小型称重系统的设计

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1、第一章 小型称重系统的意义及任务1.1 小型称重系统的概述及意义定义：称重系统把既有各个生产环节的称重设备有机的组合到一种控制系统中，运用现代网络技术进行控制和管理。狭义的称重系统：运用简朴的电子衡器（如：电子台秤，大型汽车衡等）增长控制系统和计算机称重管理软件实现某个生产环节的自动控制和管理功能。例如：公司生产中的配料、包装系统，进行控制、管理，实现称重数据的保存、管理、打印输出等功能。广义的称重系统：整个工厂的所有称重设备，通过现场总线或局域网方式进行控制和管理，它还可以向上位的MRPII或ERP系统提供数据和预留数据接口。目前，已有许多自动化限度较高的公司应用了称重系统，例如：食品加工、

2、石油化工、水泥制造、电力供应等行业。 电子秤 基于PLC的称重系统随着社会科技的发展，称重技术也得到了广泛的应用。称重工具已经从过去的“杆秤”、“磅秤”、“度盘指针秤”发展到目前的“电子秤”，后来称重工具的发展方向是运用核子技术“非接触测量”的核子秤。目前运用电子秤的多种智能接口和计算机的应用软件技术就可以构成一种功能强大的称重系统。运用这个称重系统就可以有效的提高公司智能化的科学管理，从而提高公司生产过程的管理和科学决策水平，提高公司的综合效益。 1.2 虚拟仪器虚拟仪器是随着计算机技术、电子测量技术和通信技术发展起来的一种新型仪器.在国外,虚拟仪器技术已经比较成熟了,由于其很强的灵活性,使

3、得该技术非常合用于现代复杂的测试测量系统中。近几年,虚拟仪器技术在国内的发展趋势也越来越收到注重。成熟的虚拟仪器技术由三大部分组：高效的软件编程环境，模块化仪器和一种支持模块化I/O集成的开放的硬件构架，该课程设计的目的就是，通过某些功能简朴的仪表系统的设计，要在这三个方面上有更深一步的理解。1.3 小型称重系统设计的任务 运用金属箔式应变片设计一种小型称重装置。 一方面在multisim中设计出应变片的仿真模型和测量电路，然后在labview中运用G语言编程设计显示模块，直接显示称重值，最后把设计好的子VI导入到multisim中以完毕整个设计。 本课程设计分为两部分：一、测量电路的原理与设

4、计 二：LabVIEW虚拟仪器的设计。这两部分具体规定和功能如下：一、测量电路的原理与设计1、 在multisim中设计出应变片的仿真模型和测量电路。2、 测量电路涉及综合电路的设计和综合电路的仿真。3、 电压V用来模拟物体质量m。二、LabVIEW虚拟仪器的设计1、在LabVIEW中用G语言编程设计显示模块，直接显示称重值。2、将设计好的子VI模块图标导入到Multisim中。1.4 小型称重系统设计的系统框图本系统总体框图如下：仪用放大电路比例放大电路电桥电路显示模块电桥电路：将电阻变化率转换成电压（或电流）。仪用放大电路：差分放大电路的作用是“滤去噪声，减少漂移”，反向比例放大电路的作用

5、是“将双端输入变成单端输入并放大电压”。比例放大电路：以便调节，并将输出信号反相。显示模块：将做好的子VI模块化，即为综合电路中的XMM1。第二章 测量电路的原理与设计2.1 模型的建立 电阻应变片的工作原理基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随着压力的变化而变化。对于金属导体，导体变化率的体现式为: (12) 式中：为材料的泊松系数；为应变量。一般把单位应变所引起电阻值相对变化称作电阻丝的敏捷系数。对于金属导体，其体现式为: K(12)因此: K在外力作用下，应变片产生变化，同步应变片电阻也发生相应变化。当测得阻值变

6、化为R时，可得到应变值，根据应力与应变关系，得到应力值为: E式中：为应力；为应变量（为轴向应变）；E为材料的弹性模量（kgmm）。又知，重力G与应力的关系为 Gs式中：G为重力；S为应变片截面积。根据以上各式可得到：mg由此便得出应变片电阻值变化与物体质量的关系，即 RRmg 根据应变片常用的材料（康铜），取K=2，E=16300kgmm，s=100mm，R=348,g=9.8ms，R=（29.8348）（16300100）m=4.18510m。因此，multisim可用建立如下模型替代应变片进行仿真。模型如下在图中，R模拟的是不受压力时的电阻R，压控电阻用来模拟电阻值的变化R，V可以理解为

7、物体的质量m（kg）。当V反接时，表达受力相反。2.2 测量电路的设计及原理 此部分涉及电桥部分电路原理、放大电路原理、综合电路设计和综合电路仿真。2.2.1 电桥部分电路原理 电阻应变计把机械应变转换成R/R后，应变电阻变化一般都很小，这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便于直接解决。因此必须采用转换电路，把应变计的R/R变化转换成电压或是电流的变化。一般采用惠斯登电桥电路实现这种转换。I如图所示的直流电桥中URR4R3R2R1EDCB A当电桥平衡时，相对的两臂电阻值乘积相等，即： RR=RR U=设桥臂比n=R/R,由于RR,分母中RR可忽视，于是 UU电桥的敏捷度定义为：S=U分析

8、该式发现： 1.电桥电压敏捷度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压敏捷度越高；但是供电电压的提高受到应变片容许功耗的限制，因此一般供电电压应合适选择。 2.电桥电压敏捷度是桥臂电阻比值n的函数，必须合适选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的敏捷度。 由 =0求S的最大值，由此得 =0 求得n=1时，S最大，也就是供电电压拟定后，当R =R,R=R时，电桥的电压的敏捷度最大，此时可得到 U S= 由上式可知当电源电压U和电阻相对变化一定期，电桥的输出电压及其敏捷度也是定值。且与各桥臂阻值大小无关。 由于上面的分析中忽视了，因此存在非线性误差，解决的措施有： 1）提高臂桥比。提高了臂桥比，非线

9、性误差可以减小。但从电压敏捷度S考虑，敏捷度减少了，这是一种矛盾，因此采用这种措施的时候应当合适提高供桥电压U。 2）采用差动电桥。根据被测试件的受力状况，若使用一种应变片受拉，另一种受压，则应变符号相反；测试时，将两个应变片接入电桥的相邻臂上，成为半桥差动电路，则电桥输出电压U为 U=若R=R,则有 U= 由此可知，U和成线性关系，差动电桥无非线性误差。此时，电压敏捷度为S=，比使用一只应变片时提高了一倍，同步可以起到温度补偿的作用。 若将电桥四臂接入4个应变片，即两个受拉，两个受压，将两个应变符号相似的应变片接入相对臂上，则构成全桥差动电路，如满足，则输出电压为U= 由此可知差动电桥的输出

10、电压和电压敏捷度比用单片时提过了四倍，比半桥差动电路提过了一倍。 由于采用的是金属应变片测量，因此本设计采用全桥电路，可以有比较好的敏捷度并且不存在非线性误差。2.2.2 放大电路原理 放大电路重要采用如下图所示的仪用放大电路。 图仪用放大电路 图比例放大电路 该放大电路具有很强的共模克制比。它由两级放大器构成，第1级由集成运算放大器A和A构成，由于她们采用同一型号的运算放大器，因此可进一步减少漂移。电阻R,R和R构成同相输入式并联差分放大器，具有非常高的输入阻抗。第2级是由1个运算放大器A和4个电阻R,R,R和R构成反向比例放大器，将双端输入变成单端输出。阻值R=R，R=R，R=R。 根据运

11、算电路基本分析措施，可得到输出电压 U=（1+2）(U-U) 为了以便调节，再加一级比例放大器，同步将仪用放大电路输出 的信号反向，如上图所示。R为调零电阻。2.2.3 综合电路设计 图-基于金属电阻应变片的全桥电路至此，基于金属电阻应变片的压力测量电路设计完毕，如上图所示。图中的V，V，V，V指代的是同一电压V（考虑到以便电路绘制及保持电路元件符号不能反复，因此分开符号），电压V用来模拟物体质量m。由以上分析可知，采用全桥电路可以有比较好的敏捷度，并且不存在非线性误差，因此由4个应变片（两个受拉，两个受压）可构成全桥电路，应变片的受拉受压状况如图中标注。在图中，R为一调零电阻，用来调节电桥平

12、衡。由于被测应变片的性能差别及引线的分布电容的容抗等因素，电桥的初始平衡条件和输出特性会受到影响，因此必须对电桥预调平衡，图中用了电阻并联法进行电桥调零。电阻R决定可调的范畴，R越小，可调的范畴越大，但测量误差也大。R可按下式拟定 R 式中：r为R与R的偏差；r为R与R的偏差。此处的电阻值应变片的初始值。 在图中，R为增益调节电阻；R是放大电路调零电阻。电路中所选用的放大器是OP07CP，它是一种低噪声、低偏置电压的运算放大器。此外，二极管D和D可对电路起到保护作用。此外，当采用交流电供电时，由于导线间存在分布电容，这相称于在应变片上并联了一种电容，为消除分布电容对输出的影响，可采用电容调零，

13、为采用阻容调零法的电桥电路，该电桥接入了T形RC阻容电路，可调节电阻使电桥达到平衡状态。2.2.4 综合电路仿真 将仪用放大电路的两输入端接地，滑动变阻器调到最小值，虽然放大电路的放大倍数调到最大，然后调节，使电路的输出近似为零。放大电路部分调零完毕后，再和电桥电路相连，将模拟物体质量的电压源的值设为零，调节，使电路的输出为零，从而完毕电桥调零。电路参数调好后来，再以对电路进行仿真。1直流工作点分析当电路中模拟物体质量的电压源的值设为零时，选择菜单栏SimulateAnalyses下的“直流工作点分析”命令，观测此时综合电路中输出端16和仪用放大电路两输出端26和40的直流电压值，如下图所示。

14、电路调零后，当物体的质量为零时，电路的输出端16的电压近似为零。直流工作点分析成果2直流扫描分析目前来分析当物体质量逐渐增长时，输出电压与质量的关系。对于本设计，也就是当模拟质量m的电压源的值V变化时，观测电路输出电压的变化状况。选择菜单栏选择菜单栏SimulateAnalyses下的“直流扫描分析”命令，弹出“扫描设立”对话框，在图中选择要扫描的直流源。在电路中把用一种电流源V替代，因此直流源就选vv。在图中选择观测输出点，输出节点应选节点16。参数设立好后，单击Simulate按钮，可得直流传播特性图，即质量变化时输出电压的变化曲线图。由图可知，输出电压的线性度较好。质量变化时输出电压的变

15、化曲线3交流分析将仪用放大电路的输入端改接交流源，电路的输出节点仍然选择节点16，观测电路的交流特性，如图可看到放大电路的通带放大倍数约为100倍，在输入信号的频率不小于1kHz时，放大倍数有所下降。放大电路交流分析成果4傅里叶分析设放大电路的输入端接的信号源是50Hz，100mV的交流源，对放大电路进行傅里叶分析，如图所示。输出节点选择节点16，仿真成果如图所示，电路的总谐波失真THD很小，各次谐波的幅值都很小。当交流源的幅值改为1V后来，再对电路进行傅里叶分析，成果如图所示。当交流源幅值增长后，各次谐波的幅值明显增长，电路总交流源的傅里叶分析成果5参数扫描分析对电路进行参数扫描，分析当电阻

16、R变化时，放大电路放大倍数的变化状况。参数扫描的设立如图所示，输入变量选择输出节点电压与放大电路两个输出节点电压之差的比值即为该放大电路的放大倍数，仿真成果如图所示，可见差分运算放大器中间电阻的阻值越大，放大倍数越小。参数扫描分析成果6温度扫描分析对电路进行温度扫描分析，分析环境温度变化时，电路会有何种影响。如图所示，可见当温度变化时，电路的输出电压有微小的变化。温度扫描分析成果第三章 LabVIEW虚拟仪器的设计LabVIEW是一种使用图形符号来编写程序的编程环境，它是为科学家和工程师等设计的一种编程开发环境和运营系统。通过使用LabVIEW功能强大的图形编程语言可以成倍地提高生产率，人们也

17、称这种语言为G语言。使用老式的编程语言需要耗费几周甚至几种月才干编写的程序，用LabVIEW只需几种小时就能完毕。由于labVIEW是专为测量、数据分析并提交成果而设计的，且LabVIEW拥有如此功能众多的图形顾客界面又易于编程，使得它对于仿真、成果显示、通用编程甚至讲授基本编程概念也是同样很抱负的语言。与原则的实验室仪器相比，LabVIEW提供了更大的灵活性，我们可以定义仪器的功能。LabVIEW程序是可以跨平台移植的，可以应用在许多工业上得操作。3.1 数据显示子程序设计根据设计的规定，在显示模块中需要显示电子电路的输出电压Uo；应变片受压后电阻的变化的绝对值R和最后度量的量重物的质量m。

18、此外，在显示模块中，又加入某些参数：敏捷系数k，弹性模量E，应变片截面积S和电阻值R。由上节的分析可知：R =Uo118.4 m=根据上面2个式子和对labVIEW的基本简介，可建立一种子VI，具体环节如下所述。1） 选择“开始”菜单National Instruments labvIEW 8.2命令，在Getting Stared窗口左边的Files控件里选择Blank VI，建立一种新程序。2） 框图程序的绘制。图中的Uo是Multisim中所设计的电路图的输出电压。添加措施为在前置板中右击打开控制模板，选择图中的数字控制元件，名称修改为Uo，Uo在框图面板下以图标显示。由于要节省空间，在

19、图标上右击，取消选择View As Icon命令，则显示形式如图所示。一下框图都是采用非图标显示形式。 常量9.8是重力加速度g的数值，程序中除以9.8后输出为质量，单位是kg，再乘以1000后，输出单位是g。其她各常量如图所示，在各常量上右击选择创立批示器，并修改名称，例如，弹性模量E和应变片面积S等。运算函数，如乘除运算等可在功能面板中选择，如图所示。放置好元件后，根据功能完毕连线。最后，输出端如图中所示的Meter批示器座位质量的显示仪表。以上各模块均为橘黄色，数据类型为双精度类型(R为R)。子VI设计图接下来是建立前面板上的控件和连接器窗口的端子关联。输入与Uo关联；输出的6个端子分别

20、与输出质量、敏捷度、弹性模量、电阻、电阻变化的绝对值、应变片的面积有关联。完毕上述工作后，将设计好的VI保存。下次调用该VI时，图标与端口如下图所示。子VI图标与端口3.2 接口电路的设计与编译有关接口的研究及LabVIEW仪器向Multisim的导入的原理请参照第7章的内容。本设计中接口电路的设计与编译分如下三部：1） 把Multisim安装目录下的SamplingLabVIEW InstrumentsTemplatesInput文献夹复制到另一种地方。2） 在LabVIEW中打开环节1）中所复制的StarterInput Instruments.Ivproj工程。接口电路的设计在Start

21、er Input Instruments.vit中进行。3） 打开Starter Input Instruments.vit的框图面板，完毕接口框图的设计。在数据解决部分，选择CASE构造下拉菜单中的Update Data选项进行修改。按框图中的阐明，在构造框中点击选择Select a VI命令，把LabVIEW完毕的子VI添加在Update Data框中即可。此时，只是添加，不可修改框图面板的原状，如下图所示。 显示仪板的程序框图由图可知，子VI输出端有6个输出端口，在每个端口处点击创立批示器。在输入端口，需要解决数据类型的匹配问题。根据系统原始的接口的设立，从Multisim 向LabVI

22、EW中虚拟仪器输入的是一种多维数组（它的数据类型是不能变化的）。为了和设计的子模块输入数据的类型相匹配，需要加某些数据转换器，把两个数据毒端口连接起来，如图所示，data后的第1个程序模块是波形建立模块，接着的是提取Y值模块。实现数据类型的匹配尚有此外两种措施，这将在后来章节的设计实例中简介。程序框图设计好后，要进行前面板的设计，除了要完毕功能外，还要兼顾美观。完毕后选择重命名，保存为proj1.vit。4） 编译之前，要对虚拟仪器进行基本信息设立。打开subVIs下面starter input Instrument_multisimInformation.vi的背面板，在仪器ID中和显示名称

23、中填入唯一的标记，例如，一起设为Plotterhxx11。同步，把输入端口数设为1，由于只有一种电压输入；把输出端口设计为0，此模块不需要向Multisim 输出信号。设立完后另存为Proji1_multisimInformation.vi。注意，后半部分的名字和接口程序部分的命名必须一致。5） 双击Build Specifications，选择Source Distribution命令，选择Properties命令，在保存目录和支持目录中都将编译完毕后要生成的库文献重名，例如，命名为proj1.lib。同步，在原文献设立中选择总是涉及所有涉及的条目。属性设立完毕并对工程进行保存后，再在Sou

24、rce Distribution上点击，在弹出的菜单中选择Build命令即可。6） 编译完毕后，在Input文献夹下生成一种build文献夹，打开后把里面的文献复制到Electronics WorkbenchEWB89下的Ivinstruments文献夹中，这样就完毕了虚拟仪器的导入环节。再打开Multisim时，在LabVIEW仪器下拉菜单就会显示模块plotterhxx11。 第四章 实验数据解决及仿真成果4.1 实验数据的解决 下表为仿真实验而得的数据，涉及电阻变化和输出电压值。m/kgR=0.004185mU/Vm/kgR=0.004185mU/V0.020.00008379.9131

25、00.120.000502259.477100.040.000167419.825100.140.000585969.39100.060.000251129.738100.160.000669679.303100.080.000334839.651100.180.000753389.216100.100.0000418549.564100.200.00083799.12910 使用最小二乘法对以上数据进行拟合，设拟合直线方程式为：y=kx+b其中，y表达输出电压U，x表达电阻变化R。 实际校准测试点有10个，第i个校准数据y与拟合直线上相应值之间的残差为：= y-(K x+b)最小二乘法拟合直

26、线原理是使为最小值，也就是使对K和b的一阶偏导数等于零，即 =2 =2=0从而得到 K= b=代入数据，近似求得：K118.4 b0即y=118.4x。换为电压U和电阻变化R的关系为： U=118.4R (1)再根据电阻变化与压力的关系： 便可以得出电阻变化与压力关系；即： R= (2)把式(2)代入式(1)中可得输出电压变化与压力间的关系 U=将E=16300,S=100,R=348,K=118.4等常数带入到上面两式得到R= U=4.2 最后仿真成果通过以上设计及分析，所有有关此称重系统的设计完毕。打开Multisim10.0，导入后的显示模块。连接设计好的电路和显示模块，电路调零后，进行

27、仿真，验证电路设计及显示模块的设计与否合理。下图为60g和80g重物的仿真图，可以看出设计基本符合规定。 60g重物仿真图 80g重物仿真图第五章 小型称重系统设计小结5.1 设计过程中遇到的问题及解决方案。1、 在分析电桥部分电路原理，为什么没有采用单臂电桥？ 答：在分析过程中，我们很容易想到常常使用的单臂电桥，但发现敏捷度不够高，而如将电桥四臂接入4个应变片，两个受拉，两个受压，构成全桥差动电路，敏捷度提高了4倍。并且不存在非线性误差。2、 为什么采用仪用放大电路和比例放大电路，而不是一般的放大电路？ 答：仪用放大电路的第一级是差分放大器，可以滤掉噪声，减少漂移，这对于背面提取信号，分析综

28、合电路工作点具有重要意义。而比例放大电路将信号反相且放大。3、 综合电路仿真过程中的数据和理论存在误差，也许是由于参数的设立不同而导致的。4、 在子VI设计图中，为什么会浮现固定的常数，如118.4,348等？ 答：这些常数的设立是通过实验电路图中将电压U转换成质量m时产生的一一相应的数据。5、 在接口电路的设计与编译中，遇到无法找到有些部分数据的设立窗口以及设计好的子VI导入到multisim中？答：导致无法打开有些数据设立窗口的因素是软件版本的不同，因此在做实验过程中也不用一味按照课本上得环节来，可以通过查阅其他书籍的方式来完毕课程设计。5.2 本次课程设计的心得体会Multisim软件界

29、面形象直观，操作以便，分析功能强大，易学易用。作为电子信息科与学技术专业的本科生，应当学会运用该软件来完毕我们的电路分析和工程设计，它可以提高设计效率，减少设计系统开发时间。本次课程设计通过Multisim相应变测量电路进行仿真设计，电路的输出电压经LabVIEW虚拟仪器仿真后，可直接显示重量值、应变值及其她参数信息，使设计目的明确，显示具体；并且，通过软件设计的显示模块在精确度上比硬件更强，更不易受干扰。参照文献:Multisim&LabVIEW虚拟仪器设计技术 周景润 郝晓霞 编著 北京航空航天大学出版社。. LabVIEW大学实用教程（第三版） 【美】Jeffrey Travis， Jim Kring 著 ，乔瑞萍 等译。北京，电子工业出版社。 LabVIEW程序设计与应用 杨乐平，李海涛等编著，北京， 电子工业出版社，。