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0 引言

近年來, 人們對水果品質(zhì)的要求不斷提高, 同時為了提高水果的商業(yè)價值, 擴(kuò)大鮮果出口, 對水果進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量分級就變得尤為重要。而人工分級生產(chǎn)率低且分選精度不穩(wěn)定, 實現(xiàn)水果的機(jī)械化、自動化分選作業(yè)勢在必行。

目前, 國內(nèi)外學(xué)者在利用機(jī)器視覺技術(shù)對水果外部品質(zhì)檢測方面進(jìn)行了大量的研究, 取得了重大進(jìn)展?，F(xiàn)已能夠利用機(jī)器視覺技術(shù)實時檢測水果的大小、顏色、表面缺陷狀況和果形等品質(zhì), 且效果令人滿意。在水果質(zhì)量分選方面, 國外研究比較成熟, 能夠比較準(zhǔn)確地檢測動態(tài)水果的質(zhì)量, 而國內(nèi)在此方面研究的還較少。

多數(shù)情況下, 水果按外觀品質(zhì)要求分選完成后, 在包裝上市之前還要求給出其質(zhì)量值, 而目前的水果分選機(jī)大多側(cè)重于機(jī)器視覺或質(zhì)量單一方面的研究。為此, 擬在水果機(jī)器視覺分選機(jī)上安裝一個稱重模塊, 使得分選機(jī)能實時檢測水果的外觀品質(zhì)和質(zhì)量, 并將水果質(zhì)量信息與外觀品質(zhì)評定結(jié)果實時融合得出最終分選等級。本文基于AD7195芯片, 設(shè)計出了稱重模塊的調(diào)理電路。它主要實現(xiàn)橋式應(yīng)變稱重傳感器信號的放大、AD轉(zhuǎn)換、傳感器的毫伏級信號與質(zhì)量之間的線性轉(zhuǎn)換以及質(zhì)量信號的輸出和處理。

1 調(diào)理電路概述

設(shè)計的調(diào)理電路主要有放大器、AD轉(zhuǎn)換器、濾波器和微控制器等組成, 如圖1所示。稱重傳感器輸出的信號經(jīng)放大電路放大、AD轉(zhuǎn)換和濾波電路濾波后傳給微處理器, 然后由微處理器對信號進(jìn)行處理。

圖1 高精度稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖   下載原圖

由于傳感器動態(tài)特性中不可避免地存在非線性的成分, 因此本設(shè)計中微處理器利用特定的數(shù)學(xué)模型和數(shù)字處理技術(shù)對傳感器的信號進(jìn)行軟件修正和補(bǔ)償, 然后轉(zhuǎn)換為質(zhì)量信號并輸出, 從而提高了測量結(jié)果的精度和線性度。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

本設(shè)計中, 電路實現(xiàn)的功能雖然簡單, 但由于多種噪聲的影響, 對于一般滿量程輸出為20mV的傳感器, 要達(dá)到0.15μV/20mV的精度, 還是十分困難的。激勵源、參考源性能以及熱偶電壓、溫漂、噪聲等因素都影響了精度的提高。經(jīng)反復(fù)對比, 設(shè)計的調(diào)理電路采用比率測量方法克服激勵源、參考源性能對測量精度的影響, 用交流激勵抑制熱偶電壓、溫漂、噪聲等因素的影響, 并針對應(yīng)變式稱重傳感器本身的特點, 采用線性插值方法建立AD轉(zhuǎn)換輸出值與質(zhì)量值之間的對應(yīng)關(guān)系, 且采用三次多項式最小二乘擬合對數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償, 以提高測量結(jié)果的線性度和重復(fù)精度。

2.1 比率測量

A/D 的精度與基準(zhǔn)源及電源密切相關(guān), 而在電源類芯片中, 以參考源類芯片的精度和熱穩(wěn)定性最好。然而一個性能相當(dāng)好的電源芯片, 以ADI公司參考源芯片AD780為例, 這是一個性能相當(dāng)好的電源芯片, 它的精度為2.5V±1mV (max) , 溫漂為3×10-6/℃ (max) , 也就是說它本身的精度也只有0.04% 。假設(shè)環(huán)境溫度變化50℃, 則溫漂將達(dá)到0.015%, 無法達(dá)到系統(tǒng)精度要求 (0.15μV/20mV) 。

所謂比率測量, 就是A/D芯片的參考源和激勵源電壓由同一電源芯片所提供, 圖2所示為比率測量方法的原理。

圖2 比率測量原理   下載原圖

比率測量中, A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓Uref采用供橋電壓 (供給應(yīng)變電橋傳感器的激勵電源電壓) 分壓得到, 即供橋電壓UDD與基準(zhǔn)電壓Uref成比例關(guān)系。則

Uref=A'UDD (1)

其中, A′為分壓比。

傳感器的輸出信號電壓UO為

Uo=βFUb (2)

其中, β為傳感器的靈敏度;F為傳感器上所受重力的相對值。

A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓平均值Ui為

Ui=AUo (3)

其中, A為前置放大器的放大倍數(shù)。

AD轉(zhuǎn)換器的輸出值N為

N=UiUrefN1${\rm N}=\frac{U{}_i}{U{}_{ref}}{\rm N}{}_1$ (4)

其中, N1為時間常數(shù)。

根據(jù)式 (1) ～式 (4) , 求得

N=AβN1A′F${\rm N}=\frac{A\beta {\rm N}{}_1}{A{}^{\prime }}F$ (5)

其中, A, β, N1, A′都是常數(shù)。

由式 (5) 可知, 采用比率電壓測量技術(shù)后, AD轉(zhuǎn)換器的輸出值N只是被稱質(zhì)量F的函數(shù), 與供橋電壓UDD無關(guān)。這樣就消除了由于供橋電壓的不穩(wěn)定而產(chǎn)生的計量誤差, 從而在很大程度上提高了測量結(jié)果的精度。

2.2 激勵方式

應(yīng)變電橋式稱重傳感器屬于無源傳感器, 需要外加直流或交流激勵。直流激勵的優(yōu)點是實施簡單、成本低, 其缺點是由失調(diào)和寄生信號感生的熱偶效應(yīng)產(chǎn)生的直流誤差信號混雜在實際信號中, 它們將以不可預(yù)測的方式改變。雖然交流激勵方法實施起來成本高, 但可大大提高稱量的精度。

要達(dá)到0.15μV/20mV的精度, 則系統(tǒng)中的失調(diào)電壓之和必須至少小于0.15μV, 但系統(tǒng)中不可避免存在某些失調(diào)誤差源, 再加上溫漂、噪聲干擾的影響, 混在在實際信號中的誤差電壓大大超過了系統(tǒng)設(shè)計要求的最小分辨電壓的大小。

圖3所示是一般電橋激勵中選用的直流激勵方法。假設(shè)EOS是所有失調(diào)電壓之和, 則傳感器的輸出電壓為UOUT=UA+EOS。圖4為采用交流激勵時正向激勵和反向激勵的電橋電壓輸出情況。正向激勵時UOUT=UA+EOS, 反向激勵時UOUT=UA-EOS, 則失調(diào)電壓之和EOS在2次測量中被消去。因此, 通過交流激勵, 可以有效抑制系統(tǒng)中與被測信號相串聯(lián)的失調(diào)電壓的干擾。

圖3 直流激勵   下載原圖

圖4 交流激勵   下載原圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

本設(shè)計的標(biāo)度轉(zhuǎn)換是線性轉(zhuǎn)換, 轉(zhuǎn)換公式可寫為

Y= (Y1-Y0) × (X-N0) / (N1-N0) +Y0

其中, Y為參數(shù)測量值;Y1為參數(shù)量程終點值;Y0為參數(shù)量程起始值;X為測量值所對應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出值;N1為量程終點所對應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換值;N0為量程起點對應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換值。

以上的Y0, Y1, N0, N1對于某一固定的被測量參數(shù)來說是常數(shù), 對于不同的被測參數(shù)它們有不同的值。本設(shè)計是基于單片機(jī)的測量系統(tǒng), 因此可以隨被測對象的不同用軟件的方法來進(jìn)行不同的標(biāo)度轉(zhuǎn)換, 這就使得它具有很好的可移植性和通用性。

由于傳感器動態(tài)特性中不可避免地存在非線性的成分, 因此應(yīng)對輸出信號進(jìn)行非線性補(bǔ)償。實驗分析表明, 三階多項式最小二乘曲線擬合能得到很好的效果, 因此本系統(tǒng)選用此法對數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。

3 電路的硬件實現(xiàn)

該電路的5V電源由ADP3303低噪聲調(diào)節(jié)器產(chǎn)生;微控制器選用成本較低的8位單片機(jī)AT89s52;AD芯片選用ADI公司生產(chǎn)的AD7195芯片。

ADP3303屬于ADP330x系列精密低壓差anyCAP穩(wěn)壓器, 采用新穎的架構(gòu)、改良的工藝和新封裝, 與傳統(tǒng)低壓差線性穩(wěn)壓器相比性能更出色。它采用專利設(shè)計, 僅需一個0.47μF輸出電容便可保持穩(wěn)定。這款器件使用任何電容均可穩(wěn)定工作, 與電容的ESR (等效串聯(lián)電阻) 值無關(guān), 包括適合空間受限應(yīng)用的陶瓷型 (MLCC) 電容。ADP3303在室溫條件下可以達(dá)到±0.8%的出色精度, 溫度、線路和負(fù)載調(diào)節(jié)的整體精度為±1.4%。200mA時, 其壓差僅180mV (典型值) 。除了全新的架構(gòu)和工藝之外, ADI公司的新式專有散熱增強(qiáng)型封裝, 可以處理1W功耗。 ADP3303具有較寬的輸入電壓范圍 (3.2～12V) , 并提供200mA以上的負(fù)載電流。該器件具有一個錯誤標(biāo)志, 當(dāng)該器件即將產(chǎn)生失調(diào)時, 或者短路、熱過載保護(hù)激活時, 該錯誤標(biāo)志會顯示相關(guān)信息。

AD7195是一款適合高精密測量應(yīng)用的低噪聲完整模擬前端。它集成一個低噪聲、24位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 。片內(nèi)可編程低噪聲增益前端意味著可直接輸入小信號, 內(nèi)置交流激勵用于消除橋式傳感器中的直流感應(yīng)偏置。這款芯片可配置為兩路差分輸入或四路偽差分輸入, 片內(nèi)4.92MHz時鐘可以用作ADC的時鐘源, 也可以使用外部時鐘或晶振。AD7195具有自校準(zhǔn)、系統(tǒng)校準(zhǔn)和背景校準(zhǔn)功能, 可以消除零點誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響。它的輸出數(shù)據(jù)速率可在4.7Hz～4.8kHz范圍內(nèi)變化, 且具有零延遲特性。

AD7195 的輸入信號加至專有的基于模擬調(diào)制器、具有可編程增益的前端, 調(diào)制器的輸出由片內(nèi)數(shù)字濾波器處理, 并且通過片內(nèi)控制寄存器可對此數(shù)字濾波器編程, 允許選擇濾波器的截止頻率和穩(wěn)定時間;但濾波器的選擇會影響以編程輸出數(shù)據(jù)速率工作時的均方根噪聲和無噪聲分辨率。

前端數(shù)據(jù)采集電路如圖5所示。質(zhì)量信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出, AD7195芯片得到信號后經(jīng)過放大、濾波, 然后將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出到AT89s52單片機(jī)。單片機(jī)對采集到的信號進(jìn)行補(bǔ)償, 轉(zhuǎn)換為質(zhì)量, 然后可通過LED顯示或者通過串口連接到PC機(jī)上進(jìn)行存儲或進(jìn)一步的分析處理。

圖5 前向數(shù)據(jù)采集電路圖   下載原圖

4 實驗與結(jié)果

設(shè)計的調(diào)理電路中, AD7195采用5 V基準(zhǔn)電壓, 增益設(shè)置為128且器件配置為雙極性工作模式。稱重傳感器的滿量程輸出為20 mV, 一階濾波器陷波設(shè)置值為4.7Hz, 此時AD7195的均方根噪聲為6 nV, 峰值噪聲為40 nV。此時, 理論無噪聲采樣數(shù)為

n=20mV40nV=500?000$n=\frac{20\text{m}\text{V}}{40\text{n}\text{V}}=500\text{?}000$ (6)

如果選用的稱重傳感器滿量程為1 000g, 則理論上水果分選機(jī)稱重模塊可以達(dá)到的分辨力為

1?000500?000=0.002$\frac{1\text{?}000}{500\text{?}000}=0.002$g (7)

在實際操作中, 稱重傳感器本身會引入一定的噪聲。AD7195的漂移也會導(dǎo)致輸出結(jié)果產(chǎn)生一定的時間和溫度漂移。為驗證調(diào)理電路的精度, 把調(diào)理電路接上量程1 000g, 滿量程輸出為20mV的稱重傳感器。分別選擇0.5, 1, 10, 100, 500g的5個砝碼, 對每個砝碼進(jìn)行8次測量, 測量結(jié)果如表1所示。

表1 實驗測量結(jié)果 g 導(dǎo)出到EXCEL

測量結(jié)果表明, 系統(tǒng)的精度達(dá)到0.02, 重復(fù)性為0.011。同時, 對8組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合, 得到非線性誤差為0.004 3%, 說明系統(tǒng)具有較高的線性度。盡管系統(tǒng)的實際精度低于理論值很多, 但是完全可以滿足水果稱重的需要。

5 結(jié)論

本文基于AD7195芯片設(shè)計出了水果分選機(jī)稱重模塊的調(diào)理電路。通過采用比率測量和交流激勵的數(shù)據(jù)測量方法, 提高了測量的精度。軟件非線性數(shù)據(jù)補(bǔ)償確保了輸出的高線性度和測量結(jié)果的重復(fù)性。實驗表明, 該調(diào)理電路具有較高的稱量精度、線性度和重復(fù)性, 可滿足大多數(shù)水果的稱重分選的要求。