稱重選別機動態稱重測控系統硬件設計

介紹了稱重式果蔬稱重選別機的流水線結構, 并簡要描述了稱重選別機所采用的懸臂梁式稱重傳感器的原理和該稱重選別機所選擇的稱重傳感器的主要指標。較為詳細地闡述了作者設計的一款稱重式果蔬稱重選別機控制器的工作原理, 并就該水果機的實現方案進行了一些細節的討論并指出了數據處理過程中軟硬件資源使用的難點。

   1　果蔬稱重選別機械發展現狀

   我國是一個果蔬生產大國, 但是, 我國果蔬市場長期以來一直屬于粗放型經濟。果蔬產品的國際市場價格偏低。其重要原因是我國果蔬采后處理落后, 外觀質量偏低。因此, 果蔬的分級已經和我國果蔬的市場競爭力緊密相聯。本文介紹一種按重量分級的果蔬分選設備核心部分--控制器的設計, 這種設備利用稱重式傳感器對果蔬進行動態測量, 從而將果蔬按照重量大小進行自動分類。

   2　果蔬稱重選別機流水線

   首先對稱重式果蔬稱重選別機的基本結構和稱重機理作一個簡單介紹。果蔬稱重選別機由上果段、分選傳感器段和分果出口段組成。

   2. 1　上果段

   上果段負責將已經清洗上蠟后的果蔬平穩地置入果杯, 由一根鉸鏈帶動向前運行至傳感段, 這一段要求盡量使果蔬在進入傳感分選段之前果蔬保持運行的平穩, 以減弱上果瞬間的機械振動。

   2. 2　傳感器段

   分選傳感器段由兩根并行的整體鑄鋁導軌構成。果杯底部的四只對稱壓腳分別壓在兩根導軌表面由鉸鏈拉動向前滑動。導軌有一個長方形凹槽, 槽內分別固定懸臂梁式壓力傳感器, 傳感器上水平安置一塊長方形鋼板, 長度與果杯所占長度相當, 鋼板表面處理的較光滑, 鋼板與鑄鋁表面處同一平面, 與鑄鋁保持一定縫隙, 以避免鋼板在稱重的時候由于與周圍的鑄鋁接觸產生數據誤差。鋼板與鑄鋁的縫隙不能過大, 以避免果杯劃過該段時產生震動, 這個震動在傳感器的輸出信號上反映為幅度很大的振蕩電壓信號, 它對果蔬的稱重測量影響很大。鑄鋁導軌面被加工成光潔度非常高的兩邊低中間高的拱形結構。當果杯被拖送到傳感段的時候, 隨著果杯向前移動, 鑄鋁斜坡越來越高, 果杯的稱重壓腳被光滑的鑄鋁表面鋼板托起, 果杯及果蔬的重力因此逐漸與鉸鏈脫離。當果杯滑動到重力傳感器部分時, 果杯高度達到較高點, 短時間內果杯重力完全脫離鉸鏈, 果杯的四只稱重壓腳全部壓在兩邊的兩只重力傳感器的鋼板上。傳感器利用果杯重力脫離鉸鏈快速通過傳感器的短暫時間迅速采集數據, 經CPU 的計算, 得到果杯與果杯上所置果蔬的重量之和。

   2. 3　分果出口段

   流水線傳感段之后緊接著是分果出口段, 它是在傳送帶側面安排了若干個出果口和接果槽, 每個口設計一個控制出果的電磁閥。當已經在傳感器段被測出重量的果蔬通過相應的出果口時, CPU 會及時發出控制命令, 令該出果口的電磁閥動作, 果蔬因此滾入接果槽。出果口越多, 則果蔬品級的分選可以越細。

   3　控制器原理

   3. 1　稱重傳感器的選擇

   稱重選別機測量果蔬重量的效果決定于稱重傳感器的選擇與安裝。本設計選擇懸臂梁式稱重傳感器, 它是利__用電阻應變原理設計的傳感器。當重力以垂直方向作用于鋁質懸臂梁的末端時, 梁的上表面產生拉應變, 下表面產生壓應變, 上下表面的應變大小相等符號相反。

   粘貼在上下表面的應變片也隨之拉伸和縮短。得到正負相間的電阻值的變化, 將電阻值轉化為電壓信號的電路為惠斯登電橋( 圖1) 。由于四只電阻的溫度環境相同, 在環境溫度發生漂移時, 漂移值相互抵消, 可以抑制溫度變化的影響[ 2] 。

   橋臂電阻由R 1 至R 4 四個應變電阻組成, US L為激勵電壓。當四個電阻平衡時, USC 輸出為零, 當懸臂梁受力變形造成應變電阻失去平衡時, USC輸出線性反映電阻變形的情況。測量這一電壓的變化, 就得到被測物體的重量[ 3] 。

   我們選擇的傳感器靈敏度( D) 為2±10%mV / V;建議激勵電壓: 5V ～15 V( DC/ A C)

   選激勵電壓為10V , 則由激勵電壓和靈敏度的關系可計算出該傳感器較大輸出電壓信號應為:V OUT = VI N ×D= 10V×2mV/ V = 20mV

   這一信號幅度比較弱, 不能直接用來進行A/ D 轉換, 因此在進入A / D 轉換之前加信號放大器。該額定容量范圍比較寬泛, 可以滿足稱重選別機分選不同種類果蔬的需求, 通常分選柚子、西瓜一類大體積果蔬的稱重選別機可采用上限, 而一般分選橙子、蘋果之類的中等尺寸的果蔬稱重選別機則選用5kg 容量即可。由于果蔬動態傳感出來的信號是一個幅度較大的振蕩波,因此, 此項指標的上限應該選擇比所稱果蔬上限至少大一倍, 以防止測量出的波形發生截止失真。

稱重選別機動態稱重測控系統硬件設計1

   3. 2　控制器原理框圖

   控制器包括控制板和電磁閥驅動板兩個部分。控制板的核心是一片C8051F020 型CPU, 此外配有存儲器、A/ D 轉換器、信號放大電路和光電隔離電路等。驅動板則是一片89C51 型CPU [ 4]、1 6 路信號功率放大電路和16 路抗電磁閥反沖電壓的尖峰吸收電路( 圖2) 。主CPU 使用內部RAM 作為數據緩沖區, 內部FLASH 作為程序存儲區, 由于測量和計算過程中有許多中間變量需要快速讀寫, 并且斷電后需要繼續保留, 因此另外加了一片32kB 的FM18L08 鐵電存儲器。存儲器的地址線A0-A14 與CPU 的P60-P67 和P50-P56 相連, 數據線D0-D7 占用CPU 的P70-P77。光計數傳感器輸出的數字信號通過一個光隔離電路接入CPU 的P40 號I/ O 口線。用于確定每個果杯進入稱重段的準確時機。

稱重選別機動態稱重測控系統硬件設計2

   左右兩條軌道的稱重傳感器信號首先經過一個平衡混合電路, 將左右兩軌的重量進行加法合成, 同時將毫伏級的弱電壓信號放大至0V ～5V 。放大后的信號是一個振蕩幅度很大的近似阻尼振蕩信號。

   3. 3　信號的分析與處理

稱重選別機動態稱重測控系統硬件設計3

   我們把這個信號看作一個帶包絡的周期性振蕩信號( 圖3) , 根據信號的頻域分析原理可以知道, 這個信號中間包含振蕩載波頻率分量、包括頻率分量和直流分量。果杯和果蔬的重量實際上是這個信號的直流分量, 需要設法提取這個分量, 然后測出該分量的值。圖3　果杯高速連續通過傳感器波形

   通常分析各頻率分量的方法是將數字化后的傳感信號送入DSP 對數據進行FFT 處理, 將處理后的計算結果送入CPU, 這樣可以避免因CPU 運算速度不夠而降低分選速度。但是這樣的做法會提高控制器的硬件復雜性和成本, 并降低了系統的可靠性。如果依靠CPU 完成數據處理, 則難點在于計算速度問題, 因為稱重選別機在處理某一果蔬的同一時刻, 下一果蔬將在50ms 內到達, 并且同時要處理通信、計算每個果蔬位置和控制電磁閥等工作。

   本項設計采用模擬與數字處理相結合的辦法, 首先將含有振蕩載波、高頻信號分量、不確定振動干擾等因素造成的交流成分用模擬二階低通濾波器濾除, 再把模擬信號數字化, 交給CPU 進行數字化處理, 這種做法使送入CPU 的數據大為簡化, 從而大幅度減輕了CPU 的資源壓力。

   由于流水線機械上的每一個缺口或結合部都會產生一定程度的機械振動, 這些不同部位、不同材質的振動反映在稱重傳感器上是各種不同的載波體的疊加( 圖3) , 靠一般的濾波電路很難直接處理出直流分量。基于此, 將低通濾波后的信號送入A/ D 轉換器, 轉為16 位數字信號[ 5] , 送入CPU 的一個16 位數據總線。經低通濾波后的信號被數字化并送入CPU 后, 首先進行的就是對該離散信號進行快速傅立葉變換( FFT ) , 在頻域中取出零頻率的幅值, 計算出果蔬的重量。由于經過二階低通濾波器的信號頻譜成分簡單了很多, 因此在進行FFT 時采集點可大大減少, 轉換的計算量小很多, 使采用這片CPU 進行FFT 成為可能。3. 4　分果口控制

   由于電磁閥的驅動涉及到大電流大功率信號, 為防止由此產生的干擾, 因此將這部分電路與主控制器不共地, 采用光隔離將相互之間的電磁影響降到較低。驅動電路在輸出端設計有針對反沖電壓的尖峰吸收電路。

   3. 5　與主控臺通信

   系統在完成稱重信號處理后, 實時將測量結果通過串行通信告知控制臺, 控制臺PC 實時顯示生產線處理果蔬的進度和狀態統計。CPU 的兩位串行通信線利用ADM202E 電平轉換芯片將T TL 邏輯信號轉換為±12V 的RS232 接口信號, 串行通信口占用CPU 的P0. 0 和P0. 1。串行口實現主控板與控制臺系統機之間的通信。

   3. 6　系統工作流程

   設備啟動后, 主CPU 經上電復位開始工作, 流水線運行。系統首先測量出一次空杯循環果杯數量和每一個果杯的自重。在果蔬上載后, CPU 以更快的速度計算出重量, 再減去該果杯的自重, 得出果蔬的實際重量, 將重量的真值通過串行通信通道傳送到主控臺系統機上。同時, CPU 利用主控臺的果蔬分級設定表查出這只果蔬的分果口編號, 設定定時時間, 啟動定時器, 在傳送帶到達定時時間后立即發出相應電磁閥邏輯口的邏輯真信號, 經放大驅動相對應的電磁閥, 使果杯翻轉, 果蔬在相應的出果口落下。在同一時間段里,CPU 不僅僅在處理這一頭果蔬的稱重、分級計算和出果控制, 同時在處理多達16 頭果蔬的流程。這一實時要求造成了CPU 軟硬件方面的很大壓力。

   4　結束語

   根據上述原理設計的果蔬稱重選別機控制器已經成功地在果蔬分選行業中實現了果蔬的有效分選。分選橙子的速度可以達到20 頭/ s, 分選重量誤差小于±3g 。已經成功實現產品化。

   果蔬稱重選別機產品雖然多種多樣, 但在工程上提高分選速度、分選精度、降低成本以及增強多類果蔬分選兼容度仍是稱重選別機設計的努力方向。隨著嵌入式計算機技術、測量技術發展, 稱重選別機也將會不斷產生性能更好的新產品。

    參考文獻

    [ 1] 李光梅. 水果稱重選別機的研究現狀與發展狀況[ J] . 農機化研究, 2007( 9) : 20-23.

    [ 2] 張啟祥, 張曉英. 懸臂梁的受迫振動試驗[ J] . 物理實驗, 1997( 2) : 92-97.

   [ 3] 郭書立, 曹立文, 李立軍. 懸臂梁在沖擊力作用下的自由振動理論分析及實驗驗證[ J] . 佳木斯大學學報( 自然科學版) , 2001( 2) : 196-199.