本文討論一種基于ARM結構的智能電子灌裝秤設計方案，重點(diǎn)分析了硬件系統結構和軟件 功能模塊。試驗證明這款電子秤具有灌裝精度高、功能齊全、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn),可廣泛用于石油液化氣等的自 動(dòng)稱(chēng)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(chǎng)家委托的研發(fā)項目，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)識別鋼瓶 規格型號，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 有聲光報警、密碼保護、防爆、防作弊等功能。

一、電子稱(chēng)重關(guān)鍵技術(shù)

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

稱(chēng)重傳感器是電子稱(chēng)重系統的核心，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)式和電阻應變式等。本文選用的是性?xún)r(jià) 比較高的電子應變式稱(chēng)重傳感器，它是利用金屬的 電阻應變效應將被測量轉換為電量輸出的一種傳感器。

本文選用NXP公司的LPC2109作為系統核 心，它是一款基于ARM7TOMI-S的處理器，ARM是 Advanced RISC Machines的縮寫(xiě)。ARM處理器是由 英國ARM公司設計，再授權由合作公司生產(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、手持計算等嵌入式設備事實(shí)上 的工業(yè)標準。

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(wèn)題。機電 一體化系統的設計中,既要避免被外界干擾,也要考 慮系統自身的內部相互干擾，同時(shí)還要防止對環(huán)境 的干擾污染。國家標準中規定了電子產(chǎn)品的電磁輻 射參數指標。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(mén)狗”等。

二、硬件系統設計方案

本文設計的電子灌裝秤的系統總體結構如圖2 所示,主要由LPC2109、稱(chēng)重電路、灌裝控制電路、顯 示電路、鍵盤(pán)接口電路和存儲電路等組成。

在硬件系統設計方案中，統籌考慮功能、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,內置 8KSRAM和64KB高速Flash存儲器，并配有I2C、 UART等接口，內置看門(mén)狗、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等。

稱(chēng)重電路由傳感器和AD轉換電路構成。傳感 器采用的是中航電測的改進(jìn)型鋁合金單點(diǎn)式稱(chēng)重傳 感器L6G-C3-200kg,性?xún)r(jià)比高，精度完全滿(mǎn)足系統 要求。AD轉換器件選用的是ADS1230,它是一個(gè)20位的AD轉換器，內含一個(gè) 低噪聲可編程增益放大器，可以有效解決傳感器輸 出信號極小不易測量的問(wèn)題,做到精確測量。

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

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

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

存儲電路選用一片AT24C512B,用于存儲系統 參數、灌裝記錄等。

通訊電路是使用LPC2109內置的UART接口 與上位PC機實(shí)現串行通訊。

三、軟件系統設計方案

智能電子灌裝秤的軟件系統是在充分調研用戶(hù) 需求的基礎上,結合硬件設計,采用分層和模塊化思 想設計并開(kāi)發(fā)的。主要的軟件模塊包括系統初始化、 稱(chēng)重灌裝、系統參數設置、灌裝記錄査看、鍵盤(pán)驅動(dòng)、 顯示驅動(dòng)、AD轉換驅動(dòng)、通訊驅動(dòng)等。

系統加電后，將進(jìn)行初始化，主要完成 AT24C512B、ADS1230、顯示中斷等的初始化，完成 系統級變量、系統參數表和鋼瓶數據等的初始化,初 始化完成后顯示登錄界面。系統初始化算法如圖3 所示。

根據用戶(hù)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(hù)只有在提供正確的口令后方能使用。登錄成功后,進(jìn)入系統主工作界面,也 就是稱(chēng)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(chēng)重灌裝的一般操作過(guò)程是，將鋼瓶放 在稱(chēng)臺上,接通液化氣噴槍,用戶(hù)選擇灌裝方式并設 置灌裝量，然后按下啟動(dòng)鍵，電子秤登記皮重、打開(kāi) 電磁閥控制灌裝。稱(chēng)重灌裝的算法邏輯如圖4所示。

電子秤的稱(chēng)重部分，是由傳感器、ADS1230和 LPC2109等共同構成。所以AD轉換驅動(dòng)就是對 ADS1230的接口編程,將其20位的串行數據變換為 系統內碼值。使用ADS1230的一般過(guò)程是,先進(jìn)行初 始化和校準,再讀取數據。由于傳感器輸出的信號極 小,極易受到干擾,為此必須對ADS1230輸出的數據 進(jìn)行數字濾波才可以使用。算法邏輯如圖5所示。為 有效防止干擾,實(shí)際應用中數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，對電子秤進(jìn)行靜態(tài)稱(chēng)重 實(shí)驗和灌裝稱(chēng)重實(shí)驗。靜態(tài)稱(chēng)重實(shí)驗是用標準砝碼 對電子秤進(jìn)行稱(chēng)重實(shí)驗，并與某傳統灌裝秤進(jìn)行對 比,測試數據如表1所示。

灌裝稱(chēng)重實(shí)驗就是進(jìn)行實(shí)際液化氣灌裝實(shí)驗, 測試數據如表2所示。

從測試結果看，實(shí)際灌裝誤差最大不超過(guò)50g, 遠低于《液化石油氣充裝站安全技術(shù)條件（GB + 17267-1998》等國家標準中的要求，滿(mǎn)足用戶(hù)需 要。

五、結論

基于本文設計方案實(shí)現的智能電子灌裝秤,進(jìn) 行了軟硬件系統調試和稱(chēng)重、灌裝測試,實(shí)測數據分 析表明本文設計實(shí)現的電子灌裝秤工作穩定可靠， 各項功能、性能和精度均達到用戶(hù)要求。