高精度稱重變送器設計
發(fā)布時間:2019-07-13 17:20:14來源:
1硬件設計硬件電路的設計思想:在滿足稱重變送器高精度要求的前提條件下,結合軟件算法。盡可能降低硬件成本。在選用高性能元器件的同時,結合新的軟件算法來提高稱重變送器的精度。各部分硬件的組成為:硬件濾波:采用LC無源濾波,濾出高頻信號干擾3前置放大器:選用AD623構成固定增益放大器,提高輸入阻抗,保護后續(xù)電路。
和電阻構成,提供漂移校正算法所需電壓。
多路模擬開關:選用CD4052,完成電路狀態(tài)切換。
可編程放大器:選用AD623和數(shù)字電位器X9C103,實現(xiàn)放大器增益的精細變化。)A/D轉換器:選用高精度24位轉換器CS5532. 1.1可編程放大器稱重變送器處理的信號量程范圍為0~36mV,并且要求介于其間的量程變換幾乎是無級的。目前市場上數(shù)字增益放大器PGA不但成本高,而且數(shù)字增益通常為1、2、4、16等有級數(shù),滿足不了實際要求,所以選用可通過外接電阻的控制來實現(xiàn)增益變換的放大器AD623,AD623的增益計算公式:這樣設計的重點在于選用一款精度適中的數(shù)字電位器,滿足增益的連續(xù)變化,這里選用具有100胸躦抽頭、阻值為10kn的數(shù)字電位器X9C103,數(shù)字電位器存在一定的溫漂問題,溫漂引起的電位器電阻變化導致可編程放大器增益漂移。
本文介紹了一種新的漂移校正算法來克服數(shù)字電位器溫漂問題??删幊谭糯笃鞯耐饨与娮枋怯蓴?shù)字電位器先串聯(lián)5lfi電阻,后并聯(lián)6800D電阻構成,可編程放大器增益變化范圍為25.2~211.8,增益遞增比較小量為0.1,因此能夠滿足實際要求。
1.2A/D轉換器A/D轉換器選用Cm'usLogic公司的24位A型CS5532.該轉換器采用電荷平衡技術和極低噪聲的可編程增益斬波穩(wěn)定測量放大器,能夠達到24位分辨率輸出結果。
CS5532內置可編程增益放大器PGIA,所以它的模擬輸出可直接處理稱重傳感器毫伏級輸出信號,大大簡化了與傳感器接口設計但由于內置增益為1、2,4、8、16、32等有級數(shù),不能滿足設計需求,所以本設計將內置增益設置為1.多級可編程數(shù)字濾波器使其轉換速率可在7.5Hz~3.84kHz的范圍內任選,方便與外設的通訊。該A/D轉換器具有簡便的同步串行接口,使轉換的數(shù)據(jù)以串行方式輸出,它與SH、Micrcnvire兼容。
此外,CS5532內部有一個完整的自校正系統(tǒng),可進行自校準和系統(tǒng)校準,可消除A/D本身零點增益和漂移誤差,以及系統(tǒng)通道的失調和增益誤差。'寬的動態(tài)特性、可編程輸出速率、靈活的供電方式以及簡便的三線串行輸出方式,使CS5532廣泛應用于電子枰,過程控制及醫(yī)療儀器等領域,也成為本設計的比較佳選擇方案。
CS5532外圍接口設計簡單,主要考慮兩個問題:CS5532電源濾波網絡,實際證明本設計的方案取得很好的濾波效果;電源本身會存在溫漂和零源,影響測量準確度,因此本電路將傳感器的供橋電壓同時作CS5532的電壓。
1.3六線制長線補償法傳統(tǒng)的四線制接法存在3個問題改變電纜長度將產生稱重結果的系統(tǒng)誤差;當溫度變化時,電纜電阻將帶來稱重誤差;激勵電源本身的不穩(wěn)定會帶來稱重誤差。
本設計采用六線制長線補償法,達到“比率電壓測量”和“長線補償”兩個目的,這樣稱重變送器的準確度只與傳感器、放大器和A/D轉換器這三者的指標有關,而與電纜連線的長短、導線周圍的環(huán)境以及供橋電壓的穩(wěn)定性無關。
2濾波技術稱重變送器的數(shù)據(jù)采集通道常會存在隨機干擾信號,為了濾除干擾,提高信號質量,通常在傳感器和A/D轉換器前加有源或無源RLC濾波網絡,構成模擬濾波器對信號實施頻率濾波。但是模擬濾波器受到電容量的限制,在低頻和甚低頻時實現(xiàn)比較困難,而數(shù)字濾波器不存在這些問題,它具有高精度、高可靠性和高穩(wěn)定性的特點,因而被廣泛應用。本文將模擬濾波與數(shù)字濾波相結合。模擬濾波硬件由LC實現(xiàn),數(shù)字濾波采用兩種數(shù)字濾波算法。)防脈沖干擾平均值濾波在脈沖干擾比較嚴重的場合,如果采用一般的平均值法,則干擾將會平均到結果中去,故平均值法不易消除由于脈沖干擾而引起的誤差。為此,本稱重變送器的原始數(shù)據(jù)處理是對每點連續(xù)采樣8次,去掉2個比較大值和2個比較小值,然后再取剩下4個采樣值的平均值,作為本次采樣值送入采樣值隊列,準備二次濾波。
采用滑動平均值法濾波,先在RAM中建立一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū),將采樣值隊列中對應的8個防脈沖干擾平均值濾波后的數(shù)據(jù)值拷貝到數(shù)據(jù)緩沖區(qū),然后再對這8個數(shù)據(jù)求防脈沖干擾平均值。這樣排除了由于采樣頻率過高,導致采樣點防脈沖干擾平均值濾波后的數(shù)據(jù)成為脈沖干擾信號的可能性。
3稱重變送器漂移處理算法稱重傳感器漂移包括零點漂移和增益漂移。產生這兩種漂移的原因很多,如元器件制造公差、溫厲微麟rF錮塍度系數(shù)變化、材料變質、電源電壓波動、工藝不良、在外界溫度、濕度、電壓、振動沖擊影響下參數(shù)發(fā)生變化等等。為了消除這兩種漂移對稱量準確度的影響,本文介紹的漂移校正算法,其硬件基礎為電壓網絡,由主控機AT89C52定時間隔對電壓網絡采樣兩個電壓,利用電壓所反應出來的漂移,可以成功的校正實際測量值的偏差。假定電路初始狀態(tài)采樣的兩個電壓為Va)和V,。,電壓數(shù)字量為D+和Dw,可得電路初始情況的數(shù)學關系式:斜率k= I初始模擬量,3.1零點漂移為零點漂移關系示意圖。
ffl|零點漂移關系示意圖中L*為初始情況下直線,L,為只有零點漂移后的直線。零點漂移后兩個電壓模擬量為L和Vu,電壓數(shù)字量為Dzl和Dtl.只考慮系統(tǒng)的零點漂移,由可知,只需將具有零點漂移的直線L平移后可得到實際輸出直線U分析公式為:中直線1與1平行,所以:kJ=(D*-D*得:漂移校正:D、=D、,- 3.2增益漂移為增益漂移關系示意圖。
中L.為初始情況下直線,L:為只有增益漂移后的直線。增益漂移后兩個電壓模擬量為V,:和vl2,電壓數(shù)字量為Dzjnd123只考慮系統(tǒng)的增益漂移,分析公式為:增益漂移關系示意。3綜合零點和增益漂移實際系統(tǒng)中,零點漂移和增益漂移同時存在。基于只有零點漂移和只有增益漂移的討論基礎上,可以得到綜合的校正公式:3.4漂移校正算例假定初始條件為:增益k=100,電壓模擬量此時:掌逾厲4軟件設計稱重變送器軟件采用模塊化的設計思想,根據(jù)系統(tǒng)的功能將軟件劃分為若干個功能相對獨立模塊,為每個模塊設計流程圖。軟件模塊包括主程序、采樣數(shù)據(jù)處理以及標度變換,為核心部分標度變化程序流程圖。
表1是在漂移校正算例的條件下,改變增益和零點漂移的采樣結果,由表1可見,漂移校正算法能夠消除零點和增益漂移的影響,從而提高整個系統(tǒng)的精度。
表1具有漂移系統(tǒng)的實測結果表增益k零點漂移量實際測量值實測誤差(%)6結束語本文詳細的介紹了稱重變送器的軟硬件設計,并介紹了一種新的漂移校正算法,從而提篼了系統(tǒng)的精度。本設計各方面性能達到預期設計目標,是一款有效的、經濟的設計方案。