0引言
為了解決皮帶秤的稱重輻受力下沉時，產生皮帶張力問題。一般是通過提高稱架的剛度來減小皮帶張力，這樣會使皮帶秤變得笨重。釆用陣列式皮帶秤能夠減小皮帶張力、溫度濕度的變化對稱重精度的影響。該陣列式皮帶秤係統釆用ARM7微控製器,針對濾波電路存在的穩定性、溫漂等問題，設計出一種有效的低通濾波結構，采用了穩零式的儀表放大器和低噪聲低溫漂的24位ADC轉換器，並對測速脈衝信號進行硬件濾波,從而有效提高了皮帶秤的稱重精度⑴。
1皮帶秤的稱重原理
動態計量秤積算器在物料輸送過程中自動、連續的完成對物料K8凯发登录入口的測量。這是通過動態釆集皮帶秤架上的8個稱重傳感器和1個速度傳感器，由單片機對這些數據進行處理從而完成物料的動態計量。為了測得在一段長度（或時間）內帶送物料流的總累計值，可以釆用積分法計量原理來計算⑵。
在邛寸刻的計量段內，有物料通過時,可以測得該處截麵的的物料重量分布和輸送帶的速度，二者的乘積就是皮帶輸送機的瞬時物料K8凯发登录入口，在一段時間內對Q3進行積分，得到這段時間內的物料累計重量G
2皮帶秤硬件電路設計
2.1嵌入式微控製器
皮帶秤要實現八通道重量數據的並行采集、測速、通訊等功能,外圍電路比較複雜。內部要進行瞬時K8凯发登录入口和總累計量的計算,運算量很大。如果采用單精度的浮點數進行運算，在總累計量很大的時候，會出現數據累計不進去，導致數據的丟失的現象。工業現場中的大型設備的瞬時啟動停止產生了強烈幹擾，要求控製器具備很高的抗幹擾能力和穩定性。所以釆用LPC2142微處理器，能夠滿足實際的需要。
LPC2142是支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-SCPU的微控製器，具有2個32位的定時器/計數器、6路輸出的PWM單元和看門狗,2個工業標準的UART、2個1氣接口，1個SPI和SSP,1路10位ADC、1個10位DAC、45個通用1/0口、9個邊沿或電平觸發的外部中斷，內置16KB的靜態RAM和64KB的片內Flash,通過PLL可以實現最大為60MHz的CPU操作頻率，小型LQFP64封裝，功耗很低⑴。可以實現很高的指令吞吐量和實時的中斷響應，豐富的I/O口，也有利於以後硬件功能的擴展。
2.2濾波電路的設計
稱重傳感器輸出的是0~8mV的電壓信號,在進入儀表放大器之前,通過濾波來提高信號的抗幹擾能力。
在無源低通濾波的基礎上，設計出了一種更加有效的濾波電路的結構，如圖1所示。差分信號通過Rag右端進入係統。由電阻R”、R23和電容Cm9、C|50組成了對地低通濾波結構，主要濾去差分信號中的高頻噪聲。2個並聯滌綸電容Cw、cm，它們能夠很好的衰減掉差模噪聲。由高精密電阻為、電和粗電容C"3又組成了一個低通濾波結構，濾掉了截至頻率以上的信號;最後經過滌綸電容C“、c%衰減掉了共模噪聲，這時差分信號才輸入到儀表放大器中。
圖1濾波電路
釆用對稱結構的低通濾波器，能夠使得差分信號在傳輸過程中受到同樣的損失，保證線路的平衡。當電阻和電容G”的值釆用如圖1所標出的數值時，算出低通濾波器的截止頻率A=72.38Hz⑷。
2.3儀表放大器(AD8231)
該係統稱重傳感器輸出的是一個mV級的差分信號，極易受到工業現場噪聲的幹擾，因此不能遠距離傳輸。必須先經過儀表放大器的放大，才能進行ADC轉換⑷。
釆用的AD8231是一款利用自動調零技術製作的穩零式精密儀表放大器。電路結構如圖2所示。
AD8231可以通過數字或引腳編程選擇增益，最大為128。當增益G=1時，共模抑製比(CMRR)為80dB,共模抑製比隨增益提高而增加，最高可達HOdB.輸入偏置電壓的最大漂移最大為50nV/T,可以有效改善皮帶計量秤數據釆集的溫漂性能。同時,AD8231具有關斷功能，可以對八通道稱重傳感器信號進行放大,從而避免了在使用多路模擬開關帶來的導通電阻和漏電流的問題。

2.4AD釆集模塊
要達到比較高的測量精度，需要釆用高分辨率的ADC.AD7190是一款A-£型,轉換速率可達4.8kHz,分辨率達到24位的A/D轉換器。以ADC轉換器為核心的硬件結構如圖3所示。

在確定AD轉換器的轉換速率時，要考慮係統的釆樣速率,AD7190的釆樣速率4.7Hz~4.8kHz之內。AD7190有效分辨率為24位，峰-峰分辨率為21.5位(gain=1,轉換率為50Hz)。在滿足需要的情況下，降低更新速率可以提高有效分辨率。
此外,ADC的有效分辨率還與可編程增益放大器的增益有關。該係統稱重傳感器的電橋激勵電壓為5V,其輸出信號的共模電壓為2.5V.稱重傳感器的輸出信號(0~8mV)放大了128倍後,大約是1V左右，可設置的AD7190的增益隻能設為
另外AD7190增益越低,其有效分辨率越高。
AD7190的4個數字接口的引腳/CS、SCLK、DIN、DOUT/RDY,通過隔離芯片ADuM1401和LPC2142應的I/O相連，利用SPI方式完成與微控製器的通信。8路的ADC轉換器的DOUT/RDY端口跟LPC2142的引腳相連,並設置外部中斷為低電平激活方式。當RDY變為低電平，就會進行中斷服務處理。
把AD7190的參考電壓輸入端口REF1+、REF1-直接連接到稱重傳感器反饋激勵電壓，這樣使得ADC轉換結果跟AD7190的參考電壓無關，這就是比率激勵測量法的思想。能夠用一般的基準達到高精度的ADC轉換。
2.5測速模塊
皮帶秤的滾輪轉動起來，通過光電編碼器會產生速度脈衝信號,通過光隔TP521,除去速度信號上的毛刺,在經過施密特觸發器74F132進一步去掉毛刺，最後由單片機進行處理⑷。當LPC2142的外部中斷輸入設置為邊沿激活方式，就可以通過中斷對輸入的脈衝數進行處理。未經過濾波的速度脈衝信號，如圖4所示。從圖可以看出這時雜波的幅值很大，很容易導致邏輯電平的錯誤。釆用了施密特觸發器後，提高了噪聲容限,基本濾掉了速度信號中的雜波，輸出的速度方波信號如圖5所示

3抗幹擾技術
3.1硬件抗幹擾措施
在實際的應用中，傳感器離控製器都有一定的距離，這時信號傳輸線的漏電阻，損耗電阻和分布電容會降低電路的共模抑製能力。采用六線製接法，就是把供橋激勵電壓的反饋電壓作為ADC轉換器的參考電壓，並且使用屏蔽電纜作為傳輸線，可以有效的減小外界噪聲的幹擾⑷。
在電路板布局時，強電和弱電，模擬電路、數字電路都要分開'句。電源模塊上麵的+5V和+15V,分別通過SPX1117M3-3.3芯片和AD435芯片,分別為數字電路和模擬電路提供穩定的電源。
供橋的模擬地是從AC/DC電源模塊的模擬地的根部直接引出去，可以避免其他模擬地的噪聲幹擾。在布線時,模擬地和AD7190的地單點接地，特別要防止走大電流的地線和ad7190的地線相互幹擾。同時要保證所有電流的返回路徑都盡可能地靠近它們到達目的地所走的路徑⑴。而且,盡量加粗電源線和地線，並在電源線和地線之間，加1個106的鋌電容和104陶瓷電容來去耦。同時輸入8231_AIN1+、8231_REF1要釆用全差分模式，避免直接接地,減少地線噪聲幹擾。
3.2軟件抗幹擾措施
軟件抗幹擾措施主要釆用遞推平均濾波法,就是先在單片機的緩衝區中存入N個數據，形成了1個長度為N的隊列，然後每進1個采樣值，就把最新的1個數據放在隊尾，扔掉原來隊首的1個數據，這樣隊列中始終有N個最新的數據。對這N個數據取平均值,就可以得到最新的濾波值。遞推平均濾波法對周期幹擾有良好的抑製作用，但對偶然出現的脈衝性幹擾的抑製作用差。故它不適用於脈衝幹擾較嚴重的場合，而適用於高頻振蕩係統囪。
4實驗結果及分析
4.1陣列式皮帶秤零點穩定性實驗
在上位機的稱重係統中，通過設定測速傳感器的脈衝頻率為50Hz,皮帶秤空稱跑4圈，去皮校稱,測得的陣列式皮帶秤的校稱零點值，如表1所示。

所謂零點指的是空皮帶運行時所測出的重量值，也就是皮帶的皮重值。皮重值越穩定，才能更精確的算出皮帶秤的瞬時K8凯发登录入口和總累計量。
當測速傳感器輸入的是工頻脈衝時，皮帶跑一圈的時間為48.5s,跑的圈數越多，測量的零點值會越精確。一般取4~5圈左右，就能滿足實際的需要。這時皮帶秤零點值誤差精度在(7~8)Xi。-'表明陣列式皮帶秤的零點值是很穩定的。但是由於皮帶的不均勻性，因此這種誤差是始終存在的。
4.2陣列式皮帶秤稱重實驗及誤差分析
在工業測試現場，上位機設置皮帶機運行一圈的時間為48.5s,測得對應的速度為2.2m/s.並且設置皮帶的張力最大值為1107kg,這樣有利於減小皮帶輻下沉的對稱重的影響。然後
進行去皮、校稱標定,再通過RS-485總線通訊,調取下位機的數據,並在上位機進行處理顯示。在瞬時K8凯发登录入口分別為200t、500t、l000t進行動態稱重試驗。根據物流K8凯发登录入口的理論值和實際值，求得稱重的誤差(%)，經擬合後的誤差曲線。
3組試驗的動態稱重誤差精度都在0.2%之內，每組試驗的動態誤差跟瞬時K8凯发登录入口近似成線性關係。當瞬時K8凯发登录入口為500t/h時,動態稱重精度最高。根據式(1),當物流均勻流過，皮帶速度穩定時，可以得出,物流K8凯发登录入口的近似計算公式：
q=3.    (2)
根據式(2)可知，當小皮帶的速度恒定時，物流K8凯发登录入口Q跟載荷分布g成比例關係。當K8凯发登录入口。變大時,q就成比例增大。因此，單位長度皮帶的承受的載荷變大，皮帶的張力變大,誤差被放大。在瞬時K8凯发登录入口為500t/h時，對K8凯发登录入口進行標定，得出的稱重精度是最高的;而瞬時K8凯发登录入口在200tj000t時，皮帶的張力相對於500t/h的變化量分別為皿仏烏這樣就使得稱重誤差變大。由於瞬時K8凯发登录入口與動態稱重誤差近似成線性關係，可以通過軟件補償，進一步的提高動態稱重精度。由於硬件電路、機械結構、外界環境等都會對皮帶秤的精度產生影響，因此,要設計更高精度的皮帶秤,需要全麵的考慮這些因素。
5結束語
基於LPC2142微控製器的陣列式皮帶秤，通過設計恰當的濾波結構，選擇合適的儀表放大器和ADC轉換器，並在硬件上對測速脈衝信號進行濾波,減小了雜波的幹擾。經過的工業現場的測試，達到了很高的稱重精度。而且LPC2142強大的功能，有利於將來網絡接口等功能的擴展。測試結果表明這種陣列式皮帶秤具有良好的使用價值。

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