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本文提供了為解決黏性塊狀食品在動(dòng)態(tài)定量稱重計(jì)量系統(tǒng)中遇到的黏結(jié)問題，以及在稱重計(jì)量中速度與精度的矛盾問題，分別對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路系統(tǒng)和軟件算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)和方法研究。機(jī)械結(jié)構(gòu)采用雙管螺旋喂料機(jī)和特殊的稱斗結(jié)構(gòu)；電路采用數(shù)字可編程的AD8555作為稱重傳感器微弱電信號(hào)的放大器，32位微處理器LPC2134作為電路系統(tǒng)核心；程序設(shè)計(jì)采用分階段稱重計(jì)量、FIR軟件濾波以及微分算法，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送命令，從而提高黏性食品的稱重精度和速度。
在自動(dòng)稱重計(jì)量領(lǐng)域中，黏性產(chǎn)品一直被認(rèn)為是“難以稱量”的，因?yàn)檫@些產(chǎn)品容易黏結(jié)成塊，這樣就約束了黏性產(chǎn)品的生產(chǎn)速度。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，定量稱重裝置已廣泛應(yīng)用于食品、飼料及化工等行業(yè)。食品稱重計(jì)量包裝是食品工業(yè)的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，食品稱重計(jì)量包裝的準(zhǔn)確與否將直接影響到企業(yè)的信譽(yù)和經(jīng)濟(jì)效益。過去采用機(jī)械稱量、人工裝袋，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、稱量精度差。近幾年，也開始采用電子稱量裝置使其靜態(tài)稱量精度大大地提高，但在食品加工連續(xù)生產(chǎn)過程中，其動(dòng)態(tài)精度仍不篚保證，特別是黏性食品，例如蘿卜干、筍干等，在其動(dòng)態(tài)進(jìn)料過程中出現(xiàn)黏結(jié)成塊，嚴(yán)重影響稱重的精度。因此，在快速自動(dòng)稱量中如何提高動(dòng)態(tài)稱量精度，一直是黏性食品加工企業(yè)急需解決的難題…。
電子定量稱重過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，而要準(zhǔn)確計(jì)量物料的質(zhì)量使其盡量接近標(biāo)準(zhǔn)籃，就需要使動(dòng)態(tài)過程向靜態(tài)穩(wěn)定趨近。為此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，從電氣控制及機(jī)械結(jié)構(gòu)方面都將計(jì)量過程分為2個(gè)階段：粗喂料階段和細(xì)喂料階段。前者保證稱重計(jì)量的速度，后者保證稱重的精度。但這樣可能產(chǎn)生2個(gè)問題：一是保證計(jì)量精度但稱重速度不夠快；二是有較高的稱量速度但計(jì)量精度不易保證舊。同時(shí)，在連續(xù)進(jìn)料過程中，黏性食品會(huì)在喂料中出現(xiàn)黏結(jié)，在租喂料中，結(jié)塊可以忽略，而在細(xì)喂料階段就會(huì)影響最后稱重的精度。這3個(gè)問題使黏性食品生產(chǎn)企業(yè)為提高生產(chǎn)效率而進(jìn)行快速、連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，稱量精度很難保證。針對(duì)這3個(gè)問題，采用ARM7微處理器為動(dòng)態(tài)稱重計(jì)量系統(tǒng)的核心，在硬件和軟件方面設(shè)計(jì)研究一些措施和動(dòng)態(tài)計(jì)量方法，來解決黏性食品在動(dòng)態(tài)計(jì)量中遇到的黏結(jié)問題。以及在稱量中速度和精度的矛盾，實(shí)現(xiàn)黏性食品連續(xù)生產(chǎn)稱重，保證食品計(jì)量中的精度。
1，稱重計(jì)量系統(tǒng)工作原理
用稱量傳感器、變送器、濾波電路及A／D轉(zhuǎn)換電路和ARM7微處理器組成測(cè)控系統(tǒng)來完成食品的稱重計(jì)量，工作原理如圖1所示。該系統(tǒng)以微處理器LPC2134為核心，配以稱重傳感器、重量變送器、A／D轉(zhuǎn)換器以及各種電動(dòng)執(zhí)行器和喂料機(jī)等機(jī)械裝置，實(shí)現(xiàn)黏性食品的動(dòng)態(tài)在線稱重計(jì)量工作。
系統(tǒng)稱重的過程
系統(tǒng)稱重的過程描述為：將要稱重的黏性食品送人喂料裝置一可控地喂料一動(dòng)態(tài)定量稱重測(cè)量。在稱斗的上方是成品倉，該倉中的原料是來自送料機(jī)構(gòu)送來的黏性塊狀食品。成品倉下是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺旋進(jìn)料裝置，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，則該成品倉中的黏性塊狀食品就隨著傳輸絞籠的旋轉(zhuǎn)而進(jìn)入稱斗中稱量，在落料到稱斗前，黏性食品經(jīng)過雙行星攪拌裝置攪拌，減少黏連。稱斗上裝有梁式應(yīng)變式拉力傳感器，稱斗的重量信號(hào)直接由該傳感器轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，經(jīng)放大器把該電壓信號(hào)放大后送人單片機(jī)再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)達(dá)到預(yù)定值時(shí)，單片微機(jī)控制電機(jī)停止下料，然后單片機(jī)控制電機(jī)開稱斗門，并控制傳送裝置將其送出到下一個(gè)包裝環(huán)節(jié)。這樣，就完成了食品稱量的自動(dòng)化過程。
2，機(jī)械結(jié)構(gòu)
影響動(dòng)態(tài)稱重精度的一大因素是被稱物料的比重、流量和落差的大小¨1。因此，改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，借鑒靜態(tài)稱量精度高的特點(diǎn)來提高動(dòng)態(tài)計(jì)量精度。針對(duì)前面提到的3個(gè)問題，即速度與精度的矛盾以及黏性食品在喂料中的黏結(jié)問題，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備。
2．1，喂料機(jī)構(gòu)
喂料裝置采用的雙管螺旋自動(dòng)喂料機(jī)是通過螺旋體轉(zhuǎn)動(dòng)而推移物料，以達(dá)到一定距離喂料的目的，主要由2個(gè)傳輸管、2個(gè)電機(jī)、減速裝置、傳動(dòng)齒輪、進(jìn)料機(jī)體、螺旋外殼、出料機(jī)體、迸料調(diào)節(jié)裝置以及葉片等部分組成。工作時(shí)，由電機(jī)帶動(dòng)減速器和螺旋進(jìn)料裝置，物料由進(jìn)料1：1進(jìn)入本機(jī)，被均勻連續(xù)地送到出料口，進(jìn)入下一設(shè)備。兩個(gè)管一大一小，這樣在粗進(jìn)料階段，大小管同時(shí)快速進(jìn)料，提高進(jìn)料速度。當(dāng)下料達(dá)到一定重量，臨近達(dá)到額定值的時(shí)候，停止大管進(jìn)料，并且逐漸減慢小管的進(jìn)料速度，保證進(jìn)料精度，以此來解決生產(chǎn)進(jìn)料速度與稱重計(jì)量精度的矛盾。同時(shí)要注意，在不影響落料的情況下，與稱重傳感器相連的稱斗，距離傳送裝置出料口要盡可能的近，這樣可以降低出料口和稱斗之間的落差，從而減小對(duì)稱重傳感器的沖擊，減小稱重值的波動(dòng)。
2．2，機(jī)械攪拌機(jī)構(gòu)
機(jī)械攪拌機(jī)構(gòu)，采用雙行星攪拌結(jié)構(gòu)，它包括：減速電機(jī)、封蓋、行星架和攪拌器。將攪拌機(jī)構(gòu)安裝在喂料機(jī)出料口，當(dāng)行星架轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)箱內(nèi)的三根攪拌、分散軸圍繞料桶軸線公轉(zhuǎn)，從而使物料受到充分的攪拌，是黏結(jié)食品塊達(dá)到分散的目的。
2．3，稱斗
試驗(yàn)中稱斗采用長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，通過稱重傳感器固定在支架上，稱斗底部為活動(dòng)門，通過活動(dòng)杠桿與電機(jī)相連。當(dāng)食品下料達(dá)到額定值時(shí)，微處理器通過繼電器控制電機(jī)將活動(dòng)門打開，稱得的食品被甩出到下一個(gè)包裝工序。但是由于黏性食品存在黏結(jié)問題，所以可能導(dǎo)致黏結(jié)在稱斗底部的食品不能徹底被甩出，導(dǎo)致到下一道工序包裝的食品不足額定值，影響食品包裝值的準(zhǔn)確性。稱斗采用錐體結(jié)構(gòu)。41，上大下小，三側(cè)為平面，一側(cè)為弧面。這樣可以方便黏性食品從上面漏斗口進(jìn)入，也可以減小底部的大小，避免落料時(shí)的散落。稱斗的一個(gè)側(cè)面安裝稱重傳感器，稱重傳感器固定在安裝架上，傳感器安裝在稱斗和支架之間，安裝重量傳感器時(shí)應(yīng)設(shè)法確保重量傳感器能垂直受力。將弧形托盤安裝在稱重傳感器的兩個(gè)側(cè)面，并且安裝推桿，推桿另一側(cè)安裝在電機(jī)上，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，推桿推動(dòng)托盤翹起。稱斗的外側(cè)設(shè)計(jì)成圓弧形，與托盤的弧形吻合，這樣在推桿推動(dòng)的時(shí)候，托盤會(huì)滑到稱斗外側(cè)；同時(shí)稱斗的外側(cè)鐵皮起了鏟門的作用，將稱得的定量食品徹底從托盤上鏟到下一個(gè)設(shè)備。由于機(jī)械器件的摩擦和應(yīng)力，在稱斗外側(cè)加一層橡膠材料，起到保護(hù)稱斗托盤的作用。
3，提高動(dòng)態(tài)稱重精度的硬件電路設(shè)計(jì)
稱重系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)包括稱重傳感器信號(hào)采集電路、信號(hào)放大電路、濾波電路、ILID轉(zhuǎn)換電路以及微處理器電路等。
3．1 ，稱重傳感器工作原理及誤差消除措施
稱重傳感器足一種能夠?qū)⒅亓D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的力一電轉(zhuǎn)換裝置。電阻應(yīng)變式稱重傳感器主要是由彈性體、電阻應(yīng)變片和補(bǔ)償電路組成。在沒有受力的情況下，電橋的4個(gè)電阻的阻值是相等的，電橋輸出為零。在彈性體受力發(fā)生變形時(shí)，電阻應(yīng)變片也跟著一道變形。這樣就導(dǎo)致電橋的兩端產(chǎn)生了電壓差，這個(gè)電壓差與彈性體受力的大小成正比。檢測(cè)這個(gè)電壓差，就可以得到傳感器所受重力的大小，這個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)過儀表檢測(cè)然后計(jì)算，就可以得到相應(yīng)的重量值。稱重傳感器的誤差主要是由非線性誤差、滯后誤差、重復(fù)性誤差、蠕變、零點(diǎn)溫度附加誤差以及額定輸出溫度附加誤差等引起的”1。選用性能良好的稱重傳感器是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)良好的稱重傳感器內(nèi)部有相應(yīng)的補(bǔ)償電路。傳感器輸出信號(hào)的穩(wěn)定性除決定傳感器本身的性能外，還與供電電源和傳感器的安裝有密切關(guān)系。為了提高傳感器供橋電源的穩(wěn)定性采用二次穩(wěn)壓，并對(duì)元器件進(jìn)行老化測(cè)試后進(jìn)行選配，選擇時(shí)漂小的元器件，通過調(diào)節(jié)其工作電流使其工作在接近零溫度系數(shù)下，提高整個(gè)傳感器電源的溫度穩(wěn)定性。
3．2，放大器電路
影響稱重精度的另一個(gè)來源是放大器，以前主要采用模擬運(yùn)算放大器，使傳感器信號(hào)滿足A／D轉(zhuǎn)換要求并達(dá)到一致的通常方法是通過電位器對(duì)各路放大器進(jìn)行大量反復(fù)的調(diào)整，然后將其相應(yīng)增益確定下來。這種方法既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。
我們采用數(shù)字可編程放大器AD8555作為稱重傳感器微弱電信號(hào)的變送器，AD8555是ADI推出的一款增益及輸出失調(diào)、可數(shù)字編程的零漂移橋式傳感放大器，特別適合于測(cè)量系統(tǒng)的前向通道，對(duì)各種傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。
通過對(duì)AD8555編程，設(shè)定放大倍數(shù)，使輸出信號(hào)滿足A／D轉(zhuǎn)換要求，這樣電路設(shè)計(jì)和調(diào)整大大簡(jiǎn)化。因?yàn)樗脑鲆嬖O(shè)定和調(diào)整、失調(diào)設(shè)定和調(diào)整、輸出電壓箝位等功能均可全部Jfj軟件分別單獨(dú)實(shí)現(xiàn)。并且AD8555不僅能夠用來補(bǔ)償橋式傳感器的失調(diào)和增益誤差，而且可提供傳感器故障指示，這給電路的調(diào)整測(cè)試帶來極大的方便。另外，AD8555對(duì)電容性負(fù)載具有很大驅(qū)動(dòng)能力，可以靈活地靠近儀表傳感器放置，也可遠(yuǎn)離信號(hào)調(diào)理電路。AD8555是具有可設(shè)置增益、輸出失調(diào)、故障檢測(cè)、輸出箝位和低通濾波器等功能的零漂移稱重儀表用放大器，能簡(jiǎn)化多點(diǎn)、多參量檢測(cè)系統(tǒng)的前向通道設(shè)計(jì)與調(diào)整，提供完整的從傳感器到ADE的信號(hào)調(diào)理路徑。
3．3，其他電路
硬件濾波電路采用八階低通貝賽爾開關(guān)電容濾波器NAX7401芯片，對(duì)被放大的信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除干擾信號(hào)。A／D轉(zhuǎn)換器選用ADS8321，ADS8321為16位串行A／D轉(zhuǎn)化器，最大轉(zhuǎn)換頻率100 kHz，最大功耗4．5 mw，是r11公司的16位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它的采樣速率為100 kbps，具有串行(SPI／SSI)接KI。微處理器采用ARM7芯片LPC2134，它是一款32位的微處理器芯片，32位CPU處理速度較快、性能優(yōu)良，適合于對(duì)運(yùn)算速度以及運(yùn)算量有較高要求的場(chǎng)合。處理器通過SPI總線與ADS8321連接。

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