摘  要： 設(shè)計了一款基于ADS1234的稱重系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高、數(shù)字化等特點。主要從硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)以及提高的措施對系統(tǒng)進(jìn)行了闡述。，通過加載實驗，驗證了本設(shè)計的正確性以及工作的穩(wěn)定性。

　　隨著工業(yè)過程控制以及自動化水平的不斷提高，特別是數(shù)字技術(shù)與信息技術(shù)的飛速發(fā)展，在稱重計量與控制系統(tǒng)領(lǐng)域，對衡器行業(yè)提出了電子衡器數(shù)字化、智能化、用數(shù)字稱重系統(tǒng)突破模擬稱重系統(tǒng)的局限性等要求?？刂葡到y(tǒng)是指由控制主體、控制客體和控制媒體組成的具有自身目標(biāo)和功能的管理系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)意味著通過它可以按照所希望的方式保持和改變機器、機構(gòu)或其他設(shè)備內(nèi)任何感興趣或可變化的量?？刂葡到y(tǒng)同時是為了使被控制對象達(dá)到預(yù)定的理想狀態(tài)而實施的?？刂葡到y(tǒng)使被控制對象趨于某種需要的穩(wěn)定狀態(tài)。

　　1 ADS1234特性及其稱重應(yīng)用

　　負(fù)載單元通常根據(jù)輸出電壓確定，該輸出電壓是在施加負(fù)載單元額定重量時為1 V激發(fā)電壓產(chǎn)生的，規(guī)格以單位mV/V確定。由5 V電壓激發(fā)的4 mV/V負(fù)載單元所具有的滿量程輸出電壓僅為20 mV.所以，稱重傳感器中的電阻橋產(chǎn)生的待測電壓信號非常小，而且電壓信號隨重量的變化量也非常小。

　　ADS1234是一個精密的24位AD轉(zhuǎn)換器，它內(nèi)部帶有低噪聲的可編程精密放大器、精密的Delta-Sigma AD轉(zhuǎn)換和內(nèi)置的振蕩器。它具有非常低的噪聲，當(dāng)PGA=128倍時，±20 mV的輸入范圍內(nèi)均方根（rms）噪聲僅有17 mV,采樣速率為10 Hz~80 Hz,對于50 Hz與60 Hz具有大于100 dB的抑制能力。

　　ADS1234在稱重領(lǐng)域的應(yīng)用的優(yōu)點是：（1）具有完整的前端，不需要外置放大電路；（2）沒有外部時鐘的要求；（3）所有的功能由管腳來控制，沒有寄存器需要編程。

　　2 稱重系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在本系統(tǒng)中MCU可選用單片機、ARM、DSP等芯片，只要內(nèi)存以及處理速度能夠滿足系統(tǒng)的要求即可，本文以STC89252RC單片機為例進(jìn)行說明。電源部分的主要功能是對MCU和ADS1234供電，規(guī)定需要5 V和3 V的穩(wěn)定電源。

　　2.2 硬件接口設(shè)計

　　學(xué)習(xí)硬件的人員，常常會使用不同的IC,有一點，在某一個領(lǐng)域中，IC常常變化，但硬件接口變化卻很慢，只要了解了硬件接口，對于硬件工程師來說，就可以應(yīng)對自如了。 以下是硬件接口列表，內(nèi)容描述不一定是對應(yīng)接口詳?shù)?，詳?xì)的可以參見百科中的對應(yīng)詞條。本文重點偏重于硬件設(shè)計時，需要對硬件接口了解的信息，這也百科中對相應(yīng)詞條描述時，較少提到的部分。

　　硬件接口電路設(shè)計主要完成ADS1234外圍電路以及與MCU之間的接口電路?；菟雇姌虻妮敵鲭妷赫?fù)極分別接ADS1234的AINP和AINN兩個管腳。/DRDY/DOUT、SCLK和/PDWN接MCU的三個I/O管腳。圖2所示為ADS1234接口電路原理圖。

　　2.3 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

　　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（對抗）等問題。機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計中，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，同時還要防止對環(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)。

　　干擾問題是機電一體化系統(tǒng)設(shè)計和使用過程中必須考慮的重要問題。在機電一體化系統(tǒng)的工作環(huán)境中，存在大量的電磁信號，如電網(wǎng)的波動、強電設(shè)備的啟停、高壓設(shè)備和開關(guān)的電磁輻射等，當(dāng)它們在系統(tǒng)中產(chǎn)生電磁感應(yīng)和干擾沖擊時，往往就會擾亂系統(tǒng)的正常運行，輕者造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，降低了系統(tǒng)的；重者會引起控制系統(tǒng)死機或誤動作，造成設(shè)備損壞或人身傷亡。

　　在電子系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)充分考慮并滿足抗干擾性的要求，避免在設(shè)計完成后再去進(jìn)行抗干擾的補救措施。本文的抗干擾設(shè)計主要從以下三個方面進(jìn)行：

　?。?）抑制干擾源，減小干擾源的du/dt、di/dt.這是抗干擾設(shè)計中先考慮和重要的原則。減小干擾源的du/dt主要是通過在干擾源兩端并聯(lián)電容實現(xiàn)。

　?。?）切斷干擾傳播路徑。充分考慮電源對MCU的影響，要給MCU電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減小電源噪聲對MCU的干擾。此外，還要合理布線，分開模擬地和數(shù)字地。

　　（3）提高敏感器件的抗干擾性能。減少回路環(huán)的面積，電源線和地線盡量粗，閑置的I/O口不懸空[3-4].

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括系統(tǒng)初始化、MCU控制ADS1234以及串口通信設(shè)計。系統(tǒng)初始化保證系統(tǒng)能夠在預(yù)定模式和狀態(tài)下工作?？刂艫DS1234主要是設(shè)定內(nèi)部可編程增益放大倍數(shù)、選擇測量通道、采樣速率以及控制轉(zhuǎn)換器等。串口通信部分主要是制定通信協(xié)議，包括傳輸速率和數(shù)據(jù)格式等。圖3是系統(tǒng)軟件流程圖。

　　3.2 系統(tǒng)初始化以及串口配置

　　在系統(tǒng)啟動后就進(jìn)行初始化，完成系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置。在單片機程序中完成晶振初始值設(shè)置、工作模式設(shè)置、開啟中斷、定時器等。進(jìn)入系統(tǒng)自檢。系統(tǒng)自檢主要完成顯示部分、存儲器以及其他功能部件的檢查工作。

　　在進(jìn)行串口通信之前要對控制器的串口進(jìn)行正確的配置，包括串口的工作方式、波特率等。本文主處理器采用STC89C52RC單片機，串口設(shè)置為方式1,串口的波特率設(shè)置為9 600 b/s.

　　3.3 ADS1234數(shù)據(jù)采集設(shè)計

　　圖4所示為ADS1234的工作時序圖。DRDY/DOUT引腳有兩個功能。首先，其變?yōu)榈碗娖綍r表明有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，然后在SCLK時鐘的個上升沿，該引腳改變其功能，開始輸出轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)，有效位（MSB）優(yōu)先。數(shù)據(jù)在每個SCLK的上升沿輸出。當(dāng)24位數(shù)據(jù)（第24個SCLK時鐘）都被獲取之后，將/DRDY/DOUT引腳強制拉高，并持續(xù)為高，直到有新的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。正是由于DRDY/DOUT引腳的這種特性，在本文中采用了中斷的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

　　以下為ADS1234A/D轉(zhuǎn)換源代碼：

　　//高12位A/D轉(zhuǎn)換程序

　　for（i=0;i<12;i++）

　　{ sclk=1;

　　_nop_（）；

　　_nop_（）；

　　sclk=0;

　　if（dout==1）

　　rice=（rice《1）|0x0001;

　　else

　　rice=rice《1;

　　_nop_（）；

　　_nop_（）；

　　}

　　3.4 系統(tǒng)校正

　　對ADS1234進(jìn)行偏置校正，是在獲得24位數(shù)據(jù)之后至少兩個額外的SCLK時鐘信號，即第26個SCLK時鐘下降沿時開始校正周期。完成校正后，DRDY/DOUT為低，表明新的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。當(dāng)使用的晶振為典型值4.912 5 MHz時，SPEED=1時，其MIN值為10.28 ms,MAX值為101.29 ms,±3%的浮動范圍?？梢钥吹?，其所花的時間較長，大大降低了整個系統(tǒng)的運行速度，故要在系統(tǒng)運行一段時間后進(jìn)行校正。

　　4 提高稱重的輔助措施

　　4.1 傳感器安裝技巧

　　傳感器是整個稱重系統(tǒng)的部件之一，要獲得可靠的數(shù)據(jù)源就要選擇合理的安裝方式。具體包括：（1）傳感器的加載方向與車輛的受載方向相一致，避免橫向力、附加的彎矩、扭矩力；（2）安裝傳感器的底座安裝面應(yīng)平整、清潔，無任何油膜、膠膜等存在；（3）盡量采用有自動定位作用的結(jié)構(gòu)配件，如球形軸承、關(guān)節(jié)軸承、定位緊固器等，防止某些橫向力作用在傳感器上；（4）每只傳感器安裝底座的安裝平面要求水平，多個傳感器的安裝底座的安裝面要盡量調(diào)整到一個水平面上，以保證各傳感器所承受的負(fù)荷基本一致；（5）稱重傳感器周圍設(shè)置一些防護(hù)罩，以防止雜物污染傳感器和某些可動部分，保證稱量。

　　4.2 穩(wěn)壓電源設(shè)計

　　在本文中采用LM2576集成芯片進(jìn)行電源穩(wěn)壓設(shè)計。LM2576系列的穩(wěn)壓器是單片集成電路，能提供壓降開關(guān)穩(wěn)壓器（buck）的各種功能，能驅(qū)動3 A的負(fù)載，具有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力。這些穩(wěn)壓器內(nèi)部含有頻率補償器和一個固定頻率振蕩器，將外部元件的數(shù)目減少到少，使用簡便。

　　4.3 數(shù)字濾波設(shè)計

　　數(shù)字濾波器（Digital Filter）是由數(shù)字乘法器、加法器和延時單元組成的一種裝置，其功能是對輸入離散信號的數(shù)字代碼進(jìn)行運算處理，以達(dá)到改變信號頻譜的目的。取N個采樣值求平均，RAM中要開辟N個數(shù)據(jù)的暫存區(qū)。每采集一個數(shù)據(jù)都要存入暫存區(qū)，同時去掉一個早的數(shù)據(jù)，保持這N個數(shù)據(jù)始終是近的數(shù)據(jù)[5-6].

　　部分源代碼如下：

　　//滑動平均法數(shù)字濾波

　　ulong filter（ulong ad）

　　{

　　static ulong buff[9]={0,0,0,0,0,0,0,0,0}; //濾波緩沖區(qū)的大小

　　static uchar in=0;

　　static ulong total=0;

　　total-=buff[in];

　　buff[in]=ad;

　　in++;

　　if（in==9）

　　{

　　in=0;

　　}

　　total+=ad;

　　return （total/9）；

　　}

　　5 稱重實驗

　　本文采用加載機對實驗小車進(jìn)行力學(xué)加載試驗。載荷從零開始，每次增加500 N,加載至20 kN（此力接近于汽車超載重量）?；趯嶒灄l件的限制，試驗中電壓值到0.01 mV.表1所示為部分輸出電壓值。

　　當(dāng)力小于3 kN時，電壓緩慢上升，說明應(yīng)變變化很小，當(dāng)力大于3 kN時，電壓呈線性上升，應(yīng)變呈線性變化。接下來，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合。假設(shè)加載力為F（kN），輸出電壓為V（mV），則可以推算出輸出電壓與重量的關(guān)系式為：

　　V=0.1F-0.3（1）

　　通過驗證式（1），可以看到本實驗的在0.01 mV.

　　本文所設(shè)計的一種基于ADS1234稱重系統(tǒng)，具有數(shù)字化、高等優(yōu)點。所設(shè)計的系統(tǒng)外圍電路簡單，易于在稱重領(lǐng)域中推廣。結(jié)合本文所述的數(shù)字濾波等技術(shù)，本系統(tǒng)也具有工作狀態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)定時間短等優(yōu)點。