目前,随着我国货运市场的扩大, 尤其是散装货物, 像煤炭 、矿山和铁路运输等行业, 大多数散装货物都采用装载机来进行装卸. 装载机结构复杂、 操作程序多 、 动作时间短、工作环境恶劣, 而且装载机称重动态作业过程含有时变 、非线性及随机干扰等因素, 这些都为动态情况下实现装载机货物的瞬时测重带来了困难. 长期以来 ,一直采用测密度 、 划线平整的方式计算货物质量 ,但容易受货物品质、天气变化等因素的影响, 造成密度不稳. 广泛使用的轮重测定仪是一种安全检测设备, 测量有误差 , 不能作为计量装置[ 1 - 2]. 针对上述缺点,本文中设计了一种安装在装载机上用于实时、动态自动测量装载机装载货物质量的智能称重装置 . 其核心采用基于 A R M内核的高速微处理器,通过前向通道采用内置信号调理电路的高精度A D 转换芯片 A D 7705,通道 1完成对传感器输出电压的采样 、 变换 ,然后送入 S 3C 4510B 进行处理;微处理器通过对通道 2采样传感器激励源的电流信号, 对通道 1传感器采集信号进行温度补偿 ,从而解决了动态称重的称重精度与称重速度的问题 ,同时具有操作简单、可靠性高 、抗干扰能力强的特点 .

1　 称重原理

装载机动臂是一个多连杆、多支点的机构 ,动臂油缸油压受举升物的质量 、 动臂的角度、举升时油缸的加速度 、 作业场地的环境和温度变化等因素的影响, 很难建立装载机称重作业时的准确静力学或运动学数学模型[ 3-4].

W =ψ( L1 , L 2 , β, P , S , α , ΔT , Κ ) ( 1)

式 ( 1) 中 : W为有效载货的质量 ; L2 为动臂到油箱垂直距离; L1 为动臂长度; ΔT 为温度变化 ; α 为油缸的加速度 ; β为动臂的角度; P 为油缸的液压; S为油缸活塞面积; K 为场地环境变化等因素的校正系数 .

考虑称重的实际情况 ,做以下假设:

1) 在装载机作业的很小一段距离里, 动臂的角度 β是不变的 ,即 Δβ≈0.

2) 在装载机作业的很小一段距离里, 可以认为动臂的加速度 α 为恒定值, 即 Δα ≈0, 这样可以认为动臂油缸油压 P 是恒定的 .

3) 影响称重的其他因素, 如环境和温度 ,可以忽略或者通过校正和补偿的方式克服 .

经过以上假设 ,由式 ( 1) 可知 : 在装载机作业的很小一段距离里 Δβ≈0, 装载机动臂油缸油压力 P 和有效载货 W近似成正比关系,即

W∝ P           ( 2)

这样 ,可以通过在测量装载机动臂油缸的油压力测出举升物的质量.

2　 系统电路设计

根据系统设计要求及技术指标, 智能称重装置主要由电源模块 、传感器与传输通道和称重模块组成 . 压力传感器测量装载机动臂油缸的油压, 将油压力变换为电信号通过传输通道送入 A D C 接口电路. A D C 接口电路完成对模拟采样信号的的数字转换, 然后送入称重模块 ,由微处理器进行数据处理 、 计算出货物质量 ,并实现显示、 保存和打印等功能.

2. 1电源模块电路设计

装载机的电源为组 12 V 蓄电池串联组成的24 V 电源,但装载机在启动和正常工作过程中, 电压波动很大,并且装载机的工作环境恶劣, 容易给系统带来各种干扰. 电源模块需要为传感器、称重模块和其他器件提供稳定、可靠、安全的直流电源. 

蓄电池 24 V 经过熔断器过流保护 、 二极管反向保护和瞬态抑制二极管的过压保护后, 通过电容滤波得到 22 ～36 V 直流电压, 然后经功率三极管的调压电路,进入 D C /D C 电路得到稳定的 12 V直流电源.

2. 2　传感器与传输通道

安装在装载机动臂液压缸内的压力传感器选用全不锈钢结构的硅压阻式压力传感器 SY 100,它在 - 10 ～ 70℃进行补偿, 具有高精度 、高输出、高可靠 、高耐腐蚀性和长期稳定性的优点. 为了提高传输距离 ,压力传感器采用恒流供电, 由电源模块输出的 12 V 稳定直流电源经 L M 317 L 变换得到 1. 67 m A 的恒流源 .

位置传感器安装在装载机的动臂上 , 位置传感器接收器安装在装载机机体上 . 位置传感器有上 、 下两个磁钢, 按照一定距离安装在装载机的动臂上, 决定微处理器采集压力传感器信号的起始时刻. 因此位置传感器的安装位置非常重要 ,在一定程度上决定称重装置的测量结果是否正确, 可以通过某一系列装载机 , 做试验确定一个相对稳定的范围. 称重模块对采集到的信号, 需要按一定方法过滤掉异常数据 .

传输通道采用平衡发送接收器和屏蔽双绞线的数据传输方案 ,传输距离可大于 10 m , 并可以防止外界电磁干扰和电源干扰信号直接进入信号传输通道 , 减少误差的发生 . 在信数据传输的接收端 ,增加了光电隔离电路 ,以阻断干扰信号进入测量控制电路 ,提高整个系统抗干扰的能力 .

2. 3　称重模块电路设计

称重模块作为整个系统的核心 , 主要由 3部分组成 : M C U 最小系统 、 人机交互与通信接口等外围电路 、A D C 接口电路 .

2. 3. 1　 S ₃C ₄₅₁₀B 最小系统设计

在称重模块中, M C U负责称重操作所有程序的执行 ,以及监控模块内的硬件电路. 为了确保装置的测量精度和测量速度 , 便于系统以后的升级服务, 满足客户需求的变化, 选用片内集成资源丰富的 16/32位 A R M 920TR I S C 微处理器 S 3C 4510B作为称重模块的核心 M C U .保证 S 3C 4510B 可靠工作所必须的最小系统由 S 3C 4510B 、3. 3 V电源电路 、 晶体振荡器电路、复位电路, F L A S H和 S D A R M存储器, 以及 J T A G接口电路组成^{[ 7-8]}.3. 3 V 电源电路通过D C - D C转换器 L T I 085将电源模块提供的 5 V 电压变换到3. 3 V , 给 S ₃C ₄₅₁₀B 及其他需要 3. 3 V 电源的外围电路供电. 系统的工作时钟由 10 M有源晶振提供,并通过片内 P L L 电路倍频为 50 M H z 作为微处理器的工作时钟. 系统模块扩展 16 MF L A S H 用来存放己调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统或其他在系统掉电后需要保存的用户数据 , 8 MS D R A M是系统运行时的主要区域. J T A G 接口可对芯片内部的所有部件进行访问, 通过该接口可对系统进行调试、编程等. 另外, 系统采用 D S 1302提供 实 时 时 钟 和 日 历 功 能. 复 位 电 路 采 用D S 1819A ,不仅提供电压监测、手动复位功能 ,还能提供看门狗复位功能 . 

2. 3. 2　外围接口设计

为了便于根据用户的特定需求扩展外围电路,系统总线扩展引出了数据总线、地址总线和必须的控制总线 . 由于 P E T 薄膜材料具有良好的耐热性和耐药品性,吸水性低 ,优良的耐磨损和耐摩擦性, 键盘采用带背光的 4X 5 P E T 薄膜开关. 系统选用 5V 供电带驱动的 L C D模块, 与键盘结合完成人机交互功能. 为了外接打印机 、U 盘等其他外设, 系统提供 2 种通信接 口: M A X 232 扩展 的R S 232接口和 I S P 1161扩展的 U S B 接口. 系统利用通用 I /O 接口设计了用于报警的蜂鸣器和指示用的 L E D .

2. 3. 3　 A D C 接口电路设计

A D C 芯片选用双通道 、低成本 、高分辨率的16位∑ - Δ型 A D 7705, 它集放大、滤波和 A /D换单元于一体, 能将从传感器接收到的很弱的输入信号直接转换成串行数字信号输出^{[ 9]}. A D 7705内置的数字滤波器 , 能消除模数转换过程中产生的噪声. 由于数字滤波器的模拟输入和校准选项的基准输入是差分的 , 而模拟调制器的大部分电压都是共模电压, A D 7705良好的共模抑制性能能消除这些共模输入信号里的共模噪声. 
 

 A D 7705主时钟频率为 2. 4576 M H z .电源电压为 5 V , 经 R 7, R 9和 C 9分压、滤波后提供 2. 5 V 的基准电压 ,在满增益的情况下, 能处理0～ 2. 5 V 的模拟输入信号. 由于需要 2个 A D 7705分别对称重压力传感器和位置传感器的输出进行转换, A D 7705与 S 3C 4510B 的连接采用 3线方式^{[ 9]}.C S 为片选信号 , S C L K用于输入串行时钟脉冲 ,D O U T 和 D I N 与 S ³C ⁴⁵¹⁰B 的串行口相连, 用于数据的输出和输入. S 3C 4510B 采用查询或者中断方式从 D R D Y 可以取得 A D 转换的状态信号.

传感器输出电 压 V_{o u t} 匹配电容 C ₅, 输入A D 7705的通道 I N ₁, 提高了 A D 7705抑制共模噪声的能力. L M ₃₁₇L 和热敏电阻 R ₆组成的恒流源电路为传感器提供 1. 67 m A 激励电流 I_O ,其计算公式为

另外 , 恒流源电流 I_O 经过精密电阻 R ₅转化成电压 ,电压信号经过精密电阻 R ₈和 C ₆采样 、 滤波后反馈输入 A D ₇₇₀₅的通道 I N ₂. 这样 ,通道 I N ₁和通道 I N ₂构成了一个闭环控制系统, 当系统温度 T 升高时, 热敏电阻 R ₆升高, I_O 降低 ,一方面传感器输出电压 V_{o u t} 和通道 I N ₁采样电压 V _{i n 1} 会相应降低, 部分抵消温度 T 升高对 V_{i n 1} 的影响. 另一方面通道 I N ₂对恒流源 I_O 的采样电压 V _{i n 2} 也会发生变化, 微处理器 S ₃C ₄₅₁₀B 可以根据 V_{i n 2} 的变化率按照式 ( 4) 对 V _{i n 1} 进行补偿 . 反之亦然.
 

式中: ΔV_{i n 1} 和 ΔV _{i n 2} 分别表示 V _{i n 1} 和 V _{i n 2} 的绝对变化量 .

为了提高 A /D转换质量, 实现高精度数据采集, 当环境温度及工作电压 、增益或双极 / 单极输入范围变化时 ,必须对 A D 7705进行校准 , 以消除器件的内部误差、偏移、增益以及传感器漂 移误差^{[ 10]}.

3　 系统软件设计

该装置的主要任务是微处理器 S ₃C ₄₅₁₀B 通过 A D 7705采样 、 变换传感器输出电压信号 , 经数据分析、 处理, 实现相关数据打印、保存等功能.处理器S 3C 主要由初始化程序、L C D 显示 、A D 7705的数据采集和数据处理 、 人机交互程序 、 通信接口 、 通用 I /O接口和打印输出等组成 . 其中, 初始化程序包括S 3C 4510B 最小系统相关初始化和通信接口与 A D接口的初始化 .

处理器 S ₃C ₄₅₁₀B 可以通过 A D 7705串口可以访问的的寄存器有 6个. 与任何寄存器通信总是从写通信寄存器开始. 上电复位后, 各个寄存器的配置方式和A D 7705数据采集流程可以参考其数据手册中的设置、 操作流程和读写时序图^{[ 9]}. 应注意的是,当数据寄存器有更新 ,可以有 2种方式读取: 一是通过查询 D R D Y 引脚的状态, 二是查询通信寄存器中D R D Y 位的状态 . 其他程序的流程可以参考相关文献^{[ 7-9]}.

为了得到正确 、 稳定的压力信号 , 一方面利用位置传感器设定了一个相对稳定的采样区域. 另一方面在这个相对稳定的采样区域, 采用分段采样和比较法与二次中值法相结合的数据处理方案 . 采样与数据处理过程为 : 设采样区域为 0 ～ t 时刻 ,平均分成 n 个区间 , 区间间隔为 Δt , 则第 i 个区间为 [ ( n - 1) · Δt , n · Δt ] .首先对每个区间 i 进行 m ( m= 3k ) 次采样 ,每采样 3次 ,按照 “3中取 2法”保留两次相同或最相近的数据. 不失一般性 ,假设每次比较都是保留前两位数据,得到如下数据:

i₁ , i ₂ , …, i _j , i _j , …, i _{k + 1} , i _{k + 2}

 　然后对以上 2k +2个数据 , 进行第一次中值运算, 得到 i 个区间的采样值 V_i .重复以上 2个步骤,可得到 n 个区间采样值:V₁ , …, V _i , …, V _n

最后对这 n 个数据, 进行二次中值运算 ,得到传感器的输出电压 V_out . 参数 m 和 n 的选取与位置传感器的位置和 A D 7705的采样频率有关 ,可以通过试验来调整 .

4　 抗干扰措施

由于装载机称重作业环境变化大, 智能称重装置的环境温度变化大、湿度大 , 有粉尘、振动和噪声污染 , 而且周围还有电气干扰 , 更何况 S 3C 4510B属于高速处理器,为了提高系统可靠性 ,装备除了在系统设计中尽量选用温漂小 、稳定性好、低功耗元器件外 ,还采取了以下的抗干扰措施 .

1) 硬件抗干扰措施. 系统采用浮地 - 屏蔽 -机壳接地方案 . 其中信号地采用多点接地方式 , 并处于悬浮状态 ,与其他接地互不相连 ,这样可以提供稳定的参考基准电位 ,同时又能抗干扰. 信号传输通道由屏蔽层隔开, 装置外壳与安全接地采用一点接地方式相连 ( 即与大地相连 ) , 屏蔽层的接地也采用一点接地方式与安全地相连. 系统电路设计中, S ₃C ₄₅₁₀B 处理器的 A D C 接口、通信接口和通用 I /O 接口, 都采用光电耦合器 T L ₁₁₃实现输入与输出的隔离.

2)P C B 抗干扰措施. 模拟点和数字电路按区域分开,避免相互交叉, 应在一个地方将模拟和数字接地平面连接在一起 ,以避免出现接地环路 . 时钟信号不能在模拟输入信号附近通过.数据线、地址线和控制线的布线要尽量一致 ,以减少对地电容. 尤其是地址线, 各条线的长短和布线方式尽量一致 , 以免造成各线的阻抗差异过大,形成控制信息的非同步干扰. 数字线应避免走在元器件下面 . 电源线应足够的粗 , 以降低线路阻抗 .

3) 软件抗干扰措施 . 采用 Wa t c h d o g 技术 , 解决系统受到干扰,可能引起的程序混乱执行问题.

5　 结束语

本文中设计的智能称重装置结构简单、体积小,能准确 、 快速可靠地测量装载机称重载重货物的质量,而且配合适当的传感器 ,称重模块可以移植应用到其他载货装置的称重领域 , 比如吊车、垃圾车和铁路货车 . 在实际应用中, 有多台装载机同时作业 . 称重模块可以 扩展 G P S 和无线 传输接口( G P R S 或者 G S M) , 将装载机的作业状态和载货的各种数据传输到监控中心 , 由远程监控中心实时统计 、 汇总 ,实现对装载机作业情况的实时监督或者调度. 这样大大提升了该装置的应用价值 .

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