高数字化称重系统的设计与实现

　　摘  要： 设计了一款基于ADS1234的称重系统，该系统具有高、数字化等特点。主要从硬件系统、软件系统以及提高的措施对系统进行了阐述。，通过加载实验，验证了本设计的正确性以及工作的稳定性。

　　随着工业过程控制以及自动化水平的不断提高，特别是数字技术与信息技术的飞速发展，在称重计量与控制系统领域，对衡器行业提出了电子衡器数字化、智能化、用数字称重系统突破模拟称重系统的局限性等要求。控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变化的量。控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。

　　1 ADS1234特性及其称重应用

　　负载单元通常根据输出电压确定，该输出电压是在施加负载单元额定重量时为1 V激发电压产生的，规格以单位mV/V确定。由5 V电压激发的4 mV/V负载单元所具有的满量程输出电压仅为20 mV.所以，称重传感器中的电阻桥产生的待测电压信号非常小，而且电压信号随重量的变化量也非常小。

　　ADS1234是一个精密的24位AD转换器，它内部带有低噪声的可编程精密放大器、精密的Delta-Sigma AD转换和内置的振荡器。它具有非常低的噪声，当PGA=128倍时，±20 mV的输入范围内均方根（rms）噪声仅有17 mV,采样速率为10 Hz~80 Hz,对于50 Hz与60 Hz具有大于100 dB的抑制能力。

　　ADS1234在称重领域的应用的优点是：（1）具有完整的前端，不需要外置放大电路；（2）没有外部时钟的要求；（3）所有的功能由管脚来控制，没有寄存器需要编程。

　　2 称重系统硬件设计

　　2.1 系统总体设计

　　系统总体结构示意图如图1所示。在本系统中MCU可选用单片机、ARM、DSP等芯片，只要内存以及处理速度能够满足系统的要求即可，本文以STC89252RC单片机为例进行说明。电源部分的主要功能是对MCU和ADS1234供电，规定需要5 V和3 V的稳定电源。

　　2.2 硬件接口设计

　　学习硬件的人员，常常会使用不同的IC,有一点，在某一个领域中，IC常常变化，但硬件接口变化却很慢，只要了解了硬件接口，对于硬件工程师来说，就可以应对自如了。 以下是硬件接口列表，内容描述不一定是对应接口详的，详细的可以参见百科中的对应词条。本文重点偏重于硬件设计时，需要对硬件接口了解的信息，这也百科中对相应词条描述时，较少提到的部分。

　　硬件接口电路设计主要完成ADS1234外围电路以及与MCU之间的接口电路。惠斯通电桥的输出电压正负极分别接ADS1234的AINP和AINN两个管脚。/DRDY/DOUT、SCLK和/PDWN接MCU的三个I/O管脚。图2所示为ADS1234接口电路原理图。

　　2.3 系统抗干扰设计

　　抗干扰技术就是研究干扰的产生根源、干扰的传播方式和避免被干扰的措施（对抗）等问题。机电一体化系统的设计中，既要避免被外界干扰，也要考虑系统自身的内部相互干扰，同时还要防止对环境的干扰污染。国家标准中规定了电子产品的电磁辐射参数指标。

　　干扰问题是机电一体化系统设计和使用过程中必须考虑的重要问题。在机电一体化系统的工作环境中，存在大量的电磁信号，如电网的波动、强电设备的启停、高压设备和开关的电磁辐射等，当它们在系统中产生电磁感应和干扰冲击时，往往就会扰乱系统的正常运行，轻者造成系统的不稳定，降低了系统的；重者会引起控制系统死机或误动作，造成设备损坏或人身伤亡。

　　在电子系统设计中，应充分考虑并满足抗干扰性的要求，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。本文的抗干扰设计主要从以下三个方面进行：

　　（1）抑制干扰源，减小干扰源的du/dt、di/dt.这是抗干扰设计中先考虑和重要的原则。减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容实现。

　　（2）切断干扰传播路径。充分考虑电源对MCU的影响，要给MCU电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对MCU的干扰。此外，还要合理布线，分开模拟地和数字地。

　　（3）提高敏感器件的抗干扰性能。减少回路环的面积，电源线和地线尽量粗，闲置的I/O口不悬空[3-4].

　　3 系统软件设计

　　3.1 系统软件总体设计

　　系统软件设计主要包括系统初始化、MCU控制ADS1234以及串口通信设计。系统初始化保证系统能够在预定模式和状态下工作。控制ADS1234主要是设定内部可编程增益放大倍数、选择测量通道、采样速率以及控制转换器等。串口通信部分主要是制定通信协议，包括传输速率和数据格式等。图3是系统软件流程图。

　　3.2 系统初始化以及串口配置

　　在系统启动后就进行初始化，完成系统参数的设置。在单片机程序中完成晶振初始值设置、工作模式设置、开启中断、定时器等。进入系统自检。系统自检主要完成显示部分、存储器以及其他功能部件的检查工作。

　　在进行串口通信之前要对控制器的串口进行正确的配置，包括串口的工作方式、波特率等。本文主处理器采用STC89C52RC单片机，串口设置为方式1,串口的波特率设置为9 600 b/s.

　　3.3 ADS1234数据采集设计

　　图4所示为ADS1234的工作时序图。DRDY/DOUT引脚有两个功能。首先，其变为低电平时表明有数据准备就绪，然后在SCLK时钟的个上升沿，该引脚改变其功能，开始输出转换好的数据，有效位（MSB）优先。数据在每个SCLK的上升沿输出。当24位数据（第24个SCLK时钟）都被获取之后，将/DRDY/DOUT引脚强制拉高，并持续为高，直到有新的数据准备就绪。正是由于DRDY/DOUT引脚的这种特性，在本文中采用了中断的方式进行数据采集。

　　以下为ADS1234A/D转换源代码：

　　//高12位A/D转换程序

　　for（i=0;i<12;i++）

　　{ sclk=1;

　　_nop_（）；

　　_nop_（）；

　　sclk=0;

　　if（dout==1）

　　rice=（rice《1）|0x0001;

　　else

　　rice=rice《1;

　　_nop_（）；

　　_nop_（）；

　　}

　　3.4 系统校正

　　对ADS1234进行偏置校正，是在获得24位数据之后至少两个额外的SCLK时钟信号，即第26个SCLK时钟下降沿时开始校正周期。完成校正后，DRDY/DOUT为低，表明新的数据准备就绪。当使用的晶振为典型值4.912 5 MHz时，SPEED=1时，其MIN值为10.28 ms,MAX值为101.29 ms,±3%的浮动范围。可以看到，其所花的时间较长，大大降低了整个系统的运行速度，故要在系统运行一段时间后进行校正。

　　4 提高称重的辅助措施

　　4.1 传感器安装技巧

　　传感器是整个称重系统的部件之一，要获得可靠的数据源就要选择合理的安装方式。具体包括：（1）传感器的加载方向与车辆的受载方向相一致，避免横向力、附加的弯矩、扭矩力；（2）安装传感器的底座安装面应平整、清洁，无任何油膜、胶膜等存在；（3）尽量采用有自动定位作用的结构配件，如球形轴承、关节轴承、定位紧固器等，防止某些横向力作用在传感器上；（4）每只传感器安装底座的安装平面要求水平，多个传感器的安装底座的安装面要尽量调整到一个水平面上，以保证各传感器所承受的负荷基本一致；（5）称重传感器周围设置一些防护罩，以防止杂物污染传感器和某些可动部分，保证称量。

　　4.2 稳压电源设计

　　在本文中采用LM2576集成芯片进行电源稳压设计。LM2576系列的稳压器是单片集成电路，能提供压降开关稳压器（buck）的各种功能，能驱动3 A的负载，具有优异的线性和负载调整能力。这些稳压器内部含有频率补偿器和一个固定频率振荡器，将外部元件的数目减少到少，使用简便。

　　4.3 数字滤波设计

　　数字滤波器（Digital Filter）是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种装置，其功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。取N个采样值求平均，RAM中要开辟N个数据的暂存区。每采集一个数据都要存入暂存区，同时去掉一个早的数据，保持这N个数据始终是近的数据[5-6].

　　部分源代码如下：

　　//滑动平均法数字滤波

　　ulong filter（ulong ad）

　　{

　　static ulong buff[9]={0,0,0,0,0,0,0,0,0}; //滤波缓冲区的大小

　　static uchar in=0;

　　static ulong total=0;

　　total-=buff[in];

　　buff[in]=ad;

　　in++;

　　if（in==9）

　　{

　　in=0;

　　}

　　total+=ad;

　　return （total/9）；

　　}

　　5 称重实验

　　本文采用加载机对实验小车进行力学加载试验。载荷从零开始，每次增加500 N,加载至20 kN（此力接近于汽车超载重量）。基于实验条件的限制，试验中电压值到0.01 mV.表1所示为部分输出电压值。

　　当力小于3 kN时，电压缓慢上升，说明应变变化很小，当力大于3 kN时，电压呈线性上升，应变呈线性变化。接下来，对实验数据进行曲线拟合。假设加载力为F（kN），输出电压为V（mV），则可以推算出输出电压与重量的关系式为：

　　V=0.1F-0.3（1）

　　通过验证式（1），可以看到本实验的在0.01 mV.

　　本文所设计的一种基于ADS1234称重系统，具有数字化、高等优点。所设计的系统外围电路简单，易于在称重领域中推广。结合本文所述的数字滤波等技术，本系统也具有工作状态稳定和稳定时间短等优点。