ARM电磁平衡传感器系统设计

刘 雷, 胡 毅

(合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院,合肥 230009)

ARM电磁平衡传感器系统设计

刘 雷, 胡 毅

(合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院,合肥 230009)

采用高速精准的质量检测技术,是提高生产效率和自动化程度的有效途径之一。文中研究了基于ARM7单片机的电磁平衡传感器系统的工作原理和实现方法,包括系统的设计思想、设计原理、机械部分设计、电路硬件组成及软件流程。该系统实现了电磁平衡传感器的去初重、高精度及快速响应的功能。整个系统应用电磁力反馈平衡零位法原理,采用单片微处理器进行实时控制和数据处理,实现了质量检测的高速化、数字化、智能化,可以满足各种产品质量检测的需求。

电磁平衡传感器;单片机;质量检测

电磁平衡传感器是精密质量检测的测力传感器,广泛用于电子分析天平等高精度称重技术系统。电磁平衡传感器依靠载流线圈在恒定磁场中产生的电磁力与被测质量的重力平衡的原理,实现了性能稳定,灵敏度高,操作方便,可以一机多用的良好功能。

采用高速度、高精度的质量检测技术,则可大幅度提高生产的效率及自动化程度。笔者研制了基于ARM的电磁平衡传感器系统。该系统根据电磁平衡传感器的测量原理,利用电磁平衡传感器的高精度性和ARM单片机的多功能、高速性处理电路,之后由ARM微处理器对信号进行运算处理,并储存、显示结果。该系统对微小质量变化量的质量检测具有很强的优势。

1 工作原理

根据物理学中电磁原理,处于磁场中有电流通过的导线将产生一个电磁力,其方向符合左手定则。线圈电磁力:

式中:K——常数(与使用单位制有关);

B——感应强度;

L——导线长度;

I——通过导线电流的强度[1]。

电磁平衡传感器依据上述原理设计而成,其结构如图1所示。

图1 电磁力平衡传感器结构Fig.1 Structure of electromagnetic force balance sensor

整个系统是一个闭环伺服系统。利用磁场中电流所产生的力来平衡被称物的重力。在量程范围内,当重物置于传感器上或卸下时,由于重力的变化,横梁偏离零位平衡状态,引起相应的位移(位置偏差),位置传感器检测到这个位置变化,反馈给动圈一个电流,它的大小与物重成正比。动圈在电流作用下产生与横杆位移方向相反的电磁力,使横杆恢复原位,这时被测的物重与电磁力相互平衡。

闭环的电磁力平衡过程是动态的,即整个机构只要开始工作,就一直处在不断调整、不断达到新的平衡的过程。由于电流和物重成正比,因此,测出电流亦知物重。

2 机械系统设计

机械装置起固定与导向的作用,要确保其导向精准。摩擦力要尽可能小,以提高测量精度。机械结构如图 2所示。

图2 机械结构Fig.2 M echan ical structure

机械部分主要包括底盘外壳、横梁支点架、横梁、支架、永久磁铁装置、位置传感器等。其中,底盘外壳用来稳定整个测量装置,横梁支点架支撑横梁,横梁被支点架分为左右两部分,支架用来接触被测物体,永久磁铁装置用来产生电磁力,位置传感器用来检测横梁的位置。这种结构易于实现客户要求去除支架初重的功能。传感器测量范围为 0～200 g。在衡梁处加一个 2 000 g配重砝码后可实现 2 000～2 200 g的测量范围。

当有被测物在支架上时,测量开始,此时杠杆的一端已出现向下的位移,横梁位置传感器即可检测到这个信号,进而通过电子线路部分产生相应的电流输送至线圈,使永久磁铁装置产生恰当的电磁力来恢复杠杆平衡。

3 系统硬件设计

基于高精度质量检测系统功能的要求,设计选用飞利浦公司基于ARM7内核的LPC2114处理器,其系统硬件如图 3所示。

图3 主电路板结构Fig.3 Ma in circuit board structure

检测信号处理电路是关键电路,根据光电检测原理设计了如图4所示的光电检测部分的电路。进一步利用差分放大器将这个电信号与最大光照时的电压信号V0相比较。若有重物则输出一个不为零的电压信号,单片机依据此信号对电磁线圈进行控制,使电磁力增大或减小,直到横梁恢复平衡,此时差分放大器输出为零,单片机依据此信号将不再改变电磁线圈中的电流,利用软件实现物品质量显示。调节差分放大器的放大倍数,可以得到适合A/D转换器的输入信号。

电路使用了两套型号相同的发光二极管和光敏三极管,当光强最大时,光敏三极管输出近似 10 mA的电流,经过采样电阻 (R=3.3Ω)后得采样电压33mV。其中一套配合的发光二极管和光敏三极管中间隔着带小孔的遮光板,小孔用来定位,光敏三极管输出的电压Vi用作输入运算放大器的一端。另外一套配合的发光二极管和光敏三极管用来输出比较电压V0=3.3V,输入运算放大器的另一端,从而构成了一个放大电路。运算放大器的输出电压为

为了消除偏置电流引起的误差,要求运算放大器两输入端的外电路其总电阻必须平衡,即

图4 光电检测电路Fig.4 Optical detection circuit

该设计基于ARM7处理器LPC2114,其微处理器主频使用 25MHz常用稳定晶振;片内集成 128 kB Flash[2]。在硬件实现方案上充分考虑到系统的可扩展性和电路板布局的灵活性,采用了拔插式的电路板设计。其他各外部功能处理模块,包括D/A转换接口、传感器接口,通用 I/O接口、液晶屏接口、串口UART0等均采用可插拔扩展接口的形式来实现其模块功能,A/D转换采用ARM单片机自带的10位A/D转换器(由于机械部分可以调整带孔遮光板的最大位移量,放大器最大输出电压实际会小于允许电压3.3V),节约成本。考虑到检测的高速、高精度的性能要求,通过对各种 D/A转换芯片进行比较,选择AD公司生产的12位D/A转换器DAC1208作为系统的D/A转换芯片[3]。微处理器将处理后的数字信号换算成质量后实时在显示屏上显示出来或者通过接口传递给 PC机和其他的控制单元。

4 系统软件设计

系统单片机软件采用模块化结构设计,根据系统的功能,软件设有主程序模块、模数转换模块、电流控制算法模块、数模转换模块、显示子程序模块和串行通信子程序模块。该软件完成的任务是:通过单片机内置A/D对横梁位置采集数据,若此值大于零,则单片机控制线圈使电流增大,若通过控制,使横梁位置过零点为负值或为零,此时电流过大,单片机控制线圈使电流减小,当再次过零点时,电流增加。整个系统一直处于一个动态平衡关系中,当电流变化在一个固定的范围内,可认为已经平衡。由于单片机的输出信号和物重建立了对应的线性关系,通过温度等误差修正后显示出来[4]。主程序模块流程如图5所示。

图5 主程序模块流程Fig.5 Ma in program module flow

事实上,由于存在摩擦力,温度影响,磁力线分布不均等因素,实际质量曲线不完全与电流成正比[5],因此,计量部分采用分段直线拟合法显示。在仪器校准时选择 10点将整个量程区域分成 9段。每点电流值分别用I0,I1,…,I9表示,对应的质量M分别用M0,M1,…,M9表示,当显示质量的时候,先判断电流大小所在位置,例如判断电流在区段 5,则显示值为M=I×(M5-M4)/(I5-I4)。

5 结束语

随着电子元件集成化的迅速发展,微处理器在检测技术上体现出越来越多的优势,得到日益广泛的应用。以ARM7微处理器为核心的电磁平衡传感器系统,在测量数据的准确性和快速性以及控制方面有了很大的提高,同时减少和修正了许多环境和人为的误差因素。整个系统体积小、精度高、准确可靠、操作简单,可满足各种产品质量检测的需求和生产企业的实际需要。尤其在对微小质量变化量的测量中具有广泛的应用前景。

[1] 滕召胜.电磁力平衡传感器的温度影响及其补偿[J].传感器技术,1998,17(2):28-30.

[2] 周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[3] 万福君,潘松峰.单片微机原理系统设计与应用[M].第 2版.合肥:中国科学技术大学出版社,2003.

[4] 周立功.ARM嵌入式系统实验教程(二)[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[5] 陆青丽,郑崇苏.基于 RBF神经网络对电磁力平衡传感器测量精度的研究[J].2007,(1):107-108.

ARM-based electromagnetic balance sensor system design

L IU Lei,HU Yi
(School of Instrumentation&Opto-electronics Engineering,HefeiUniversity of Technology,Hefei 230009,China)

High-speed precision quality testing technology is one of effective ways to improve productivity and the degree of automation.This paper is devoted to the study on working principle and implementation method based on ARM7 MCU electromagnetic balance sensor system,including system design ideas,design principles,mechanical design,circuit hardware components and software processes.The system gives the electromagnetic balance sensor the function of initialweight removal,high accuracy and rapid response.The system consisting of electromagnetic force feedback system as a whole zero-law principle of balance and single-chip microprocessor for real-time control and data processing allows highspeed,digital,and intelligent inspection of quality and is up to quality control of a variety of products.

electromagnetic balance sensor;microcomputer;quality test

TP212

A

1671-0118(2010)02-0146-04

2010-01-12

刘 雷(1980-),男,安徽省界首人,硕士,研究方向:质量检测,E-mail:liuliu20031@126.com。

(编辑徐 岩)