1、摘要I摘要随着传感器技术、电子技术和微机技术的崛起，动态称重技术得到了迅速发展。动态称重系统在数字化，智能化等方面有长足的进步，称重系统的研究与开发也进入了一个崭新的阶段。传输带动态称重系统是对传输带上的散状固体物料或粉料进行连续称量的系统，在电力、化工、煤炭、粮食等行业都有较广泛的应用，市场需求巨大。但是，我国自行研制的相关产品普遍功能单一，精度不高。所以改善现有称重装置、开发研究功能齐全的动态称重系统是势在必行的。设计了一套基于单片机的传输带动态称重系统，很好的解决了上述问题。首先对硬件电路所需的器件进行介绍。说明系统所应用的称架和传感器的类型。选择系统所用微处理器，模数转换器等。具体提出
2、了系统硬件和软件的设计方法，给出了数据处理算法和其编程的设计。系统使用 24 位精度模/数转换芯片 AD7730 转换称重传感器信号，保证了数据转换的高精度。经过实验证明，该系统能够有效提高动态称重系统的计量精度，误差在 0.2%以内。并且系统功能完善，实现了计量数据的实时监控显示和保存打印，系统扩展了现场总线接口，很好的满足了工业自动化和管理现代化的需求。关键词：动态称重 传输带 AD7730 现场总线；AbstractIIAbstractWith the development of technology of sensor ,electronic and computer ,the dy
3、namic weighing technology is developing rapidly .Weighing system made significant progress in the digital and intelligent ,the research of Weighing system has entered a new phase .Belted dynamic weight equipment is designed for continuous weighing the bulk solids or powders on conveyor belt .And it
4、is widely used in the fields of electricity ,chemical ,coal and food .However ,our related products generally with single function and low precision .Therefore ,the improvement of existing weighing devices ,research and development functional dynamic weighing system is imperative.This paper designs
5、a belted dynamic weighing system based on SCM ,which is a good solution to this problem .In this paper ,the overall structure of the weighing system is present first ,and detailed analysis of the system model and working principle .It analyzes the cause of dynamic measurement errors ,and builds a ma
6、thematical model for dynamic measurement errors of single-idler electronic belt conveyor scale .According to the model ,the proposed approach use algorithm to correct errors .Solved the problem of low dynamic measurement accuracy .Then the design of system hardware and software is present .And data
7、processing algorithms and their programming design .System uses 24-bit precision A/D converter AD7730 convert the weighing signal to ensure high-precision measurement results .The result has shown the measurement errors are effectively reduced ,and the measurement accuracy can up to 0.2%.The system
8、presented in this paper is characterized by high precision ,good stability and achieved the functions of real time monitoring and data preservation .And with the Profibus interface ,this system was well positioned to meet the requirements of industrial automation and management modernization.Key wor
9、ds： Dynamic weighing Transmission belt AD7730 Profibus目录目 录摘要 Abstract 1 绪论 11.1 背景及意义 11.1.1 背景 11.1.2 意义 11.2 国内外发展现状 21.2.1 国内外称重技术发展现状 21.2.2 国内外称重技术发展趋势 31.3 主要工作及论文结构 52 系统整体设计 62.1 系统结构概述 62.2 动态称重计量原理 72.3 小结 83 系统器件简介 93.1 称架和传感器 93.1.1 称架介绍 93.1.2 称重传感器介绍与选择 103.1.2.1 称重传感器的分类 103.1.2.2 称重
10、传感器的选择 113.1.3 测速传感器介绍与选择 133.1.3.1 测速传感器分类 133.1.3.2 测速传感器选择 153.2 小结 154 系统硬件设计 174.1 系统硬件概述 174.2 系统微处理器 174.2.1 功能特性描述 174.2.2 引脚功能描述 18目录4.3 系统模数转换器 194.3.1 AD7730 的工作原理 204.3.2 AD7730 内部结构 . 204.3.3 AD7730 与单片机的接口设计 214.4 数据采集电路通信接口设计 224.4.1 串口通信 224.4.2 RS-232C 标准 234.4.3 MAX232 芯片简介 234.4.4
11、 串口通信接口电路设计 234.5 程序下载线连接 244.6 传感器接口设计 254.7 PROFIBUS-DP 接口扩展 264.8 小结 275 单片机软件设计 285.1Keil C51 介绍 285.2 单片机系统软件设计 285.3 主程序模块流程框图 29结论 30致谢 31参考文献 32附录 34河北工程大学毕业设计说明书 111 绪论1.1 背景及意义1.1.1 背景对物料重量的动态称重在工业生产和流通贸易中占据重要地位，其中动态称重计量工具是不可缺少的计量工具。在各种大宗散装物料的传输带上，都广泛应用动态称重计量工具，起到了提高计量精度、缩短作业时间、提高管理效率、节约资源
12、和改善经营等多方面作用。目前动态称重计量工具已经遍及各个领域，带来了显著的经济效益。随着国民经济迅速发展，贸易商品流通量不断扩大，传统的动态称重计量工具已经不能适应时代的发展，需要新产品在自动化生产和现代化管理两方面不断提高。随着近几十年计算机技术、微电子技术和传感器技术的崛起，动态称重技术在智能化、数字化和计量迅速化方面都有了长足进步。新型的动态称重计量工具不仅仅是提供重量信息的独立仪表，而是现代工业一体化和管理自动化的重要组成部分。所以新型动态称重系统不但要能快速、准确提供计量数据，还需要消除人为和环境造成的误差，提高计量精度，并且应具备计量数据实时监控、数据保存和数据管理等功能。1.1.
13、2 意义传输带动态称重设备是对传输带传送的散状固体物料或粉料进行连续称量的设备，有着应用行业面广、使用目的广泛等特点，实现了物料储存、运输和称量的一体化。广泛应用于大宗散状固体物料或粉料的运输、加工、储存行业，如港口、仓库、冶金、煤炭、电力、建筑和烟草等行业。从使用目的方面而言，可以精确监管生产环节，提高结算精度，还可用于组成各种自动化配料系统和工业控制系统。随着目前企业工业生产自动化和管理自动化程度的不断提高，迫切需要提高自身的生产效率，这就需要性能更好更完善的传输带动态称重设备。但是，目前国内的相关产品品种少，且功能单一，不能满足企业的迫切需要，所以改进传统设备，研究开发性能好功能完善的传
14、输带动态称重系统是势在必行的。本课题正是针对这一问题，开发的动态称重系统具有计量精度高，稳定性好，并且系统还实现了上位机实时计量数据可视化和数保存打印功能，其界面直观，便于使用，从而杜绝不真实计量现象，维护了企业和客户的利益，方便了计量工作。另外系统扩展了现场总线接口很好的满足了工业自动化和管理现代化的要求。河北工程大学毕业设计说明书 221.2 国内外发展现状1.2.1 国内外称重技术发展现状动态称重技术的发展可分为以下四个阶段：(1)动态称重技术起源 世界上最早的动态称重装置出现在 19 世纪末期的西方国家，用于输送机对散状固体物料动态自动称重。1880 年第一台动态称重装置获得计量许可。
15、1908 年第一个动态称重专利在英国公布。自此，形成了较完整的动态称重技术定义和动态称重装置，拉开了动态称重技术发展的序幕。(2)纯机械式动态称重装置 第一代成熟的动态称重装置以纯机械式皮带秤为主导，只有带配重物的秤架结构和增量式码盘结构的编码装置，实现了简单的速度和重量数据的采集，但由于受到机械装置制造水平的限制，精度很差，而且计量过程复杂繁琐。1970 年英国制定了第一个系统的动态称重检验模式，标志着动态称重行业走上规范化道路。(3)传感器和仪表结合式动态称重装置 二战后，随着传感器技术和电子技术的飞速发展，出现了传感器和电子仪表结合的第二代动态称重装置。使用光电脉冲式或磁电脉冲式传感器测
16、量速度，电子仪表通过模拟积分放大电路或数字积分放大电路实现配重平衡、启动识别和流量累加功能。第二代动态称重装置在计量精度和计量过程简化上都有了很大程度的提高，但是仍然存在计量精度较低和缺乏误差纠正等缺陷。(4)传感器和微机结合式动态称重装置 随着近十年来传感器制造工艺和微机智能技术的崛起，为动态称重装置的性能大幅度提高创造了有力条件。第四代动态称重装置不但在计量精度上有了长足进步，而且在机构集成化和功能完善化方面取得了进步，可以根据企业现场环境的需求研制不同类型的传感器微机智能化动态称重系统。目前正在使用的传输带动态称重装置种类繁多，结构形式不同，分类依据多种多样。从秤架结构类型分有：单托辊秤
17、架、多托辊双杠杆秤架、悬臂式秤架、悬浮式秤架等结构，其中单托辊秤架由于结构简单、安装便捷等特点，市场占有率较高。从使用的称重传感器类型分有：电阻应变片式传感器、磁压式传感器、差动变压式传感器和核子式传感器等，其中电阻应变片式传感器应用最为广泛。目前使用的动态称重装置较为成熟的有：电子传输带称重装置、核子传输带称重装置和激光-核子传输带称重装置。(1)电子传输带称重装置 电子传输带称重装置依靠称重传感器测量传输带上的物料重量数据，一般使用接触式测速传感器测量传输带运行速度，这导致计量精度受河北工程大学毕业设计说明书 33制于机械结构，计量结果误差来自传输带张力、自重、抖动等多种因素。所以这种动态
18、称重装置计量精度不稳定，维护工作繁琐，需要每隔一段时间对装置各项参数进行调节，以达到所需精度。而且这种动态称重装置适用于大量散状物料较长时间累积流量的连续计量，测量瞬时重量的精度不高，难以满足某些对物料瞬时重量要求较高的使用场合。(2)核子传输带称重装置 核子传输带称重装置是利用伽马射线对传输带上的物料进行计量。当伽马射线强度一定时，射线穿过物料的衰减强度与物料的成分、密度、厚度等参数呈指数关系。计量时将载物时的射线强度的连续测量数据与传输带空载时的测量数据进行比较，再与测量的传输带速度进行计算，可以直接得到物料的瞬时载荷重量、累积物料流量等计量数据。由于核子传输带称重装置的工作原理是基于伽马
19、射线穿透物料时的衰减规律，是非接触式测量，有安装独立简便、后期维护容易、计量精度不受机械装置影响等显著优点。但是，伽马射线的衰减强度与射线方向上的物料厚度有直接关系，这使得核子传输带称重装置的计量结果受物料形状影响很大。实验证明，相同载荷的同种物料不同的摆放形式下，计量的结果相差很大，甚至高达17%，存在物料形状影响导致核子传输带称重装置计量精度较差的问题。(3)激光核子传输带称重装置 激光-核子传输带称重装置工作原理是利用伽马射线辐射测量传输带上物料的密度，利用激光图像分析来测量物料的堆积体积，进而计算出传输带上物料的重量。由于这两种测量技术都是非接触式测量，所以激光-核子传输带称重装置具有
20、：装置结构简单、安装便捷、不受机械性能影响、后期维护简便、能准确测量瞬时重量等显著优点。而且激光图像分析技术弥补了核子测量技术的缺陷，测量结果不受传输带上物料摆放形状的影响，使得这种装置计量精度较好。但是，这种装置的成本较高，而且伽马射线的辐射对物料内部结构的稳定性和工作人员的身体健康都是不利的，所以激光-核子传输带称重装置应用并不普遍。传输带称重技术最早传入我国是在本世纪 60 年代，经过几十年来不断的发展与完善，品种不断增多，在我国工业生产自动化中发挥了巨大作用。传输带称重方式由静态发展到动态，计量方式由模拟量转变为数字量，测量参数由单个参数转变为多个参数测量。随着传感器工艺的提高和微电子
21、技术的崛起，我国传输带动态称重技术的研究得到了进一步发展。但是，由于核心技术与工艺落后、机械设备与电子仪表老化、新产品研发能力欠缺等因素困扰，我国相关产品的质量和品种都与发达国家相差甚远，而且功能单一，可靠性差。所以目前相关产品的性能和品种，不能满足中国现在和未来的巨大市场需求，这就为传输带动态称重设备的研究开辟的广阔前景。1.2.2 国内外称重技术发展趋势河北工程大学毕业设计说明书 44随着传感器制作工艺和微机技术的不断发展，加之引入模糊控制理论、神经网络、建立数学模型、人工智能、阻尼振动理论等技术，称重计量系统向着功能自适应、智能化信息处理方向发展。国际上已经取得了动态称重技术的突破，称重
22、技术已经跨入了高科技领域。目前，称重技术的主要发展趋势为以下几个方面：(1)小型化 体积小、重量轻、便于安装调试。近几年称重装置的研究特点上，充分体现了秤架结构向小、轻、薄方向发展。为了适应低容量的计量场合，可将传感器制成薄或超薄型称重传感器直接嵌入秤架受力的铝板或钢板底上与传感器外径一致的盲孔内，从而组成低外形的秤架结构，通过秤架的力学要求和额定载荷可以计算出称重传感器的安装位置和使用数量。秤架的铝板或钢板就是称重平台，称重传感器既作为计量装置，又作为秤架支点存在，这种设计极大地精简了装置结构，减少了机械连接环节，不但缩减了制作成本，而且提高了装置的可靠性和稳定性。对于较大容量的平台称重装置
23、和电子地上称重装置，采用长方形或正方形闭合截面的薄壁钢排列成一个竹排式秤体结构，在最外边两根薄壁钢两端的切口内分别安装 4 个称重传感器，称重传感器的固定支撑结构就是秤架的受力支点，这种设计既能简化称体结构，又能缩减称体高度，是一种很有发展前景的设计方式。(2)集成化 对于一些特定结构的称重装置，如专用称重装置、小型电子秤、静态电子轨道秤以及便携式静动态轮轴秤等产品，可以实现称重传感器与钢轨，称重传感器与秤架，称重传感器与轨道秤台的集成化。例如称重传感器与秤架集成化的静动态便携式电子轮轴秤，其集成化结构由厚质硬铝合金板制成，主要原理是通过固溶热处理来强化硬铝合金板，在合金板 4 个角通过铣槽或
24、钻孔的方式安装 4 个悬梁式称重传感器，或者在合金板的地面通过铣槽或钻孔的方式安装多个剪切梁式称重传感器。从而使秤架与称重传感器高度集成化。(3)智能化 称重装置的计量显示与控制部分与微型计算机相连，通过微型计算机的智能化处理增加称重装置的显示和控制功能。使得称重装置在保留原有功能基础上增加了自适应、自诊断、自组织、推理和判断等智能功能。这方面提高就是智能化称重装置的显示与控制器与目前普遍使用的微机控制显示与控制器的主要区别所在。(4)综合化 称重技术未来的发展方向是在加强基础研究的基础上扩大应用范围，扩展应用领域，向相关行业和学科渗透，应用各个学科的技术综合化的解决计量称重、信息处理、自动控
25、制等问题。对于某些应用场合，只具备计量、显示、量化等功能的称重装置远远不能满足用户需求。随着生产自动化和管理一体化的进程的不断推进，称重装置应具备：称重、计价、提供各项相关信息、出入库管理、网络服务等各项功河北工程大学毕业设计说明书 55能。需要电子称重设备与计算机和互联网相连，共同组成一个综合化生产控制系统。(5)组合化 在某些重量计量场合或过程中，为满足实际需求，还需要电子称重装置具备一定的组合能力。如机械部分根据实际场合的调整，与外围设备的组合，系统硬件与外围设备的连接，调节计量范围和精度，通过软件设置调整输入输出方式、通信方式等功能。1.3 主要工作及论文结构(1)进行系统整体设计规划
26、 将软、硬件按实现的功能划分成析系统所用各传感器的性能，全面了解被采集信号的各项指标。(2)设计系统硬件及制作 PCB 板 实现对系统称重传感器和采集、上位机通信、在线编程等功能，制作原理图及 PCB 板图。本论文结构如下：1 绪论 阐述了本课题的研究背景及意义，介绍内外研究发展现状，最后总结了自己所做的工作，并且给出了论文结构。2 系统整体设计 提出了传输带动态称重系统的总体系统的基本结构和计量原理。详细说明了系统实现的功能。3 系统器件简介 主要包括称架和传感器类型，系统微处理器和模数转换器的选择。4 系统硬件电路设计 详细介绍系统的硬件设计，数据采集电路和通信接口的设计，传感器接口设计，
27、现场总线接口的扩展，重点介绍基于 AD7730 芯片的称重传感器数据采集电路的设计与实现。河北工程大学毕业设计说明书 662 系统整体设计2.1 系统结构概述传输带动态称重系统由五部分构成：秤架、称重传感器、测速传感器、数据采集电路和工控计算机。采用单托辊秤架、梁式称重传感器和接触式测速传感器的传输带动态称重系统结构示意图如图 2-1 所示。图 2-1 传输带动态称重系统结构示意图物料在传输状态下，称重传感器和测速传感器将传输带上物料的瞬时重量和瞬时速度转换成电信号，数据采集电路采集该电信号并进行适当处理，然后送入工控计算机进行量化和计算，最后显示流量累计结果。扩展功能通常是靠开发软件完成的，如监控功能、报警功能以及数据库相关功能。2.2 动态称重计量原理数据采集电路 工控计算机称重传感器测速传感器
