摘要
随着传感器技术、电子技术和微机技术的崛起，动态称重技术得到了迅速发展。动态称重系统在数字化，智能化等方面有长足的进步，称重系统的研究与开发也进入了一个崭新的阶段。传输带动态称重系统是对传输带上的散状固体物料或粉料进行连续称量的系统，在电力、化工、煤炭、粮食等行业都有较广泛的应用，市场需求巨大。但是，我国自行研制的相关产品普遍功能单一，精度不高。所以改善现有称重装置、开发研究功能齐全的动态称重系统是势在必行的。
设计了一套基于单片机的传输带动态称重系统，很好的解决了上述问题。首先对硬件电路所需的器件进行介绍。说明系统所应用的微处理器，模数转换器类型，具体提出了系统硬件和软件的设计方法，给出了数据处理算法和其编程的设计。系统使用24位精度模/数转换芯片AD7730转换称重传感器信号，保证了数据转换的高精度。所以该系统能够有效提高动态称重系统的计量精度，并且系统功能较完善，系统扩展了现场总线接口，很好的满足了工业自动化和管理现代化的需求。
关键词：动态称重 传输带 AD7730 现场总线
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Abstract
Abstract
With the development of technology of sensor,electronic and computer,the dynamic weighing technology is developing rapidly.Weighing system made significant progress in the digital and intelligent,the research of Weighing system has entered a new phase.Belted dynamic weight equipment is designed for continuous weighing the bulk solids or powders on conveyor belt.And it is widely used in the fields of electricity,chemical,coal and food.However,our related products generally with single function and low precision.Therefore,the improvement of existing weighing devices,research and development functional dynamic weighing system is imperative.
This paper presents a belted dyamic weighing system based on SCM,which is a good solution to this problem.In this paper,the overall structure of the weighing system is present first,and detailed analysis of the system model and working principle.It analyzes the cause of dynamic measurement errors,and builds a mathmematical model for dynamic measurement errors of single-idler electronic belt conveyor scale.According to the model,the proposed approach use algorithm to correct errors.Solved the problem of low dynamic measurement accuracy.Then the design of system hardware and software is present.And data processing algorithms and their programming design.System uses 24-bit precision A/D converter AD7730 convert the weighing signal to ensure high-precision measurement results. The system presented in this paper is characterized by high precision and good stability.And with the Profibus interface,this system was well positioned to meet the requirements of industrial automation and management modernization.
Key words：Dynamic weighing Transmission belt AD7730 Profibus
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摘要 ................................................................................................................................................................ I Abstract ........................................................................................................................................................ II
1 绪论 ........................................................................................................................................................... 1 1.1背景及意义 ....................................................................................................................................... 1 1.1.1背景 ............................................................................................................................................. 1 1.1.2意义 ............................................................................................................................................. 1 1.2国内外发展现状.............................................................................................................................. 2 1.2.1国内外称重技术发展现状 .................................................................................................... 2 1.2.2国内外称重技术发展趋势 .................................................................................................... 3 1.3主要工作及论文结构 .................................................................................................................... 5 2 系统整体设计 ......................................................................................................................................... 6 2.1系统结构概述 .................................................................................................................................. 6 2.2动态称重计量原理 ......................................................................................................................... 6 2.3小结 .................................................................................................................................................... 8 3 系统硬件电路设计................................................................................................................................ 9 3.1系统硬件概述 .................................................................................................................................. 9 3.2系统微处理器 .................................................................................................................................. 9 3.3系统模数转换器.............................................................................................................................. 9 3.4 数据采集电路通信接口设计 .................................................................................................... 11 3.4.1 RS-232C标准 .......................................................................................................................... 11 3.4.2 MAX232芯片简介............................................................................................................. 11 3.4.3串口通信接口电路设计 ...................................................................................................... 11 3.5 程序下载线连接 .......................................................................................................................... 12 3.6 传感器接口设计 .......................................................................................................................... 14 3.7 Profibus-DP接口扩展 ................................................................................................................. 15 3.8 小结 ................................................................................................................................................. 16 4 单片机系统软件设计 ......................................................................................................................... 17 4.1软件系统概述 ................................................................................................................................ 17 4.2软件编程语言 ................................................................................................................................ 17
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4.3主程序模块设计............................................................................................................................ 18 4.4 AD7730转换模块设计 ................................................................................................................ 18 4.4.1 AD7730转换模块的流程框图........................................................................................... 19 4.4.2 AD7730初始化 .................................................................................................................. 19 4.5串口通信模块设计 ....................................................................................................................... 22 4.6脉冲计数模块设计 ....................................................................................................................... 22 4.6.1测速信号的处理方法 ........................................................................................................... 22 4.6.2 脉冲计数的程序实现 ....................................................................................................... 24 4.7小结 .................................................................................................................................................. 26 结论 ............................................................................................................................................................. 27 致谢 ............................................................................................................................................................. 28 参考文献 .................................................................................................................................................... 29 附录 ............................................................................................................................................................. 30
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1 绪论
1.1背景及意义 1.1.1背景
对物料重量的动态称重在工业生产和流通贸易中占据重要地位，其中动态称重计量工具是不可缺少的计量工具。在各种大宗散装物料的传输带上，都广泛应用动态称重计量工具，起到了提高计量精度、缩短作业时间、提高管理效率、节约资源和改善经营等多方面作用。目前动态称重计量工具已经遍及各个领域，带来了显著的经济效益。随着国民经济迅速发展，贸易商品流通量不断扩大，传统的动态称重计量工具已经不能适应时代的发展，需要新产品在自动化生产和现代化管理两方面不断提高。随着近几十年计算机技术、微电子技术和传感器技术的崛起，动态称重技术在智能化、数字化和计量迅速化方面都有了长足进步。新型的动态称重计量工具不仅仅是提供重量信息的独立仪表，而是现代工业一体化和管理自动化的重要组成部分。所以新型动态称重系统不但要能快速、准确提供计量数据，还需要消除人为和环境造成的误差，提高计量精度，并且应具备计量数据实时监控、数据保存和数据管理等功能。
1.1.2意义
传输带动态称重设备是对传输带传送的散状固体物料或粉料进行连续称量的设备，有着应用行业面广、使用目的广泛等特点，实现了物料储存、运输和称量的一体化。广泛应用于大宗散状固体物料或粉料的运输、加工、储存行业，如港口、仓库、冶金、煤炭、电力、建筑和烟草等行业。从使用目的方面而言，可以精确监管生产环节，提高结算精度，还可用于组成各种自动化配料系统和工业控制系统。随着目前企业工业生产自动化和管理自动化程度的不断提高，迫切需要提高自身的生产效率，这就需要性能更好更完善的传输带动态称重设备。但是，目前国内的相关产品品种少，且功能单一，不能满足企业的迫切需要，所以改进传统设备，研究开发性能好功能完善的传输带动态称重系统是势在必行的。
本设计正是针对这一问题，开发的动态称重系统具有计量精度高，稳定性好，并且系统还实现了上位机实时计量数据可视化和数保存打印功能，其界面直观，便于使用，从而杜绝不真实计量现象，维护了企业和客户的利益，方便了计量工作。另外系统扩展了现场总线接口很好的满足了工业自动化和管理现代化的要求。
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1.2国内外发展现状
1.2.1国内外称重技术发展现状
动态称重技术的发展可分为以下四个阶段：
(1)动态称重技术起源 世界上最早的动态称重装置出现在19世纪末期的西方国家，用于输送机对散状固体物料动态自动称重。1880年第一台动态称重装置获得计量许可。1908年第一个动态称重专利在英国公布。自此，形成了较完整的动态称重技术定义和动态称重装置，拉开了动态称重技术发展的序幕。
(2)纯机械式动态称重装置 第一代成熟的动态称重装置以纯机械式皮带秤为主导，只有带配重物的秤架结构和增量式码盘结构的编码装置，实现了简单的速度和重量数据的采集，但由于受到机械装置制造水平的限制，精度很差，而且计量过程复杂繁琐。1970年英国制定了第一个系统的动态称重检验模式，标志着动态称重行业走上规范化道路。
(3)传感器和仪表结合式动态称重装置 二战后，随着传感器技术和电子技术的飞速发展，出现了传感器和电子仪表结合的第二代动态称重装置。使用光电脉冲式或磁电脉冲式传感器测量速度，电子仪表通过模拟积分放大电路或数字积分放大电路实现配重平衡、启动识别和流量累加功能。第二代动态称重装置在计量精度和计量过程简化上都有了很大程度的提高，但是仍然存在计量精度较低和缺乏误差纠正等缺陷。
(4)传感器和微机结合式动态称重装置 随着近十年来传感器制造工艺和微机智能技术的崛起，为动态称重装置的性能大幅度提高创造了有力条件。第四代动态称重装置不但在计量精度上有了长足进步，而且在机构集成化和功能完善化方面取得了进步，可以根据企业现场环境的需求研制不同类型的传感器微机智能化动态称重系统。
目前正在使用的传输带动态称重装置种类繁多，结构形式不同，分类依据多种多样。从秤架结构类型分有：单托辊秤架、多托辊双杠杆秤架、悬臂式秤架、悬浮式秤架等结构，其中单托辊秤架由于结构简单、安装便捷等特点，市场占有率较高。从使用的称重传感器类型分有：电阻应变片式传感器、磁压式传感器、差动变压式传感器和核子式传感器等，其中电阻应变片式传感器应用最为广泛。
目前使用的动态称重装置较为成熟的有：电子传输带称重装置、核子传输带称重装置和激光-核子传输带称重装置。
(1)电子传输带称重装置 电子传输带称重装置依靠称重传感器测量传输带上的物料重量数据，一般使用接触式测速传感器测量传输带运行速度，这导致计量精度受制于机械结构，计量结果误差来自传输带张力、自重、抖动等多种因素。所以这种动态称重装置计量精度不稳定，维护工作繁琐，需要每隔一段时间对装置各项参数进行调节，
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以达到所需精度。而且这种动态称重装置适用于大量散状物料较长时间累积流量的连续计量，测量瞬时重量的精度不高，难以满足某些对物料瞬时重量要求较高的使用场合。
(2)核子传输带称重装置 核子传输带称重装置是利用伽马射线对传输带上的物料进行计量。当伽马射线强度一定时，射线穿过物料的衰减强度与物料的成分、密度、厚度等参数呈指数关系。计量时将载物时的射线强度的连续测量数据与传输带空载时的测量数据进行比较，再与测量的传输带速度进行计算，可以直接得到物料的瞬时载荷重量、累积物料流量等计量数据。由于核子传输带称重装置的工作原理是基于伽马射线穿透物料时的衰减规律，是非接触式测量，有安装独立简便、后期维护容易、计量精度不受机械装置影响等显著优点。但是，伽马射线的衰减强度与射线方向上的物料厚度有直接关系，这使得核子传输带称重装置的计量结果受物料形状影响很大。实验证明，相同载荷的同种物料不同的摆放形式下，计量的结果相差很大，甚至高达17%，存在物料形状影响导致核子传输带称重装置计量精度较差的问题。
(3)激光—核子传输带称重装置 激光-核子传输带称重装置工作原理是利用伽马射线辐射测量传输带上物料的密度，利用激光图像分析来测量物料的堆积体积，进而计算出传输带上物料的重量。由于这两种测量技术都是非接触式测量，所以激光-核子传输带称重装置具有：装置结构简单、安装便捷、不受机械性能影响、后期维护简便、能准确测量瞬时重量等显著优点。而且激光图像分析技术弥补了核子测量技术的缺陷，测量结果不受传输带上物料摆放形状的影响，使得这种装置计量精度较好。但是，这种装置的成本较高，而且伽马射线的辐射对物料内部结构的稳定性和工作人员的身体健康都是不利的，所以激光-核子传输带称重装置应用并不普遍。
传输带称重技术最早传入我国是在本世纪60年代，经过几十年来不断的发展与完善，品种不断增多，在我国工业生产自动化中发挥了巨大作用。传输带称重方式由静态发展到动态，计量方式由模拟量转变为数字量，测量参数由单个参数转变为多个参数测量。随着传感器工艺的提高和微电子技术的崛起，我国传输带动态称重技术的研究得到了进一步发展。但是，由于核心技术与工艺落后、机械设备与电子仪表老化、新产品研发能力欠缺等因素困扰，我国相关产品的质量和品种都与发达国家相差甚远，而且功能单一，可靠性差。所以目前相关产品的性能和品种，不能满足中国现在和未来的巨大市场需求，这就为传输带动态称重设备的研究开辟的广阔前景。
1.2.2国内外称重技术发展趋势
随着传感器制作工艺和微机技术的不断发展，加之引入模糊控制理论、神经网络、建立数学模型、人工智能、阻尼振动理论等技术，称重计量系统向着功能自适应、智能化信息处理方向发展。国际上已经取得了动态称重技术的突破，称重技术已经跨入了高科技领域。
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目前，称重技术的主要发展趋势为以下几个方面：
(1)小型化 体积小、重量轻、便于安装调试。近几年称重装置的研究特点上，充分体现了秤架结构向小、轻、薄方向发展。为了适应低容量的计量场合，可将传感器制成薄或超薄型称重传感器直接嵌入秤架受力的铝板或钢板底上与传感器外径一致的盲孔内，从而组成低外形的秤架结构，通过秤架的力学要求和额定载荷可以计算出称重传感器的安装位置和使用数量。秤架的铝板或钢板就是称重平台，称重传感器既作为计量装置，又作为秤架支点存在，这种设计极大地精简了装置结构，减少了机械连接环节，不但缩减了制作成本，而且提高了装置的可靠性和稳定性。对于较大容量的平台称重装置和电子地上称重装置，采用长方形或正方形闭合截面的薄壁钢排列成一个竹排式秤体结构，在最外边两根薄壁钢两端的切口内分别安装4个称重传感器，称重传感器的固定支撑结构就是秤架的受力支点，这种设计既能简化称体结构，又能缩减称体高度，是一种很有发展前景的设计方式。
(2)集成化 对于一些特定结构的称重装置，如专用称重装置、小型电子秤、静态电子轨道秤以及便携式静动态轮轴秤等产品，可以实现称重传感器与钢轨，称重传感器与秤架，称重传感器与轨道秤台的集成化。例如称重传感器与秤架集成化的静动态便携式电子轮轴秤，其集成化结构由厚质硬铝合金板制成，主要原理是通过固溶热处理来强化硬铝合金板，在合金板4个角通过铣槽或钻孔的方式安装4个悬梁式称重传感器，或者在合金板的地面通过铣槽或钻孔的方式安装多个剪切梁式称重传感器。从而使秤架与称重传感器高度集成化。
(3)智能化 称重装置的计量显示与控制部分与微型计算机相连，通过微型计算机的智能化处理增加称重装置的显示和控制功能。使得称重装置在保留原有功能基础上增加了自适应、自诊断、自组织、推理和判断等智能功能。这方面提高就是智能化称重装置的显示与控制器与目前普遍使用的微机控制显示与控制器的主要区别所在。
(4)综合化 称重技术未来的发展方向是在加强基础研究的基础上扩大应用范围，扩展应用领域，向相关行业和学科渗透，应用各个学科的技术综合化的解决计量称重、信息处理、自动控制等问题。对于某些应用场合，只具备计量、显示、量化等功能的称重装置远远不能满足用户需求。随着生产自动化和管理一体化的进程的不断推进，称重装置应具备：称重、计价、提供各项相关信息、出入库管理、网络服务等各项功能。需要电子称重设备与计算机和互联网相连，共同组成一个综合化生产控制系统。
(5)组合化 在某些重量计量场合或过程中，为满足实际需求，还需要电子称重装置具备一定的组合能力。如机械部分根据实际场合的调整，与外围设备的组合，系统硬件与外围设备的连接，调节计量范围和精度，通过软件设置调整输入输出方式、通信方式等功能。
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1.3主要工作及论文结构
(1)进行系统整体设计规划 将软、硬件按实现的功能划分成析系统所用各传感器的性能，全面了解被采集信号的各项指标。
(2)设计系统硬件及制作PCB板 实现对系统称重传感器和采集、上位机通信、在线编程等功能，制作原理图及PCB板图。
(3)单片机软件程序设计 硬件设计完成后，根据系统器信号指标，使用Keil C51集成开发工具开发单片机软件程序，传感器信号的A/D转换，对测速传感器信号的脉冲计数和将采样数串口发送至上位机等功能。
本论文结构如下：
1绪论 阐述了背景及意义，介绍内外研究发展现状，最后总结了自己所做的工作，并且给出了论文结构。
2系统整体设计 提出了传输带动态称重系统的总体系统的基本结构和计量原理。详细说明了系统实现的功能。
3硬件电路分析 介绍系统的硬件设计，数据采集电路和通信接口的设计，传感器接口设计，现场总线接口的扩展，重点介绍基于AD7730芯片的称重传感器数据采集电路的设计与实现。
4单片机软件设计 详细介绍了主程序模块、AD7730转换、脉冲计数及串行通信4个主要模块的设计与实现。重点阐述了称重传感器数据转换功能的实现，通过功能寄存器介绍和流程图详细说明了AD7730的各功能模式和初始化设置。
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2 系统整体设计
2.1系统结构概述
传输带动态称重系统由五部分构成：秤架、称重传感器、测速传感器、数据采集电路和工控计算机。采用单托辊秤架、梁式称重传感器和接触式测速传感器的传输带动态称重系统结构示意图如图2-1所示。 测速传感器 称重传感器 数据采集电路 工控计算机 图2-1 传输带动态称重系统结构示意图
物料在传输状态下，称重传感器和测速传感器将传输带上物料的瞬时重量和瞬时速度转换成电信号，数据采集电路采集该电信号并进行适当处理，然后送入工控计算机进行量化和计算，最后显示流量累计结果。扩展功能通常是靠开发软件完成的，如监控功能、报警功能以及数据库相关功能。
2.2动态称重计量原理
通常情况下，计算传输带上物料的流量需要采集物料的瞬时重量数据和传输带的瞬时速度数据。物料的瞬时重量需要连续采样或者周期采样计量区段传输带托辊所受到的压力。传输带的瞬时速度可以通过接触式和非接触式两种方式获得，再经过一定的算法来减小误差。
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物料的瞬时重量和传输带的瞬时速度进行运算，可得传输带上物料的瞬时重量和累计流量。瞬时重量为某一瞬间传输带上的物料重量，累计流量为某一段时间内传输带上所通过的物料总重量。目前主要通过积分法和累加法计算物料的瞬时重量和累计流量。
目前计算物料流量和累计重量主要采用的方法有积分法和累加法。
(1)积分法 积分法计量流量时，首先测量传输带上输送的物料的瞬时重量q(kg/m)和相同时刻传输带的瞬时速度u(m/s)，相乘可以得到传输带上物料的瞬时流量W(t)(kg/m)：
W(t)qu (2-1) 式（2-1）算出的是传输带某一时刻的瞬时流量，但传输带上的物料瞬时重量和传输带的瞬时速度都是随时间不断变化的，所以瞬时流量W(t)对时间的积分可以得出T段时间内传输带的累积物料流量W：
Ww(t)dtq(t)u(t)dt （2-2）
00TT式中q(t)—瞬时荷重值
u(t)—瞬时皮带速度
传输带的速度可由采样间隔距离δL和走过δL段程度所消耗的时间T来计算：
uδL （2-3） T式中T—走过占δL长度所需的时间
δL—采样间隔行程
(2)累加法 用累加法计量传输带上物料流量时，传输带每移动距离S时，就对传输带的瞬时重量采集一次，这是传输带整体的加权重量，会与实际重量有一定的差距。然后通过近几次的瞬时总量采样计算出S段的瞬时重量值qi。把n段测量的瞬时重量累加就读出传输带走过nS段长度的累积流量W：
W(q1q2q3......qn) （2-4）
i1nt时刻传输带上物料的瞬时重量可以由W对时间微分求的：
W(t)dw (2-5) dt累加法计量原理如图2-2所示
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S nS 图2-2 累加法计算物料流量
使用累加法计算物料流量可以很好的减少皮带跳变和传感器转换误差对计量结果的影响，并且经过大量实验证明使用累加法要比采用积分法的准确度高，所以对计量精度要求严格的系统均采用累加法方式计量。本系统设计正是基于累加法计量物料流量和累计重量。
2.3小结
本部分提出了系统的设计方案，阐述了传输带动态称重系统的基本结构和计量原理。详细说明了本系统的组成结构和实现的功能，介绍两种基本计量算法，对优缺点进行了对比，选择累加法作为系统的基本计量算法。
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3 系统硬件电路设计
3.1系统硬件概述
数据采集电路是系统的主要硬件部分，将称重传感器0～20mV的输出信号由数模转换器转换为24位精度的数字信号，即000000H～FFFFFFH中的一个值，然后送入单片机。速度数据采集部分，首先将测速传感器输出的脉冲信号进行光电隔离，然后由单片机对脉冲计数。数据采集工作完成后，由通信接口将24位转换数据和脉冲计数值送入上位机，在上位机中完成数据的量化和最终计算，实时显示计算结果，并且存入数据库。
3.2系统微处理器
由于数据采集系统要求的芯片数据存储空间（RAM）和程序存储空间（ROM）都较小，固微处理器选择AT89S52芯片。
AT89S52是Atmel公司推出的与MCS-51兼容系列单片机。它是一种低功耗、高性能的微处理芯片。8KB片内Flash，可擦/写1000次以上；256字节片内RAM；全静态逻辑，工作频率范围0～24MHz；32个可编程I/O口；三级程序存储器加密；一个全双工串行口；三个16位定时/计数器；支持在线编程ISP（In System Programmable）功能。
3.3系统模数转换器
本系统称重传感器输出的信号为模拟量，需要转换为数字信号进行记录和处理，所以模数转换部件为本系统的重要部分，对整个系统的计量精度都会产生影响。由于悬梁式电阻应变称重传感器输出为频率较低的模拟量，所以需要模数转换部件具有精确的计量精度，但对响应速度没有过高要求。固本系统采用精度为24位的AD7730芯片作为模数转换器件。
AD7730是由美国ADI公司生产的24位无失码、双通道差分模式高分辨率模数转换装置，有效分辨率为21位，线性误差±0.0018%。AD7730是∑-△类型数模转换装置。∑-△类型数模转换装置同时具备反馈比较和双积分式两种数模转换器的优点，以电荷平衡式数模转换器改良而成，∑-△类型数模转换装置去掉了在电荷平衡式模数转换器中使用的复杂的稳定式电路，取而代之为结构简单的D触发器，这种设计使∑-△类型模数转换器件自身的电路组成对元件的精度要求降到了一个很低的层面。∑-△类型数模转换装置还同时具有双积分式模数转换器抑制串模干扰的功能。∑-△类型是一个闭
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环的连续转换系统，所以对自身电路元器件的精度要求低于双积分式模数转换器，漂移与失调不会影响转换的精度。∑-△类型模数转换装置由于使用了数字式反馈比较方式，从而使用量化噪音大大降低、提高了转换精度、增强了系统的抗干扰能力、加快了相应速度、优化了线性度。
∑-△技术将量化噪声移到了系统数模转换频带之外，所以AD7730抗干扰能力强，适用于低频信号的动态模数转换。本系统采用AD7730转换悬梁式称重传感器输出的模拟量，并将转换结构送入单片机进一步处理。AD7730的工作原理如下：
设fs为采样频率，该芯片采集称重传感器的模拟信号时采用k倍过采样频率kfs，内部通过信噪整形电路将fs/2信带宽度内的大量量化信噪移除模数转换器的转换频带，即移至fs/2至kfs/2之间的频带，从而使得系统量化信噪降低到之前的1 k。由于模拟低通滤波器只能滤除大于kfs/2频带宽度的信噪，所以需要利用采样抽取电路和数字滤波器来滤除频带无用信号和量化信噪，提取期望信号，提高转换分辨率和信噪比。使用的采用率应高于两倍输入信号频率，即fs>2fa，并且应符合香农采样定律的原则。用户可以通过软件设置AD7730的工作方式寄存器，设置∑-△模数转换器的数字滤波器、信噪比、采样分辨率、采样频率，从而做出最优选择。
数据采集电路中，AD7730与AT89S52单片机的接口电路原理图如图3-1所示：
图3-1 AD7730与AT89S52的接口原理图
单片机使用查询方式来控制AD7730芯片，单片机的P1.0、P1.1、P1.3、P1.4引脚分别连接AD7730的SCLK、CS、DOUT、DIN引脚。当加在RDY引脚上的电压为低电平时，单片机可读取AD7730数据寄存器中的模数转换数据或校准数据。当加在RDY引脚上的电压为高电平时，AD7730进行数据寄存器数据更新，禁止传输数据。也可采用将RDY引脚连接单片机的INT0或INT1引脚，使用中断方式控制AD7730，还可以通
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过直接访问内部寄存器的RDY位数据，从而节省一个引脚。
3.4 数据采集电路通信接口设计
本系统要求实现采集和计算数据实时显示、数据保存等功能。而AT89S52只有256字节RAM和8K的FLASH，不能满足系统的要求，所以必须借助PC机来实现数据显示和储存等功能。本系统对传输的速度要求不高，而且在实际环境中可能需要传输较远距离，综合功能和成本考虑使用串行通信方式。
串行通信又分为同步通信和异步通信两种方式。同步通信传输速率高，硬件设计复杂，异步通信方式使用普遍，传输速率在50到19200波特之间。在异步通信时，发送和接收方要确定具体的发送波特率和数据格式，数据是以帧为单位传送的，每一帧数据由四部分组成：起始位、数据位、奇偶校验位（可选）和停止位。比较两种串行通信方式，由于本系统对通信速度要求不高，所以选择异步通信方式。
系统采用RS-232C串口标准，实现单片机的全双工串行端口与PC机COM串行接口的链接，并编程实现上下位机的数据通信。
3.4.1 RS-232C标准
RS-232C是在串行异步通信方式中使用最为广泛的总线标准，是由美国电子工业协会（EIA）公布的通信协议标准。RS-232C主要用于数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的二进制串行通信，最高传输速度19.2kbps，最长传输距离可达15米.虽然RS-232C设计了25个引脚，但对于一般的串行双向通信，只用到串行口输入引脚TXD、串行口输出引脚RXD和接地引脚GND。RS-232C规定的逻辑电平电压范围与CMOS和TTL电平不同，规定在+3～+l5V之间为逻辑电平“0”，-3V～-15V之间为逻辑电平“1”。由于计算机接口芯片和接口电路大部分采用CMOS和TTL电平，所以在串行通信之前，必须先转换电平，使之与CMOS和TTL电平相匹配。本系统电平转换工作交由MAX232芯片完成。
3.4.2 MAX232芯片简介
MAX232是美国MAXIM公司专为RS-232C总线标准设计的低功耗、单电源发送接收器。对于各种EIA232E和V.28/V.24标准总线，转变为RS-232C数据电平需要±10V电源，所以MAX232芯片完成RS-232C与CMOS和TTL的电平转换只需要+5V电源即可，从而打破了±12V电源的限制，使用场合更为广泛。
3.4.3串口通信接口电路设计
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本系统的串口通信接口电路原理图如图3-2所示。
图3-2通信接口电路原理图
图中J1为标准RS-232C总线9针插头。图中C6、C7、C8、C9为MAX232芯片内部电源转换所需要的4个电解电容，最好选用钽电容，尽量靠近芯片焊接，取值大小均为1uF/25V。MAX232的R1IN、T1OUT、R2IN、T2OUT引脚需要接RS-232C标准电平，而T1IN、R1OUT、T2IN、R2OUT引脚则需要接TTL/CMOS标准电平。因此单片机的串行口接收引脚RXD应接MAX232的R1OUT、R2OUT引脚，单片机的串行口发送引脚TXD应接MAX232芯片的T1IN、T2IN引脚。与之对应T1OUT、T2OUT和R1IN、R2IN通过9针标准插头分别于PC机的接收端RXD和发送端TXD相连。
3.5 程序下载线连接
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图3-3 AT89S52ISP接口设计
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ATMEL公司的单片机AT89S系列单片机提供了一个串行接口对内部程序存储器编程（ISP），以及后来推出的AT90S系列中多数芯片都支持在线编程功能。ISP是最先由Lattiee公司提出的一种技术，是通过同步串行方式实现对其可编程逻辑器件的重配置，它的实现一般只需要少量的外部电路辅助。
通过ISP技术，电路板上空白器件可以编程写入最终用户代码，即使将芯片焊接在电路板上，只要留出和上位机接口的这个串口，就可以实现芯片内部储存器的改写，而无需再取下芯片。已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程。ISP通过单片机上引出的编程线、串行数据、时钟线对单片机内部的Flash存储器进行编程，编程线与I/O线共用，不额外增加单片机的引脚。
AT89S52的ISP接口设计如图3-3所示。
3.6 传感器接口设计
悬梁式称重传感器有四条接线，红色为激励正（EXC+），接10V电源，黑色为激励负（EXC-）接地，绿色为信号正（SIG+）接入AD7730的ANI（+）引脚，白色为信号负（SIG-）接入ANI（－）引脚，之间串联10K限流电阻。图4-4为悬梁式称重传感器和E6B2-CWZ6C编码器接口设计电路原理图。
图3-4 编码器与称重传感器的接口电路
E6B2-CWZ6C编码器正常工作的激励电压为5～24V DC，激励电压的选择直接关系到数据脉冲的电压值。所以本系统选用5V DC作为激励电源，输出的脉冲信号可以直接送单片机计数。E6B2-CWZ6C编码器有6条接线，褐色为VCC，黑色为A相输出，白色为B相输出，橙色为Z相输出，蓝色为0V，最后一条为屏蔽线GND。A、B两相
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信号的脉冲表示码盘轴所转的角度， Z相为零脉冲信号，码盘每转一周变化一次。本系统中，因为传输皮带正常工作时方向不会改变，所以不存在鉴相问题。使用单片机的外部中断INT0，以边沿触发方式对A相输出的脉冲计数。
3.7 Profibus-DP接口扩展
PROFIBUS是由西门子等公司组织开发的一种面向工厂自动化、过程自动化的国际性现场总线标准。PROFIBUS的开发始于1987年，1989年立项为德国标准DIN19245（Deutsche lndustrie Normen），1996年3月被批准为欧洲标准EN50170（European Standard），并于2000年成为IEC61158（International Electro technical Commission）。我国于2001年正式批准PROFIBUS现场总线成为我国机械行业工业控制系统用现场总线的国家标准。
PROFIBUS的用户组织PI（PROFIBUS INTERNATIONAL）成立于1995年，在30多个国家和地区都有地区性的PROFIBUS用户组织，会员众多。我国的相应组织PROFIBUS专业委员会CPO（Chinese Profibus User Organization）成立于1997年，下设的“PROFIBUS产品演示及认证实验室”和“PROFIBUS技术中心”负责产品认证和技术支持。总之，PROFIBUS是一种具有广泛应用范围的、开放的数字通信系统，适合于快速、时间要求严格和可靠性要求高的各种通信任务。目前已广泛应用于制造业自动化、过程工业自动化、楼宇和交通电力等领域。PROFIBUS由三种兼容的通信协议类型组成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification，现场总线报文规范）。
RS-485传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术其应用既适用于需高速传输的系统，也适合于简单、廉价、需快速铺设的场合。RS-485采用平衡差分传输方式，在一个两芯卷绕且有屏蔽层的双绞电缆上传输大小相同而方向相反的电流，以削弱工业现场噪声，且避免多个节点间接地电平差异的影响。其传输数据的速率为9.6Kbps～12Mbps，且一个系统中总线上的传输速率对连接在总线上的各个设备是统一设定的。各个设备均连在具有线型拓扑结构的总线上。每一个线段可以连入的最大设备数目为32，每个线段的最大长度为1200米。当设备数目多于32时，或扩大网络范围时，可以使用中继器连接各个不同的网段。
本系统采用创捷PQ20系列外置式Profibus-DP从站桥接模块实现现场总线接口扩展，该模块提供用户利用RS232/RS485串行通讯端口和Profibus总线系统通讯功能的现场总线网关设备。它可以采用标准的DIN轨道安装方式，采用直流24V电源供电，符合工业应用的标准要求。它完全兼容Profibus-DP总线协议，可以自由设定3～126的Profibus-DP从站地址。是为满足国内传统工控产品制造商在PROFIBUS现场总线领域
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的推广需求而专门设计开发的。广泛应用于仪器仪表、人机界面、智能高低压电器、变送器、智能现场测量设备、变频器、电机启动保护器等设备。该系列的产品具有独特的设备数据综合描述软件，使用户利用PC就能轻松设置从站地址、识别码、输入输出长度等信息，还可读取相关信息，并能自动生成GSD文件，使设备在现场总线控制系统中更加智能化，增强现场级信息集成能力，更突出本产品的可维护性、高集成性、互操作性和开放性。
3.8 小结
本章对传输带动态称重系统的硬件设计做了详细的介绍，主要包括单片机和数模转换器的选择，数据采集电路和通信接口的设计，程序下载线连接，传感器接口设计和现场总线接口的扩展。着重阐述了基于AD7730芯片的称重传感器数据采集电路的设计与实现，这是硬件设计的核心功能部分。单片机的程序设计将在下一章中详细阐述。
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4 单片机系统软件设计
4.1软件系统概述
根据系统主要功能，将系统软件分为4个主要功能模块：主程序模块、AD7730转换模块、脉冲计数模块及串行通信模块。
该软件完成的任务是：通过AD7730转换模块采集称重传感器电桥输出的电压信号，并将转换得到的24位数据信号，同时由脉冲计数模块完成对测速传感器的输出脉冲进行计数，单片机通过串行通信模块将24位A/D转换数据和脉冲计数值发送到上位机进行最终处理。
4.2软件编程语言
常见的MCS-51系列单片机编程语言有4种，即汇编语言、C51语言、BASIC语言和PL/M语言。目前使用最多的单片机开发语言是汇编语言和C51语言，这两种语言都有良好的编译器支持，使用广泛。
一般来说汇编语言用于对效率要求较高的小型程序，C51语言用于编写较为复杂的程序。本系统由于涉及的功能模块较多，所以单片机软件主要采用C51语言编写。对于C51语言的开发，目前有很多成熟的开发环境，本系统采用Keil C51集成开发环境。
Keil C51是美国Keil Software公司推出的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。C语言在功能上、可读性、可维护性、结构性上都明显优于汇编语言，因而易学易用。Keil C51目前已经达到uVision3版本，版本号为v7.50a。
Keil C51软件提供功能强大的集成开发调试工具和丰富的库函数，全部是Windows风格界面。值得一提的是，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
Keil C51能够对51系列单片机以及51系列兼容的绝大部分类型的单片机进行设计。除了支持C51语言外，它也可以直接进行汇编语言的设计与编译。Keil C51是一个非常
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优秀的集成开发环境，受到广大单片机设计者的青睐。
4.3主程序模块设计
主程序模块是程序入口，并且初始化和调用各功能模块。 主程序模块流程框图如图4-1所示。
开始 初始化可编程芯片 开机自检 数据采集 数据处理 串口通信 Y 循环采样？ N 返回 图4-1 主程序模块流程框图
4.4 AD7730转换模块设计
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4.4.1 AD7730转换模块的流程框图
AD7730转换模块的主要功能是根据系统需要初始化AD7730芯片和读取并简单处理转换后的数据。
AD7730转换模块的流程框图如图4-2所示。
开始 初始化AD7730 读取转换数据 N 采样了n次？ Y 均方根求值 输出 返回
图4-2 AD7730转换模块的流程框图如所示
4.4.2 AD7730初始化
对AD7730芯片进行初始化，即对6个主要功能寄存器进行初始化。下面对这6个寄存器的功能和特点作简要说明。
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(1)通信寄存器Communications Register，8位读/写寄存器。所有寄存器通过通信寄存器来初始化，控制接下来的读写方式和操作寄存器。默认方式下为写此寄存器。
(2)状态寄存器Status Register，8位只读寄存器。提供状态信息，如转换状态、校正误差、步进输出设置和有效参考电压等信息。
(3)数据寄存器Data Register，8位或16位只读寄存器。提供最新的转换数据，长度位16位或24位。当寄存器中更新数据时，RDY引脚和Status Register中的RDY位为低电平。当Data Register中的数据被读完之后，又回复高电平。如果下个数据更新之前，旧数据还没有被读取，RDY要保持100×TCLINK周期高电平，表示更新之前要取走数据，一旦数据被更新，RDY又将变为低电平。
写模式寄存器满刻度校准 开始 N RDY0? 设置寄存器为滤波寄存器 Y 设置寄存器为模式寄存器 写滤波寄存器 写模式寄存器零点校准 设置寄存器为DAC寄存器 写DAC寄存器 N RDY0? 设置寄存器为模式寄存器 Y 进入连续转换模式 返回 精品
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图4-3 初始化AD7730各寄存器的流程框图
(4)模式寄存器Mode Register，16位读/写寄存器。该寄存器如要用于设置主要工作参数，如控制操作模式、单/双极性信号设置、数据寄存器位数设置、参考位设置、输入量程范围设置、输入通道设置等参数。
(5)滤波寄存器Filter Register，24位读/写寄存器。该寄存器如要用于设置快速转换模式、跳变模式、控制AC激励和斩波工作模式等。
(6)DAC寄存器DAC Register，8位读/写寄存器。用于提供DAC的补偿数值。初始化AD7730各寄存器的流程框图如图4-3所示。
AD7730初始化和读写的详细代码如下： void Ad7730_Ini(void) { int tim; SCLOCK=1; AD7730_DIN=1; AD7730_DOUT=1; AD7730_CS=1; DRDY=1; tim=200; while(tim--);
writetoreg(0x03);//写滤波寄存器 writetoreg(0x80);//50Hz输出 writetoreg(0x00);
writetoreg(0x10);//斩波工作模式 writetoreg(0x04);//写DAC寄存器 writetoreg(0x20);//DAC为0，5V参考电压 writetoreg(0x02);//写模式寄存器
writetoreg(0xb1);//内部满刻度校准，24bit数据，单极性 writetoreg(0x90);//0～+20mv，参考电压5V while(DRDY);
writetoreg(0x02);//写模式寄存器
writetoreg(0x91);//零满刻度校准，24bit数据，单极性 writetoreg(0x90);//0～+20mv，参考电压5V while(DRDY);
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writetoreg(0x02);//写模式寄存器 writetoreg(0x31);//连续转换模式
writetoreg(0x90);//0～+20mv，参考电压5V while(DRDY); }
4.5串口通信模块设计
本系统单片机与上位机的串口通信设置波特率为9600、8位数据位、不使用奇偶校验位、1位截止位。图4-4为本系统串口通信模块的功能流程图。串口通信模块包含初始化串行口、设置数据格式与传输速率、向上位机传送采集数据几个主要功能。
串口通信流程图如图4-4所示
开始 串行口初始化 设置波特率及数据格式 发送数据 发送成功？ Y 返回 N 图4-4 串口通信模块的流程图
4.6脉冲计数模块设计 4.6.1测速信号的处理方法
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测速传感器对检测到的信号处理方法有三种。测频法，测宽法和两种结合的方法。 (1)测频法 测速传感器的摩擦轮通过与接触的传输带摩擦转动，同时带动传感器中的光栅圆盘转动，转动的光栅间隔阻挡光敏器件接收光源，将传输带速度信转换为输出脉冲信号。传输带的运行速度越快，光栅圆盘转动速度也越快，传感器的输出脉冲宽度越窄。测频法是测量一段固定的时间间隔内的编码器脉冲个数来确定转速，比较适合于告诉场合。测频法的测量精度受制于机械加工的限制，在有限的大小的圆盘上很难加工出很多栅孔。所以接触式测速传感器要想提高精度是十分困难的，通常分辨率小于0.02%。使用测频法计算转速的方法为：
N式中P―编码器每转脉冲个数
T―是固定的时间间隔 S―是每转对应的传输带位移 M1―是T时间内的脉冲个数
SM1 (4-1) PT (2)测宽法 使用微机处理测速信号后，一种新的测速方法被广为采用，即测宽法。在使用相同的测速传感器的情况下，加上相应的软硬件就可以大大提高测量的分辨率。测宽发是通过测量两个邻近脉冲之间的间隔来确定转速，比较适合低速场合。使用测宽法计量测速数据分辨率可以达到0.005%-0.001%。测宽法测量速度的方法为：
NSf (4-2) PM2式中f―时钟频率
M2―两个相邻编码器脉冲间隔的时钟脉冲个数
(3)结合法 结合法又称同步计时计数法，是上述两种方法的结合，通过测量一定个数的编码器脉冲和产生这些脉冲所需的时间来确定转速，适合于中高速测量场合。结合法没有固定定时时间，采用使起始时间与被测脉冲信号同步的方式，保证计数与定时同时发生，从而确保对被测信号计量的精确性。通常情况下，仅存在±1个时钟脉冲误差。当时钟脉冲频率远大于被测信号频率时，只需要选择适当的计数值赋给时钟脉冲计数器，如赋值10000，便可以稳定测量误差在1/10000，并且在被测信号频率范围内的计
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量误差都会控制在1/10000以内，这是结合法不同于其它测量方法的特点，也是保证测量精度的关键点，所以使用结合法能够达到较好的计量精度。
使用结合法计算速度的方法为：
NSfM1 (4-3) PM24.6.2 脉冲计数的程序实现
AT89S52扩展的T2计数器满足了系统计数器的需求。软同步测量法的流程图如图4-5所示。
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开始 初始化：定时器初值，开定时器和计数器中断 脉冲进入INT0，当捕捉到下降沿时T0、T2同时启动 N T0定时溢出？ Y 进入T0中断处理程序，停止T2，得到T2的计数值n2， T2赋值n2，T0清零.T0中断返回 INT0捕捉到下降沿，同时启动T0和T2 N T2计数溢出？ Y 进入T2中断处理程序，得到T0计时值n0。T2中断返回。 根据n0计算脉冲周期 存储脉冲数据 返回 图4-5软同布测量法的流程图
本系统通过同步计时和计数的方式来实现结合法对速度的计算。系统信号周期可由计时值与设定的信号脉冲个数计算得到，通过换算得到频率值。固必须保证计时和计数在测量时同时开始，如果不同步必然会造成测量误差。考虑节省系统资源、缩减硬件开
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销等因素，系统不使用硬件同步的方式，采用软件同步的测量方法。
4.7小结
本章介绍了系统单片机软件设计，采用模块化结构，包括主程序模块、AD7730转换模块、脉冲计数模块及串行通信模块4个主要模块。重点阐述了称重传感器数据转换功能的实现，通过功能寄存器介绍和流程图详细说明了AD7730的各功能模式和初始化设置。程序还实现了脉冲计数功能。
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结论
结论
传输带动态称重系统在我国有广阔的发展前景，港口、冶金、建材、铁道、饲料、煤炭、烟草、化工等部门都需要在未来发展中装备大量的传输带动态称重系统。但是，目前国内的相关产数量少，精度低，功能单一且缺乏对现场总线的支持，不能满足工业一体化的需求，给厂矿企业的称重管理带来了极大的不便，同时也带来了很大的经济损失。
本文提出的传输带动态称重系统正是从这一实际情况出发，选择单托辊秤架，增量式光电编码器和悬梁式称重传感器作为研究对象，在保证计量精度的同时，考虑了设备成本、安装难度和市场占有率等因素，保障了设计的实用价值。系统的硬件设计不但实现了基本数据采集功能，而且实现了与上位机的通信，可以将计量数据实时发送上位机进行显示和处理，另外扩展了Profibus-DP接口，很好的满足了应用现场总线技术的大型厂矿企业的需要。系统的上位机软件功能全面，用户可以直观的获取计量信息，也可对当前计量状态做全面评估，杜绝了计量中的不真实现象。同时，实现了计量数据的保存，基于数据库的各种管理和报表打印，给称重工作带来了极大的便利。从整体看，本系统稳定性好、计量精度高、功能全面，很好的适应了传输带动态称重系统发展的趋势。但由于时间及能力的现实，本系统虽然较传统系统有了很大的改进和完善，但仅实现了准确的计量，没有考虑到对传输带的控制，不能实现流量的自动调整。同时，在数据管理方面没有考察数据的冗余和分析处理。因此，本系统有待于进一步完善和改进。
传输带动态称重系统目前是各国研究的一个热点问题，但无论是在理论上还是实际应用上，目前的传输带动态称重设备都存在着很多缺陷，而且对提高传输带动态称重设备计量精度的研究拉动了数据采集技术、测量方法和传感器制作工艺技术等多个领域的共同提高和改进。随着微型计算机、微电子技术的不断发展和大量复合型人才的介入，传输带动态称重系统的研究会取得更大的突破。
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致谢
致谢
至此，我的“传输带动态称重系统设计”已经全部完成，也表示我大学阶段的学习即将结束。在毕业设计的制作过程中，遇到的问题和困难很多，但在老师的指导和同学的帮助下，我成功地完成了系统的设计工作。在此，我向他们致以诚挚的感谢!
本设计和论文的全部工作是在赵奇老师的细心指导下完成的。设计过程中。赵奇老师对我们严格要求，让我们无论在硬件还是软件上均有所锻炼。老师以渊博的知识、高度的责任心、严谨的治学态度都为我树立了良好的榜样。除此之外，赵奇老师极为耐心，不仅指导我们解决各种设计难题，还热情指导我们的就业等，这些不仅使我在设计过程中受益匪浅，而且对我以后将要走上工作岗位，步入社会也有很大的帮助。
最后，再次向大学期间一直给予我支持、鼓励、帮助的同学和所有的老师致以衷心的感谢！感谢你们让我顺利度过了美好的大学生活。
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参考文献
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123456DD1VCCVCCU232914DVDDAVDDREF IN(+)STANDBYSYNCPOLSCLKCSRDYDOUTDINRESETMCLK INMCLK OUTVBIAS2372C131854D2D3U11192021226P712C330uFEncoder1XTAL14.9152MHZ1P30.1uP612ANI(+)ANI(-)ANI(+)/D1ANI(-)/D0ACXACXREF IN(-)AGNDDGNDAD7730Sensor1P11234SensorC1582412131617R310KR210K1011D412345678P1.0(T2)P1.1(T2EX)P1.2P1.3P1.4P1.5(MOSI)P1.6(MISO）P1.7(SCK)(AD0)P0.0(AD1)P0.1(AD2)P0.2(AD3)P0.3(AD4)P0.4(AD5)P0.5(AD6)P0.6(AD7)P0.73938373635343332D5D6MOSIMISOSCKD7D81312151431C430uF1918P3.3(INT1)P3.2(INT0)P3.5(T1)P3.4(T0)EA/VPPXTAL1XTAL2(A8)P2.0(A9)P2.1(A10)P2.2(A11)P2.3(A12)P2.4(A13)P2.5(A14)P2.6(A15)P2.72122232425262728VCCGND(RXD)P3.0(TXD)P3.1ALE/PROGPSEN402010113029+C71uF1345VCCC140.1u+C81uF1110123456789RCS8VCCC15VCCU4C1+C1-C2+C2-T1INT2INP2VCC+C51uF0.1u附录 原理图
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R1OUTR2OUTGNDR1INR2IN138VEE6MAX232DB9RST3GNDPFOADM708AN5C1XTAL230uF11.0932MHZ1C61uFC230uFP5VCCP4VHLSD-D+GNDSCKMISOMOSI13579SCKGNDMISOVCCRSTNCNCNCMOSINCISPGND246810DSH DIP1234+C9470u+GNDBDZ15.6V+C10470uR11KBC110.1uFD?LEDR00AGNDAATitleSizeNumberRevisionBDate:File:12347-Jun-2011 H:\\070410206马翠明\\MyDesign.ddbSheet of Drawn By:56精品
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