料門(mén)的開(kāi) 度大小不會(huì)是一個(gè)固定的常數(shù)。特別是運(yùn)行一段時(shí) 間后，機(jī)械裝置受物料的污染后，更是如此。然而 加料門(mén)的開(kāi)度大小決定了加料流量的大小，這就導(dǎo) 致了加料流量的不穩(wěn)定。同時(shí)，由于物料品種不一 樣（比如圓形物料和橢圓形物料），它的流速也是 不一樣的，這也導(dǎo)致了加料流量的不穩(wěn)定。這種流 量的不穩(wěn)定給精確稱(chēng)量帶來(lái)了一定的難度。
開(kāi)始加料后，加料量達(dá)到一定量時(shí)，應(yīng)及時(shí)關(guān) 閉加料門(mén)，當(dāng)發(fā)出關(guān)閉加料門(mén)信號(hào)時(shí)，由于機(jī)械慣 性的作用，加料門(mén)總要延遲一段時(shí)間后才能完全關(guān) 閉。在這一延遲時(shí)間中，加料流量發(fā)生了變化。這 一延遲時(shí)間由機(jī)械結(jié)構(gòu)決定。這一時(shí)間內(nèi)的落料量 稱(chēng)為落差量。

加料停止后，秤的料斗上的原來(lái)加料時(shí)產(chǎn)生的 沖力突然消失，這時(shí)稱(chēng)量壓力傳感器受到的力會(huì)產(chǎn) 生一個(gè)較大的波動(dòng)，其值的大小在快速加料、中速 加料、慢速加料時(shí)是不同的。
由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的制約，稱(chēng)量誤差的存在無(wú)法避 免。因此，必須提出一套有效的控制算法以減小誤 差，這是設(shè)計(jì)高效率、高精度料斗式電子秤的關(guān)鍵 所在。經(jīng)過(guò)研究，提出了一種有效的解決方法。
加料門(mén)關(guān)閉方法，由于快速加料的流量很大, 如果采用在離設(shè)定的稱(chēng)重值某個(gè)差值時(shí)關(guān)閉快速加 料門(mén)的話，這個(gè)值的設(shè)定就顯得很重要。當(dāng)設(shè)定的 稱(chēng)重值比較小，特別是略大于這個(gè)差值時(shí)，會(huì)變得 很難控制。因?yàn)樵诩恿系耐瑫r(shí)必須對(duì)秤體料斗中的 實(shí)際落料量進(jìn)行釆樣，并經(jīng)過(guò)計(jì)算和比較，再做出 是否關(guān)閉加料門(mén)的動(dòng)作。由于這一過(guò)程的存在，往 往使快速加料門(mén)很難及時(shí)關(guān)閉，造成稱(chēng)量超重。為 了解決這個(gè)問(wèn)題，用時(shí)間來(lái)控制快速加料門(mén)的關(guān) 閉，當(dāng)快速加料門(mén)打開(kāi)一定時(shí)間后強(qiáng)行關(guān)閉。同樣 中速加料和慢速加料也存在這個(gè)問(wèn)題，但它們流速 較小，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性基本沒(méi)有影響，所以對(duì)它們 采用離開(kāi)設(shè)定的稱(chēng)重值某個(gè)差值進(jìn)行關(guān)閉的方法來(lái) 控制，有利于提高系統(tǒng)的稱(chēng)量精度。
簡(jiǎn)而言之，對(duì)于快速加料采用時(shí)間控制，對(duì)于 中速加料、慢速加料采用重量控制。具體說(shuō)，快速 加料開(kāi)tl秒就關(guān)閉，中速加料和慢速加料分別加料 到離設(shè)定值S的差值折和S2時(shí)關(guān)閉。我們稱(chēng)Si、S2 為中加限和小加限。那么加料曲線存在下列關(guān)系：
5=1^! xtl+£l+K2xz2+A2+V3xi3+L3+AV Si=L2+V3xf3+Z,3
S產(chǎn)L3
£=£1+£2+切+左1
其中：S    稱(chēng)量設(shè)定值；
t     總的加料時(shí)間；
△ V——稱(chēng)量誤差量；
△——時(shí)間波動(dòng)量；
V2,匕~快、中、慢速的流量；
<1, h, <3    快、中、慢速的加料時(shí)間；
L\, L2, L ~快、中、慢速加料的落差量。
第四節(jié)：硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程
首先，通過(guò)PST系列的稱(chēng)重傳感器把物體的 質(zhì)量轉(zhuǎn)換為電壓（其中PST系列稱(chēng)重傳感器的量程 為30kg,供應(yīng)電壓為10V,因?yàn)榇藗鞲衅鞯撵`敏 度為2.0mV/V,則傳感器滿(mǎn)量程輸出為20mV）o由 于稱(chēng)重傳感器測(cè)得的輸出電壓十分微弱，達(dá)到毫伏 級(jí)。而我采用了 AD574A模數(shù)轉(zhuǎn)換器，AD574A轉(zhuǎn) 換器有10V和20V量程的模擬輸入。假設(shè)溫度傳 感器輸出的電壓為滿(mǎn)量程電壓即20mV,采用的是 10V量程12位分辨率的AD574A轉(zhuǎn)換器。所以 10V電壓對(duì)應(yīng)4096個(gè)分辨單元，若把20mV電壓 直接與10V電壓輸入口連接，則20mV對(duì)應(yīng)的分辨 單元為8.192,這樣一個(gè)分辨單元就只能分辨 2.5mV, 2.5mV的電壓是由3.75kg的重量轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái) 的，換句話說(shuō)分辨率就成了 3.75kg,這樣精度就太 低了。所以在稱(chēng)重傳感器與AD574A中要加一個(gè)放 大器，通過(guò)放大器來(lái)提高AD574A輸出電壓的精 度，我選擇了 OP37放大器。因?yàn)镺P37放大器有 一定的精度及快速響應(yīng)特點(diǎn)，非常適合高精度電子 包裝秤的精度及速度要求。其次，放大后的電壓通 過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器AD574A轉(zhuǎn)換后連接CPU8O31。連 接在CPU上的鍵盤(pán)及LED顯示根據(jù)測(cè)量值的大小 來(lái)顯示。其中，為了提高電子秤的精度，本設(shè)計(jì)釆 用了 “三段加料控制法”，即“快速加料+中速加 料+慢速加料”。如何控制三段加料是一個(gè)難點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)釆用電磁繼電器來(lái)控制開(kāi)關(guān)閥門(mén)，每個(gè)加料 口由一個(gè)電磁繼電器來(lái)控制，即本系統(tǒng)有三個(gè)加料 閥門(mén)：快速加料閥門(mén)、中速加料閥門(mén)和慢速加料閥 門(mén)（電振器）。電磁繼電器是一種很容易掌握的裝 置。只要當(dāng)電磁繼電器的控制電路中通有電流，它 的工作電路就開(kāi)始工作。所以，我通過(guò)一個(gè)三極管 來(lái)連接繼電器，三極管導(dǎo)通則繼電器也啟動(dòng)。而從 CPU出來(lái)的控制數(shù)據(jù)不能直接連接到三極管上，中 間要接一個(gè)鎖存器74LS373和一個(gè)緩沖器7407, 來(lái)達(dá)到數(shù)據(jù)的鎖存與緩沖。
第五節(jié)：其它
一個(gè)成功完整的系統(tǒng)離不開(kāi)系統(tǒng)的硬件和軟件 的相互配合應(yīng)用。如果把單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件比 做系統(tǒng)的軀體，相應(yīng)各種程序則是系統(tǒng)的大腦和靈 魂，是人類(lèi)的思維與機(jī)器硬件之間的橋梁。因本文 只涉及到高精度電子包裝秤的概要設(shè)計(jì)，因此不涉 及到軟件部分以及一些具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

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