1 、前言
隨著生活質量的不斷提高與電子技術應用的日益廣泛，社會大眾對食品包裝設備的智能性和安全性提出了更高的要求。一方麵，業者希望食品包裝設備滿足多功能、高效率、低功耗的優點；另一方麵，消費者要求食品包裝過程全自動完成，避免人工汙染。 因此，筆者設計了一種高精度采集稱重主控儀表，該儀表采集模塊是基於 24 位 △－∑ 型串行 CS5532A/D 轉換器的硬件設計；工序控製采用分程控製理論的算法設計，保證了目標數據采集的精度和速度。
該主控儀表滿足功能和技術指標、可靠性要求、操作與維護性和性價比高的設計原則，可適用於各種中小類食品，目前已投入使用。
2 、主控儀表整體架構
本文設計的高精度采集稱重主控儀表主要由單片機模塊、開關電源模塊、稱重采集模塊，人機界麵模塊、打印模塊和通訊模塊組成，如圖 1 所示。
稱重傳感器得到的稱重信號在濾波、 放大之後送至 A/D 轉換電路，再由單片機進行處理、記錄，經過譯碼後最後送到顯示屏實時顯示。 執行機構包括一係列控製加料的電機、傳送帶和稱量漏鬥等。 儀表能通過通訊串口與上位機實時數據傳輸，此外，過程數據可根據用戶需求長期保存在備份儲存器內， 以備外接熱轉印打印機打印。
3 、主控儀表工序集成控製
3.1 誤差分析
儀表的可能誤差主要有：采集模塊的采樣精度和采樣速度；放料完畢殘留在稱重料鬥的物料；執行機構的延時誤差；物料下料時的衝擊力；關閉加料門後空中的物料。
其中前兩種可能誤差可以由藉由提高 A/D 采集模塊的精度來完善， 而其餘的誤差必須通過設定合適的控製參數來規避與修正。 在本儀表中， 控製參數主要包括加料提前量和避衝時間等， 可以根據用戶經驗設定或通過係統自K8凯发大酒店天生赢家模式探取最佳參數組合。
3. 2 加料提前量與避衝時間
引入粗 / 細加料提前量是為了保證稱重儀表的加料速度與精度。 提前量是目標重量與實際重量的差值，若目標重量為 3kg,粗加料提前量設為 1kg, 則物料快加至重量為 2kg 時轉變為細加料方式，實現了兩種加料方式的切換。
在加料過程中物料產生的衝力是影響稱重精度的一個重要因素。 當粗加料開始時，物料對漏鬥的衝力最大，容易超出量程，因此可以設定避衝時間來規避這段時間內的重量稱量， 待衝力穩定或減小至可允許狀態下再繼續稱量。
3. 3 自K8凯发大酒店天生赢家模式
自K8凯发大酒店天生赢家模式是一種初級的人工智能專家係統 --- 具有大量的專門知識與經驗的程序係統，能對決策的過程作出解釋，並有K8凯发大酒店天生赢家功能，即能自動增長解決問題所需的知識。 自K8凯发大酒店天生赢家模式采用分程控製理論，經過多組的操作模擬，智能判斷出最優化的控製參數配合並進行記錄，作為經驗參數。
分程控製係統是由一個控製器的輸出信號分段去控製兩個以上執行器， 並根據輸出結果對執行器參數進行修正的係統 [1] 。在本係統中，給定係統目標重量，設定初始粗 / 細加料提前量與避衝時間，控製器為傳感器測得重量，執行器分別為粗 / 細加料閥門，根據輸出重量的精確程度，反饋控製設定值，如圖 2 所示。具體控製方法為： 若測量值與目標值絕對值誤差達 1% 以上，則控製器根據誤差方向以 0.01kg 為單位自行修正加料提前量，直到測量誤差在 1% 的允許範圍之內。
4 、主控儀表硬件采集模塊
本設計模數轉換芯片采用 Cirrus Logic 公司的低噪聲 24 位△－∑ 型 A/D 轉換器 CS5532 接口芯片，稱重傳感器選用中航電測公司的 L6H5 平行梁結構的壓力傳感器。
CS5532 接口芯片測量精度高，動態特性寬，且差動輸入端可以直接測量來自傳感器的毫伏信號， 簡化了與外圍電路的連接 [2] 。 如圖 3 ， CS5532 需要外接 4.9125MHz 的晶振，增益放大器電容 C1 和 C2 之間接 22nF 的電容 C4 ， 通道一和參考電壓經過多級 RC 濾波電路輸入。 單片機的 P1.3 口控製 CS5532 的片選端 (CS) ， P1.2 ,P1.1 和 P1.0 口分別與串行通訊的三根線 (SDI,SDO,SCLK) 連接，實現單片機與 A/D 轉換芯片的命令數據傳送 [3] 。
壓力傳感器的連接方法是紅輸入 (＋) 接稱重采集模塊的 V＋,藍反饋 (+) 接 VS＋ ，白輸出 (-) 接 IN- ，棕反饋 (-) 接 VS- ，黑輸入 (-)接 V- ，綠輸出 (+) 接 IN＋ ，屏蔽接 GND 。由於采用壓力傳感器平行梁結構，因此不同傳感器之間需要串聯 [4] 。
5 、主控儀表程序設計
主控儀表的程序設計思想是采用控製空罐到位和物料到量兩條並行同步的流水線， 實現了包裝效率與包裝精度的統一。 在操作工序上， 操作人員須設定班號與物料的類號、 最優的稱重提前量與避衝時間， 使用粗加料和細加料兩級加料方式， 加料入罐後，在顯示屏上顯示實際重量，計數自動累加並進入下一道加料工序，如圖 4 。
稱重采集處理是儀表精確度與準確度的關鍵， 其主要功能模塊分為：數據采集、數據處理和數據顯示。
5.1 數據采集
A/D 數據 的 采 集 由 CS5532模塊完成，包括 CS5532 的初始化和啟動轉化。 由於 CS5532 沒有提供係統上電自動複位功能， 必須先對 CS5532 串口初始化和係統複位，完成後再設置通道寄存器和結構寄存器，最後執行轉換指令後就可以從 SDO 口讀出轉換值。 A/D 轉換命令為 C0H(11000000B) ，寫入轉換命令後， CS5532 開始連續進行 A/D 轉換 [5] 。
5.2 數據處理與顯示
A/D 數據處理與顯示需滿足儀表準度、精度和速度的要求。數據處理主要包括零點追蹤、 濾波處理、 分格度顯示和重量換算；數據顯示程序形成模塊化，方便同類儀表移植。
由於在每次加料和放料後， 下料衝力的影響以及物料可能粘於鬥壁，導致稱量零點漂移。 修正辦法為在設定的零位追蹤範圍內，當稱量重量的維持時間超過零位追蹤時間的時候，將重量清零，也就是重新修正零點內碼和標定內碼。
濾波處理采用遞推平均濾波法，取一隊列存放 N 個最近的曆史內碼數據 (N 為用戶設定的濾波參數 ) ，將新測量的結果放入隊尾，去掉隊首的數據。 該濾波模型平滑度高，對周期性幹擾有良好的抑製作用 [6] 。 如公式 1 所示。 其中 y(k) 為第 k 次濾波輸出值，x(k-i) 為依次向前遞推 i 次的采樣值， N 為遞推平均項數。
分格度是數值末位的跳變方式， 處理方法是根據小數點位數將重量數值放大至無小數狀態， 將放大後的數值存放到一個整型數中，把這個整型數減掉這個數與分格度的模即可。
因為標定重量與實際重量之間呈現一種線形關係， 因此標定單位重量後， 將濾波後的 24 位 A/D 內碼代入下列公式 2，即可換算出實際重量。
6、實測數據分析
設定目標重量 3kg, 快加提前量 1.6kg ，慢加提前量 0.4kg，稱量 20 次，記錄耗時和稱量值。
由稱量結果知，誤差範圍在3g之內，誤差率小於0.1%，且加料速度較快，保證1000罐/時的包裝速度，實現了稱量結果準度、精度和速度的有機統一。 該主控儀表後續加入添湯、封口和貼標等設備，即可作為一台完整的自動定量稱重包裝係統，穩定投入生產。

7 、結束語
采用高精度 A/D 轉換器 CS5532 模塊， 運用分程控製理論與合理的工序算法，設計了一種精確度高、兼容性強、界麵友好的高精度采集稱重主控儀表。 該儀表具有模塊化、智能化、定製化的特點，可廣泛應用於罐頭等食品的包裝工藝中，具有廣闊的市場前景。

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