新型重量检测控制仪的设计与实现

摘要：现代工业的迅速发展带动了检测与控制技术的日益更新，同时对重量检测控制仪的安全性和可靠性也提出了更高的要求，为此设计了一套新型的重量检测控制仪。该检测控制仪主要由信号采集和显示控制两部分组成，其中信号采集部分用于采集、传输物体重量信息，显示控制部分则主要显示重量数据，并输出相应的状态控制信号，超重时能够自动地实现自我保护。文中对新型重量检测控制仪的检测原理和控制方法进行了研究，设计了检测控制电路模型和程序流程图，并进行了相关实验。结果表明：新型重量检测控制仪能够准确地实现重量检测和超重保护功能，且具有较好的性能指标。
关键词：重量检测；压力传感器；信号采集；超重控制

0 引言
    重量检测控制仪是一种能够准确地显示起吊物件重量，超负荷作业时能够自动实现自我保护的电子装置。起重检测控制仪的最大特点是：有效地同起重机械的具体结构形式相结合，确保压力传感器和显示控制仪表的使用不影响起重机械的安全性。随着自动化控制技术的日益发展，重量检测控制仪已由单一的称量工具逐步演变成自动化生产中重要的组成部分，向着自动化、智能化、集成化和信息化方向发展。新的起重检测控制仪不仅要求具有起重显示功能，更需要有超重报警和控制功能，能够自动地实现自我保护。

1 重量检测控制仪硬件系统设计
1．1 总体结构框图
    重量检测控制仪包括信号采集和显示控制两部分。
    系统总体结构框图如图1所示。

1．2 系统功能设计
    在图1中，系统各部分功能设计如下：
    (1)信号采集部分。起重机的载荷通过电阻应变式负荷传感器进行检测，当起重机械吊起重物后，传感器受压产生与载荷成正比例的毫伏级电压，经放大后变成伏特级的电压信号，再通过四芯电缆送入后级电路进行处理。为了减小信号在传输环境中受到干扰，把电压传输信号改为电流传输信号。在对电阻桥输出的毫伏级电压进行放大之后，变成伏特级的电压，再将其转交成0～20mA的电流，通过电缆传输。同时增加二级稳压电路，将通过电缆传送过来的±15V电压变成±6V电压，供给电阻应变式传感器桥，以保证传感器桥供电的平稳性。
    (2)A／D转换模块。将信号采集部分传送过来的电流转换成电压，然后进行A／D转换。
    (3)显示驱动模块。5个LED数码管实现5位显示(分别显示重鼍的百、十、个、十分位和百分位(单位：吨)；使用1片MC14489作为显示驱动电路，驱动5个LED数码管(采用动态扫描方式驱动共阴极LED数码管)。
    (4)额定重量设置。用3个四位的拨码开关分别表示额定重量的百、十、个位，理论上可以设置的额定重量(量程)范围：0～999(单位：吨)。同时，在继电器上外加一个检测开关，用于对150％额定重量的检测，以判断系统功能是否正常。
    (5)起吊提示。重物被吊起有专门的指示灯提示。
    (6)报警功能设置。预报警：当重物到达额定重量的90％时，仪表发出预报警声响，预报警指示灯(黄灯)闪烁提示，以提醒操作人员注意。超重报警：当重物达到额定重量的105％时，仪表发出与预报警声响不同的超重报警声响，超重报警指示灯(红灯)闪烁提示。同时控制继电器切断起升电源，阻止起重机继续上升，起到保护设备的作用。
    (7)清零。按“清零键”，数码管显示为“000．00”。
    (8)复位。按“复位键”，恢复通电启动状态，即显示额定值。

2 重量检测控制仪程序设计
2．1 程序流程框图
    要实现新型熏量检测控制仪的功能，除了进行硬件系统设计外，还需要进行必要的程序设计。主程序流程框图如图2所示。

2．2 程序设计与说明
    针对图2，程序设计与说明如下：
    (1)显示自检与初始化。系统上电时五个数码管从0～9显示一遍，检测MC14489显示驱动芯片和显示数码管是否工作正常，同时初始化定时器、串口通信各寄存器的状态值，并显示其量程值。
    (2)检测拨码开关状态。额定量程和量程范围采用拨码开关设定，额定量程和量程范围在程序中进行参数化设置，以方便修改。
    (3)预置毛重。当清零键被按下时，需检测按键按下状态是否持续2s以上，否则不做处理，防止误操作触发清零。
    (4)A／D转换。A／D转换将物重模拟电压转换成数字量，然后送至CPU进行判断处理。实现A／D转换的12bit高速转换芯片采用SPI接口与CPU连接。
    (5)软件滤波。在A／D转换过程中进行18次模数转换，去除最大值和最小值之后，再求平均值。滤除跳跃较大的模拟值。
    (6)模拟值与物重之间的换算。模拟值与物重之间的换算公式为：G=Km+b，其中，G为模拟量，K为比例系数，m为物重，b为毛重，其中K根据设定的量程范围不同而不同。在程序中K为参数化设置，确定好量程范围后，选取对应的K直即可求得对应的物重。
    (7)物重预报警和超重处理设置。预报警处理采用蜂鸣器报警和指示灯(黄色)闪烁提示。超重报警处理除采用蜂鸣器报警和指示灯(红色)闪烁提示外，还采用了继电器输出控制。当重物超重时，继电器动作切断吊钩电源，阻止继续起吊。
    (8)物重输出。将物体的重量值通过串口通信的方式传输出去。
    (9)物重显示。实时显示物料的重量。

3 重量检测控制仪检测实验
    实验方法：额定量程设置成18T(3个四位的拨码开关设置成0000 0001 1000)，反复调节电路参数，使得系统处在最佳工作状态。在不同重物作用下，测得相关数据和指标参数如表1所示。

    实验结果说明：1)数码管显示值与物件重量实际值偏差较小；2)重量检测精度高，分辨率可达到0．01T；3)预报警和超重报警功能正常；4)能实现系统自我保护。为了减小误差，实际应用中将多次实验的数据制成表格，并进行修正。

4 结束语
    新型重量检测控制仪采用电流传输信号，极大地减小了信号传输过程中受干扰，提高了器件的稳定性和抗干扰能力；运用编程进行时间滤波来有效地消除周期性的干扰；使用双重报警(预报警和超重报警)，加强了对起重机的保护能力。因此，文中设计的新型重量检测控制仪不仅具有较高的研究价值，而且具有较好的工业应用价值。