称重选别机动态称重测控系统硬件设计
介绍了称重式果蔬称重选别机的流水线结构, 并简要描述了称重选别机所采用的悬臂梁式称重传感器的原理和该称重选别机所选择的称重传感器的主要指标。较为详细地阐述了作者设计的一款称重式果蔬称重选别机控制器的工作原理, 并就该水果机的实现方案进行了一些细节的讨论并指出了数据处理过程中软硬件资源使用的难点。
1 果蔬称重选别机械发展现状
我国是一个果蔬生产大国, 但是, 我国果蔬市场长期以来一直属于粗放型经济。果蔬产品的国际市场价格偏低。其重要原因是我国果蔬采后处理落后, 外观质量偏低。因此, 果蔬的分级已经和我国果蔬的市场竞争力紧密相联。本文介绍一种按重量分级的果蔬分选设备核心部分--控制器的设计, 这种设备利用称重式传感器对果蔬进行动态测量, 从而将果蔬按照重量大小进行自动分类。
2 果蔬称重选别机流水线
首先对称重式果蔬称重选别机的基本结构和称重机理作一个简单介绍。果蔬称重选别机由上果段、分选传感器段和分果出口段组成。
2. 1 上果段
上果段负责将已经清洗上蜡后的果蔬平稳地置入果杯, 由一根铰链带动向前运行至传感段, 这一段要求尽量使果蔬在进入传感分选段之前果蔬保持运行的平稳, 以减弱上果瞬间的机械振动。
2. 2 传感器段
分选传感器段由两根并行的整体铸铝导轨构成。果杯底部的四只对称压脚分别压在两根导轨表面由铰链拉动向前滑动。导轨有一个长方形凹槽, 槽内分别固定悬臂梁式压力传感器, 传感器上水平安置一块长方形钢板, 长度与果杯所占长度相当, 钢板表面处理的较光滑, 钢板与铸铝表面处同一平面, 与铸铝保持一定缝隙, 以避免钢板在称重的时候由于与周围的铸铝接触产生数据误差。钢板与铸铝的缝隙不能过大, 以避免果杯划过该段时产生震动, 这个震动在传感器的输出信号上反映为幅度很大的振荡电压信号, 它对果蔬的称重测量影响很大。铸铝导轨面被加工成光洁度非常高的两边低中间高的拱形结构。当果杯被拖送到传感段的时候, 随着果杯向前移动, 铸铝斜坡越来越高, 果杯的称重压脚被光滑的铸铝表面钢板托起, 果杯及果蔬的重力因此逐渐与铰链脱离。当果杯滑动到重力传感器部分时, 果杯高度达到较高点, 短时间内果杯重力完全脱离铰链, 果杯的四只称重压脚全部压在两边的两只重力传感器的钢板上。传感器利用果杯重力脱离铰链快速通过传感器的短暂时间迅速采集数据, 经CPU 的计算, 得到果杯与果杯上所置果蔬的重量之和。
2. 3 分果出口段
流水线传感段之后紧接着是分果出口段, 它是在传送带侧面安排了若干个出果口和接果槽, 每个口设计一个控制出果的电磁阀。当已经在传感器段被测出重量的果蔬通过相应的出果口时, CPU 会及时发出控制命令, 令该出果口的电磁阀动作, 果蔬因此滚入接果槽。出果口越多, 则果蔬品级的分选可以越细。
3 控制器原理
3. 1 称重传感器的选择
称重选别机测量果蔬重量的效果决定于称重传感器的选择与安装。本设计选择悬臂梁式称重传感器, 它是利__用电阻应变原理设计的传感器。当重力以垂直方向作用于铝质悬臂梁的末端时, 梁的上表面产生拉应变, 下表面产生压应变, 上下表面的应变大小相等符号相反。
粘贴在上下表面的应变片也随之拉伸和缩短。得到正负相间的电阻值的变化, 将电阻值转化为电压信号的电路为惠斯登电桥( 图1) 。由于四只电阻的温度环境相同, 在环境温度发生漂移时, 漂移值相互抵消, 可以抑制温度变化的影响[ 2] 。
桥臂电阻由R 1 至R 4 四个应变电阻组成, US L为激励电压。当四个电阻平衡时, USC 输出为零, 当悬臂梁受力变形造成应变电阻失去平衡时, USC输出线性反映电阻变形的情况。测量这一电压的变化, 就得到被测物体的重量[ 3] 。
我们选择的传感器灵敏度( D) 为2±10%mV / V;建议激励电压: 5V ～15 V( DC/ A C)
选激励电压为10V , 则由激励电压和灵敏度的关系可计算出该传感器较大输出电压信号应为:V OUT = VI N ×D= 10V×2mV/ V = 20mV
这一信号幅度比较弱, 不能直接用来进行A/ D 转换, 因此在进入A / D 转换之前加信号放大器。该额定容量范围比较宽泛, 可以满足称重选别机分选不同种类果蔬的需求, 通常分选柚子、西瓜一类大体积果蔬的称重选别机可采用上限, 而一般分选橙子、苹果之类的中等尺寸的果蔬称重选别机则选用5kg 容量即可。由于果蔬动态传感出来的信号是一个幅度较大的振荡波,因此, 此项指标的上限应该选择比所称果蔬上限至少大一倍, 以防止测量出的波形发生截止失真。
称重选别机动态称重测控系统硬件设计1
3. 2 控制器原理框图
控制器包括控制板和电磁阀驱动板两个部分。控制板的核心是一片C8051F020 型CPU, 此外配有存储器、A/ D 转换器、信号放大电路和光电隔离电路等。驱动板则是一片89C51 型CPU [ 4]、1 6 路信号功率放大电路和16 路抗电磁阀反冲电压的尖峰吸收电路( 图2) 。主CPU 使用内部RAM 作为数据缓冲区, 内部FLASH 作为程序存储区, 由于测量和计算过程中有许多中间变量需要快速读写, 并且断电后需要继续保留, 因此另外加了一片32kB 的FM18L08 铁电存储器。存储器的地址线A0-A14 与CPU 的P60-P67 和P50-P56 相连, 数据线D0-D7 占用CPU 的P70-P77。光计数传感器输出的数字信号通过一个光隔离电路接入CPU 的P40 号I/ O 口线。用于确定每个果杯进入称重段的准确时机。
称重选别机动态称重测控系统硬件设计2
左右两条轨道的称重传感器信号首先经过一个平衡混合电路, 将左右两轨的重量进行加法合成, 同时将毫伏级的弱电压信号放大至0V ～5V 。放大后的信号是一个振荡幅度很大的近似阻尼振荡信号。
3. 3 信号的分析与处理
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我们把这个信号看作一个带包络的周期性振荡信号( 图3) , 根据信号的频域分析原理可以知道, 这个信号中间包含振荡载波频率分量、包括频率分量和直流分量。果杯和果蔬的重量实际上是这个信号的直流分量, 需要设法提取这个分量, 然后测出该分量的值。图3 果杯高速连续通过传感器波形
通常分析各频率分量的方法是将数字化后的传感信号送入DSP 对数据进行FFT 处理, 将处理后的计算结果送入CPU, 这样可以避免因CPU 运算速度不够而降低分选速度。但是这样的做法会提高控制器的硬件复杂性和成本, 并降低了系统的可靠性。如果依靠CPU 完成数据处理, 则难点在于计算速度问题, 因为称重选别机在处理某一果蔬的同一时刻, 下一果蔬将在50ms 内到达, 并且同时要处理通信、计算每个果蔬位置和控制电磁阀等工作。
本项设计采用模拟与数字处理相结合的办法, 首先将含有振荡载波、高频信号分量、不确定振动干扰等因素造成的交流成分用模拟二阶低通滤波器滤除, 再把模拟信号数字化, 交给CPU 进行数字化处理, 这种做法使送入CPU 的数据大为简化, 从而大幅度减轻了CPU 的资源压力。
由于流水线机械上的每一个缺口或结合部都会产生一定程度的机械振动, 这些不同部位、不同材质的振动反映在称重传感器上是各种不同的载波体的叠加( 图3) , 靠一般的滤波电路很难直接处理出直流分量。基于此, 将低通滤波后的信号送入A/ D 转换器, 转为16 位数字信号[ 5] , 送入CPU 的一个16 位数据总线。经低通滤波后的信号被数字化并送入CPU 后, 首先进行的就是对该离散信号进行快速傅立叶变换( FFT ) , 在频域中取出零频率的幅值, 计算出果蔬的重量。由于经过二阶低通滤波器的信号频谱成分简单了很多, 因此在进行FFT 时采集点可大大减少, 转换的计算量小很多, 使采用这片CPU 进行FFT 成为可能。3. 4 分果口控制
由于电磁阀的驱动涉及到大电流大功率信号, 为防止由此产生的干扰, 因此将这部分电路与主控制器不共地, 采用光隔离将相互之间的电磁影响降到较低。驱动电路在输出端设计有针对反冲电压的尖峰吸收电路。
3. 5 与主控台通信
系统在完成称重信号处理后, 实时将测量结果通过串行通信告知控制台, 控制台PC 实时显示生产线处理果蔬的进度和状态统计。CPU 的两位串行通信线利用ADM202E 电平转换芯片将T TL 逻辑信号转换为±12V 的RS232 接口信号, 串行通信口占用CPU 的P0. 0 和P0. 1。串行口实现主控板与控制台系统机之间的通信。
3. 6 系统工作流程
设备启动后, 主CPU 经上电复位开始工作, 流水线运行。系统首先测量出一次空杯循环果杯数量和每一个果杯的自重。在果蔬上载后, CPU 以更快的速度计算出重量, 再减去该果杯的自重, 得出果蔬的实际重量, 将重量的真值通过串行通信通道传送到主控台系统机上。同时, CPU 利用主控台的果蔬分级设定表查出这只果蔬的分果口编号, 设定定时时间, 启动定时器, 在传送带到达定时时间后立即发出相应电磁阀逻辑口的逻辑真信号, 经放大驱动相对应的电磁阀, 使果杯翻转, 果蔬在相应的出果口落下。在同一时间段里,CPU 不仅仅在处理这一头果蔬的称重、分级计算和出果控制, 同时在处理多达16 头果蔬的流程。这一实时要求造成了CPU 软硬件方面的很大压力。
4 结束语
根据上述原理设计的果蔬称重选别机控制器已经成功地在果蔬分选行业中实现了果蔬的有效分选。分选橙子的速度可以达到20 头/ s, 分选重量误差小于±3g 。已经成功实现产品化。
果蔬称重选别机产品虽然多种多样, 但在工程上提高分选速度、分选精度、降低成本以及增强多类果蔬分选兼容度仍是称重选别机设计的努力方向。随着嵌入式计算机技术、测量技术发展, 称重选别机也将会不断产生性能更好的新产品。
参考文献
[ 1] 李光梅. 水果称重选别机的研究现状与发展状况[ J] . 农机化研究, 2007( 9) : 20-23.
[ 2] 张启祥, 张晓英. 悬臂梁的受迫振动试验[ J] . 物理实验, 1997( 2) : 92-97.
[ 3] 郭书立, 曹立文, 李立军. 悬臂梁在冲击力作用下的自由振动理论分析及实验验证[ J] . 佳木斯大学学报( 自然科学版) , 2001( 2) : 196-199.