Абанин В.А., Попов В.И., Сыпин Е.В.
В настоящее время широкое распространение в быту и на производстве получили рычажные, пружинные весы. Недостатки таких весов: низкая точность и быстродействие, неудобство считывания результатов измерений, отсутствие возможности обработки результатов измерений и оперативного предоставления в требуемой форме (таблиц, графиков и т.п.). Перспективное направление развития весоизмерительной техники связано с потенциальными возможностями обеспечения высокоточных измерений с помощью тензодатчиков силы и микропроцессорной техники.
Разрабатываемые цифровые тензометрические весы (бытовые с измерением нагрузки до 10 кг, напольные с нагрузкой до 150 кг) состоят из двух основных частей: грузоприемной платформы с тензодатчиками и микропроцессорного устройства (МПУ). В качестве тензодатчиков могут быть использованы как серийно выпускаемые датчики класса точности 0.05..0.15, так и специально разработанные датчики, например, удобные для применения в малогабаритных бытовых весах. Обобщенная схема цифровых тензометрических весов представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема ЦТВ
МПУ используется для усиления сигналов датчиков, преобразования в цифровой код, опроса измерительных каналов, обработки результатов измерений. МПУ позволяет опрашивать до 7 измерительных каналов, проводить линеаризацию градуировочных характеристик датчиков и суммирование результатов нескольких измерений. Характеристики МПУ совместимы с выпускаемыми промышленностью тензодатчиками. Эксплуатационные возможности цифровых тензометрических весов значительно расширяются c объединением с персональным компьютером. Это позволит, например, вести непрерывное слежение за изменением массы в течение длительного периода времени в тех или иных процессах, с регистрацией в заданные моменты времени. Получаемые данные предоставляется отображать в виде графиков или таблиц изменения массы.
Микропроцессорное устройство (МПУ), представленное на рис.1, состоит из следующих основных блоков: усилитель аналогового сигнала, АЦП, схемы дешифрации, микропроцессора, блока регистров. Усилитель используется для усиления низковольтного сигнала от датчика до уровня сигнала, который может преобразовать АЦП. АЦП дискретизирует выходные сигналы датчиков силы. АЦП выполнен на микросхеме MAX118CPI. Достоинства микросхемы: цифровой интерфейс совместимый с микропроцессором, возможность опроса до 7 аналоговых каналов с частотой 1.23MHz, время перевода в дискретную форму (660 ns), низкое энергопотребление 40 mW в рабочем режиме и 5 mW в режиме отключения. После перевода в цифровую форму данные выдаются на 8 разрядную шину данных.
В МПУ используется микропроцессор AT89C51. Выбор этого типа микропроцессора обусловлен тем, что однокристальные микро-ЭВМ семейства АТ89 программно и аппаратно совместимы с микроконтроллерами семейства MCS51 фирмы Intel и отечественными микроконтроллерами серий 1816/51 и 1830/51. Они отличаются использованием в них в качестве внутренней постоянной памяти репрограммируемого запоминающего устройства с электрическим стиранием записи (Flash memory), что существенно упрощает процедуру репрограммирования, позволяет выполнять запись кодов в постоянную память после установки микроконтроллера в аппаратуре и снижает стоимость микросхемы по сравнению с микроконтроллерами со стиранием памяти ультрафиолетовым облучением. В МПУ используется блок регистров, поэтому применена схема дешифрации. Она выдает разрешающий сигнал одной или другой микросхеме на выдачу данных, приходящих по одной шине. Схема собрана на микросхеме К555ИД4, которая позволяет обслуживать два регистра. Блок регистров, используется для временного хранения информации, поступаемой от микропроцессора, и последующей выдачей ее на семи сегментные индикаторы.
После подачи напряжения питания на схему, происходит инициализация микропроцессора, проверяется работоспособность всех устройств, входящих в МПУ. Обращение микропроцессора к АЦП производится путем посылки адреса аналогового канала. После этого начинается преобразование аналогового сигнала в дискретный сигнал. Во время преобразования микропроцессор находится в режиме ожидания конца преобразования. После появления сигнала от АЦП, подтверждающего окончание преобразования, данные считываются во внутренние регистры микропроцессора. Далее микропроцессор производит обработку данных: линеаризацию, учитывает температурную погрешность, переводит значение напряжения в значение массы, которое затем в двоичнодесятичном виде передается в блок регистров, из которых, затем выводится полученное значение на семи сегментные индикаторы.
Для бытовых весов в качестве датчика используется стальное кольцо, изготовленное из стали 30ХГН3МА и закаленное до 30 HRC. На внутреннюю и внешнюю стороны кольца наклеиваются тензорезисторы сопротивлением 400 , соединенные в мостовую схему. Кольцо верхней стороной крепится к крепежному устройству, а к нижней стороне крепится, в простейшем случае крюк, на который помещается груз. Крепежное устройство позволяет, при небольших отклонениях от вертикального положения корпуса самих весов, выровнять датчик в вертикальное положение, тем самым уменьшить погрешность измерений. В напольных весах предполагается использовать серийно выпускаемые тензодатчики силы.
Основные результаты проделанной работы сводятся к следующему:
- Проведен выбор общей структурной схемы весов.
- Для преобразования сигналов тензодатчиков силы и обработки результатов, разработана схема микропроцессорного устройства. Произведен монтаж, идет процесс наладки.
- Для бытовых весов разрабатывается миниатюрный специальный тензометрический датчик, адаптированная для датчика система крепления в корпусе.
В перспективе планируется провести:
- После разработки датчика для бытовых цифровых тензометрических весов, исследовать его метрологические характеристики. Изготовить макет весов, провести метрологические испытания весов.
- Изготовить макет напольных весов, провести комплексную отладку и метрологические испытания.
- Разработать интерфейс цифровых тензометрических весов для связи с IBM-совместимыми персональными компьютерами с необходимым программным обеспечением.
