李佑长，何春燕

（玉林师范学院物理与电信工程学院，广西 玉林537000）

0 前言

智能称重技术[1-3]在食品行业日益受到关注，一些结合最新技术的应用使原有生产工艺持续改进，从而使食品质量更好、生产过程更加高效，为企业带来了可观的效益。但部分企业的重量筛选装置也存在功能相对简单、生产检测筛选效率低的缺陷。本文介绍的基于单片机开发的智能重量筛选装置[4-5]就是可应用在生产线上，用来检测物品重量是否达标而设计的，且可应用于其它需要做重量筛选的相关行业。本文开发的称重装置应用单片机进行循环扫描称量，实现自动控制，并利用回转台的原理，以最低的成本使装置更加高效地筛选货物。这种高效的称量方式取代了传统的人工称量，保证了生产的快速化和准确化。

1 系统组成

本装置总体设计包括可360°旋转的回转台装置、筛选杆剔除装置、传送带装置、711AD转换模块、重力传感器模块、红外对管模块、按键输入模块[6]、转接板模块和液晶显示电路。系统的核心控制器为AT89S52单片机，按键调节主要控制物品的重量参数，可根据检测物品种类的重量不同调节已知所需要重量目标值和误差值，单片机会根据使用者调节的目标值和误差值来筛选物品。系统总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2 系统软件设计

本系统的软件设计使用Keil MDK软件设计平台，采用C语言开发。Keil软件为基于Cortex-M、ARM7处理器设备提供了一个完整的开发环境。软件的编写采用模块化的设计思想，将整个软件部分逐步划分为子系统，再将子系统细分化为各个功能模块来实现，最后再将所有的模块程序融合成一个大系统来实现所需要的功能。

2.1 12864液晶显示驱动程序设计

12864[7]是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及128*64全点阵液晶显示器组成。IR是用于寄存指令码，与数据寄存器数据相对应。当D/I=0时，在E信号下降沿的作用下，指令码写入IR。DR是用于寄存数据的，与指令寄存器寄存指令相对应。当D/I=1时，在下降沿作用下，图形显示[8]数据写入DR，或在E信号高电平作用下由DR读到DB7～DB0数据总线。相关函数名称如下：

void lcd_init（）；//c初始化函数

void lcd_eliminate（）；//清屏函数 void LCD_XY（unsigned char X，unsigned char Y）；//显示行列函数void display_num（char X，char Y，unsigned int shu）；//显示数字函数 void lcd_str（unsigned char X，unsigned char Y，unsigned char*p）；//显示字母函数

void write_com（unsigned char com）；//写指令函数void write_data （unsigned char date）；//写数 据 函 数void send_bit（unsigned char byte）；//发送指令函数

2.2 711AD转换模块驱动程序设计

HX711[9-10]是一款24位 A/D转换器芯片。HX711可以产生VAVDD和AGND电压，即711模块上的E+和E-电压。该电压通过VAVDD=VBG（R1+R2）/R2计算得出传感器的供电电压。该模块电压只有在采样时刻才有输出，因此用万用表读取的值可能会低于4.3 V，具有低功耗的特点。利用HX711采集计算重量传感传输感受应力变化的电压，进而反馈回单片机控制并调节。相关函数名称如下：

unsigned long HX711_Read（void） //增益 128

{unsigned long count；unsigned char i；

HX711_DOUT=1；//打开 HX711_DOUT

Delay__hx711_us（）；

HX711_SCK=0；//关闭 HX711_SC

count=0；

EA=1；//开总中断

while（HX711_DOUT）；//当 HX711_DOUT口接收到指令

EA=0；//关总中断

for（i=0；i＜24；i++）//依次发送24位数据

{ HX711_SCK =1； count =count ＜＜1；HX711_SCK=0；if（HX711_DOUT）count++；}

HX711_SCK=1；//打开 HX711_SC

count=count^0x800000；//第 25 个脉冲下降沿来时，转换数据

Delay__hx711_us （）；HX711_SCK=0； //关 闭HX711_SC

return（count）；}

2.3 软件设计总体流程

系统上电后进行时钟初始化、I/O口和相关外设初始化，按键输入关于所检测物品筛选的目标值和误差值，确定完毕后按键启动硬件开始运作，电机带动传送带传送，将物品运输到指定工作台，红外对管检测物品是否落入指定位置，若检测到信号发生变化，便将信号反馈给单片机，使单片机控制电机驱动工作台旋转60°（工作台360°分为6个小区域，每个区域平均分配60°），在这一过程中，红外对管[11]一直循环检测而重量传感器也一直都在准备感应是否有物品落下，一旦电子秤检测到有物品落入，重量传感器就会根据开始按键值所设的目标值和误差值进行对物品筛选。系统软件设计的总体流程图如图2所示。

图2 系统软件设计的总体流程图

3 系统硬件设计

为验证筛选装置设计是否能达到所需要的功能，采用较便宜且易制作的替代材料制作简易的重量筛选装置，装置部分结构模型如图3所示。

图3 简易重量筛选装置

3.1 51单片机

本设计采用的核心控制芯片AT89S52[12]是一款具有8 K内存，性能较高，功耗较低的微处理芯片。单片机因为操作简单，造价低，通常用在各种电子仪器和电子设备中，其中一些单片机因为处理数据快速，数据存储内存较大，可反复烧写程序而备受大家追捧。

3.2 回转工作台

该装置在运输物品的过程中结合以往回转工作台的原理，设计了一款新型的回转工作台。回转工作台本体为六方圆柱体，圆柱体底面以圆点为中心，将360°平均分为6个60°角，顶面采取不封闭状态，圆柱体中间有两个转动轴体连接，并由电机控制驱动，使工作台本体能够同时沿竖直轴和圆柱平面旋转，结合红外对管能够实现精准定位。其结构图如图4所示。

图4 回转工作台简易模型

3.3 推杆装置

推杆装置位于回转工作台下部，仅由三个构件组成的平面低副，而其中一个构件为机架，按照平面自由度算法，只需给定一个原动件就可驱动杆件收缩，由舵机驱动协助完成物品运输途中的筛选步骤。其具有结构简单、灵活性高、易操作等特点。其大概结构图如图5所示。

图5 推杆装置简易模型

3.4 重量传感器模块

电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。压力传感器[13]是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件。当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。

3.5 LCD12864液晶

显示部分选用LCD12864液晶，液晶采用串行的通信方式与单片机进行通信。通信协议是SPI协议，这样的方式使得接口信号线减少，液晶采用直流5 V供电。其中它的RS数据/命令选择端接到P2.7引脚，R/W读写选择端接到P2.6引脚，E信号使能接到P2.5引脚，PSB接到P2.2引脚。简易模型液晶显示屏如图6所示。

图6 液晶显示屏

4 实验测试

本简易装置主要是为了验证电子秤的重量传感器的采集数据的准确程度与可行性。

4.1 重量传感器采集数据测量

为了测试准确，本次采用五种不同的重量进行测试，而且每种重量均测试5次，得到表1中的数据。从这些数据可以分析得到，在进行单片机采集重量数值时，重量传感器采集的数据比较稳定，与实际物品重量相差不超过1g，可以应用于实际生产，此外通过升级传感器级别与减少装置制造误差可以进一步提升精度。存在不足之处在于由于测试装置制作材料较简单，对于重量较小（10g）的物品误差有些偏高（达到8%），对于小重量的物品需要对装置精度做进一步的提升，以满足重量控制需要，当然需要增加较多成本。

表1 单片机采集重量数据

4.2 回转工作台角度控制测试

回转工作台以底盘为圆形制作的360°旋转的传输装置，分成6个角度均为60°角的区域，上边构成六边棱柱型，对于角度转动精度方面有一定的要求。角度测试结果见表2中数据，由这些数据分析得到，在进行单片机利用红外对管检测控制回转工作台的角度时，重量传感器采集的数据比较稳定，与实际角度60°相差不超过0.5°，误差率均小于1%，具有较高的精度，可以应用于实际生产。

表2 回转工作台旋转角度测试结果

5 结束语

本重量筛选装置结合计算机技术、传感器技术与机电一体化技术为一体完成本次设计，并利用360°旋转工作台加以改进，实现物品运输高效化，采用一对多的运输筛选通道，使产品检测方面大幅度提升，应用成本方面大大地降低。通过简易试验装置所做的试验结果表明本设计装置在原有的物品运输和物品筛选渠道方面更有效地提升了自身装置的优越性，且制作简单，结构清晰，可有效培养学生综合应用各种知识的能力，也为市场提供了更具性价比的优势产品。