本文討論一種基于ARM結(jié)構(gòu)的智能電子灌裝秤設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)分析了硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件 功能模塊。試驗(yàn)證明這款電子秤具有灌裝精度高、功能齊全、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn),可廣泛用于石油液化氣等的自 動(dòng)稱重灌裝。

本文討論的智能電子秤，是作者受本地一家電 子秤廠家委托的研發(fā)項(xiàng)目，它是一種用于液化氣灌 裝的電子衡器。智能電子灌裝秤可以自動(dòng)識(shí)別鋼瓶 規(guī)格型號(hào)，自動(dòng)檢斤去皮,可以自動(dòng)記錄每次灌裝的 曰期時(shí)間、灌裝量等信息,支持多種灌裝方式,還應(yīng) 有聲光報(bào)警、密碼保護(hù)、防爆、防作弊等功能。

一、電子稱重關(guān)鍵技術(shù)

電子稱重是將被測(cè)物體的質(zhì)量通過稱重傳感器 轉(zhuǎn)換為與之成正比的電信號(hào),經(jīng)由計(jì)算機(jī)處理后,再 以模擬或數(shù)字量的形式顯示出來,如圖1所示。從上 世紀(jì)50年代電子技術(shù)滲入到衡器的輔助測(cè)量裝置 開始，電子稱重技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn),從最初的機(jī)電結(jié) 合型,到今天的全電子型,并向著智能化、綜合型的 方向不斷發(fā)展。電子稱重技術(shù)的發(fā)展,始終與稱重傳 感器、計(jì)算機(jī)技術(shù)和抗干擾等關(guān)鍵技術(shù)緊密聯(lián)系在 一起的。

稱重傳感器是電子稱重系統(tǒng)的核心，從原理上 可以分為電容式、壓磁式、光電式、電磁力式、磁極變形式、振動(dòng)式和電阻應(yīng)變式等。本文選用的是性價(jià) 比較高的電子應(yīng)變式稱重傳感器，它是利用金屬的 電阻應(yīng)變效應(yīng)將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量輸出的一種傳感器。

本文選用NXP公司的LPC2109作為系統(tǒng)核 心，它是一款基于ARM7TOMI-S的處理器，ARM是 Advanced RISC Machines的縮寫。ARM處理器是由 英國ARM公司設(shè)計(jì)，再授權(quán)由合作公司生產(chǎn)的嵌 入式微處理器。ARM處理器具有體積小、功耗低、32 位/16位雙指令集的特點(diǎn),擁有眾多合作伙伴，已經(jīng) 占據(jù)了絕大部分32位、64位高端嵌入式處理器市 場(chǎng)，已成為移動(dòng)通信、手持計(jì)算等嵌入式設(shè)備事實(shí)上 的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

抗干擾技術(shù)就是研究干擾的產(chǎn)生根源、干擾的 傳播方式和避免被干擾的措施(對(duì)抗等問題。機(jī)電 一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,既要避免被外界干擾,也要考 慮系統(tǒng)自身的內(nèi)部相互干擾，同時(shí)還要防止對(duì)環(huán)境 的干擾污染。國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了電子產(chǎn)品的電磁輻 射參數(shù)指標(biāo)。電子秤的干擾因素包括電磁干擾、溫 度干擾、濕度干擾、聲波干擾和振動(dòng)干擾等。其中， 電磁干擾最為普遍?？垢蓴_措施,從硬件方面考慮， 可以采用屏蔽、隔離、濾波和接地等方法,從軟件方 面考慮,主要有軟件濾波、“陷阱”程序、“看門狗”等。

二、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的電子灌裝秤的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示,主要由LPC2109、稱重電路、灌裝控制電路、顯 示電路、鍵盤接口電路和存儲(chǔ)電路等組成。

在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，統(tǒng)籌考慮功能、性能、 價(jià)格和抗干擾性等方面,處理器選用的是LPC2109, 它是一款基于ARM7TDMI-S的16/32位CPU,內(nèi)置 8KSRAM和64KB高速Flash存儲(chǔ)器，并配有I2C、 UART等接口，內(nèi)置看門狗、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等。

稱重電路由傳感器和AD轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。傳感 器采用的是中航電測(cè)的改進(jìn)型鋁合金單點(diǎn)式稱重傳 感器L6G-C3-200kg,性價(jià)比高，精度完全滿足系統(tǒng) 要求。AD轉(zhuǎn)換器件選用的是ADS1230,它是一個(gè)20位的AD轉(zhuǎn)換器，內(nèi)含一個(gè) 低噪聲可編程增益放大器，可以有效解決傳感器輸 出信號(hào)極小不易測(cè)量的問題,做到精確測(cè)量。

在灌裝控制電路中，由LPC2109輸出控制信 號(hào),經(jīng)放大器放大后,控制繼電器開關(guān)220V交流電 磁閥,從而實(shí)現(xiàn)液化氣灌裝的通斷。

鍵盤接口電路中采用機(jī)械式鍵盤,共定義了 0- 9、小數(shù)點(diǎn)、啟動(dòng)、停止等共20個(gè)鍵,它們構(gòu)成一個(gè)5 行4列的矩陣。

顯示部分共用28個(gè)數(shù)碼管、6個(gè)LED,用于顯 示皮重、灌裝方式、灌裝日期與時(shí)間以及系統(tǒng)工作狀 態(tài)等。

存儲(chǔ)電路選用一片AT24C512B,用于存儲(chǔ)系統(tǒng) 參數(shù)、灌裝記錄等。

通訊電路是使用LPC2109內(nèi)置的UART接口 與上位PC機(jī)實(shí)現(xiàn)串行通訊。

三、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

智能電子灌裝秤的軟件系統(tǒng)是在充分調(diào)研用戶 需求的基礎(chǔ)上,結(jié)合硬件設(shè)計(jì),采用分層和模塊化思 想設(shè)計(jì)并開發(fā)的。主要的軟件模塊包括系統(tǒng)初始化、 稱重灌裝、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、灌裝記錄査看、鍵盤驅(qū)動(dòng)、 顯示驅(qū)動(dòng)、AD轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)、通訊驅(qū)動(dòng)等。

系統(tǒng)加電后，將進(jìn)行初始化，主要完成 AT24C512B、ADS1230、顯示中斷等的初始化，完成 系統(tǒng)級(jí)變量、系統(tǒng)參數(shù)表和鋼瓶數(shù)據(jù)等的初始化,初 始化完成后顯示登錄界面。系統(tǒng)初始化算法如圖3 所示。

根據(jù)用戶需求以及安全方面的考慮，電子秤在 使用前需要進(jìn)行登錄，用戶只有在提供正確的口令后方能使用。登錄成功后,進(jìn)入系統(tǒng)主工作界面,也 就是稱重灌裝控制界面,在這個(gè)界面也可以選擇其 他子功能。

液化氣稱重灌裝的一般操作過程是，將鋼瓶放 在稱臺(tái)上,接通液化氣噴槍,用戶選擇灌裝方式并設(shè) 置灌裝量，然后按下啟動(dòng)鍵，電子秤登記皮重、打開 電磁閥控制灌裝。稱重灌裝的算法邏輯如圖4所示。

電子秤的稱重部分，是由傳感器、ADS1230和 LPC2109等共同構(gòu)成。所以AD轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)就是對(duì) ADS1230的接口編程,將其20位的串行數(shù)據(jù)變換為 系統(tǒng)內(nèi)碼值。使用ADS1230的一般過程是,先進(jìn)行初 始化和校準(zhǔn),再讀取數(shù)據(jù)。由于傳感器輸出的信號(hào)極 小,極易受到干擾,為此必須對(duì)ADS1230輸出的數(shù)據(jù) 進(jìn)行數(shù)字濾波才可以使用。算法邏輯如圖5所示。為 有效防止干擾,實(shí)際應(yīng)用中數(shù)字濾波采用的是中位值 平均濾波法。具體方法是,取N個(gè)AD結(jié)果,去除一個(gè) 極大值和一個(gè)極小值后,再求平均值。

四、性能分析

為分析電子秤的性能，對(duì)電子秤進(jìn)行靜態(tài)稱重 實(shí)驗(yàn)和灌裝稱重實(shí)驗(yàn)。靜態(tài)稱重實(shí)驗(yàn)是用標(biāo)準(zhǔn)砝碼 對(duì)電子秤進(jìn)行稱重實(shí)驗(yàn)，并與某傳統(tǒng)灌裝秤進(jìn)行對(duì) 比,測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

灌裝稱重實(shí)驗(yàn)就是進(jìn)行實(shí)際液化氣灌裝實(shí)驗(yàn), 測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

從測(cè)試結(jié)果看，實(shí)際灌裝誤差最大不超過50g, 遠(yuǎn)低于《液化石油氣充裝站安全技術(shù)條件（GB + 17267-1998》等國家標(biāo)準(zhǔn)中的要求，滿足用戶需 要。

五、結(jié)論

基于本文設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)的智能電子灌裝秤,進(jìn) 行了軟硬件系統(tǒng)調(diào)試和稱重、灌裝測(cè)試,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分 析表明本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的電子灌裝秤工作穩(wěn)定可靠， 各項(xiàng)功能、性能和精度均達(dá)到用戶要求。