苹果自动分级与配重系统的研究（可编辑）

苹果自动分级与配重系统的研究（可编辑） 烟台大学 硕士学位论文 苹果自动分级与配重系统的研究 姓名:杜丽 申请学位级别:硕士 专业:计算机应用技术 指导教师:王培进 20100327 摘要 我国苹果产量巨大,总产量是世界 1/4,雄居世界苹果主产国之首。虽然中国的 苹果面积和苹果产量均居世界第一位,但是单产仅居世界的第 65 位,苹果的出口量 和出口价值,分别居世界的第 11 位和第 10 位。造成这种局面的直接原因是我们的 苹果只求产量、不顾质量,商品化处理落后,外观质量较差,导致市场竞争力较弱。 为了提高苹果的质量,降低成本,改善劳动环境和走向市场,我们有必要开发 和研究苹果采后自动化处理系列设备,选出高质量的苹果。本文研究的就是比较先 进的基于电子称重的苹果自动分级设备且具有自动配重功能。其基本工作原 理是: 苹果在运动中通过传感器称重,传感器把重量信息传送给上位机(工控机),然后上 位机把信息传送给下位机(单片机)进行分析,控制机械执行机构进行自动分级和 配重。目前所有机械式、电子式等分级设备都没有自动配重功能,而用户又迫切需 要增加这一功能。有了自动配重功能,省去用户手工装箱与人工称重的工序,实现 自动配重,自动装箱,自动封箱,大大提高了工作效率。 论文主要由六部分组成,第一部分介绍了课题研究的目的和意义、国内外 现状;第二部分介绍了苹果自动分级与配重总体结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ;第三部分介绍了苹果 动态称重仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 设计,分析了影响动态称重的因素,并且提出了提高称重精度的方法; 第四部分介绍了配重算法,提出了配重的理论原则和方法,并用数字仿真的方 法进行研究;第五部分介绍了分级算法,利用定时的方法控制苹果的分级;第 六部分介绍了上下位机软件设计,对上下位机的功能进行了分析和实现。论文 最后 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了作者所做的主要工作,提出了几点建议。 关键词:动态称重;苹果配重;苹果分级;选果机 I ABSTRCT The yield of apple in our country is huge and the total output accounts for a quarter, ranking first among the world's main producer countries. Although both of China's apple area and production rank first in the world, the yield per unit only ranks the world's 65th. The export quantity and export value of apple located in the 11th and 10th around the world respectively. The direct cause of this situation is that we focus on the production regardless of the quality, commercialization backwardness and the appearance of poor quality lead to the weaker market competitiveness. In order to improve the quality of apples, reduce costs, improve work environment and go to market, we need to research and develop the series facilities of automatic processing after harvest to selecting high-quality apples. In this paper, we study more advanced automatic grading equipment based on electronic weighing, including automatic weighting function, the basic working principle is: apples are weighed through sensors in motion, the information of the weight is transmitted to the upper position machine IPC, then the upper position machine sends it to the lower position machine SCM for analysis, the lower position machine controls machinery implementing agencies to grading and weight. At present, all mechanical, electronic grading equipment have no automatic weighting function, while users have an urgent need to increase this function. With the automatic weighting function, we can eliminate the process of manual packing and manual weighing, realize automatic packing, automatic sealing, greatly improve the work efficiency. This paper is mainly made up of six parts, the first part describes the purpose and significance of the research, the situation at home and abroad; the second part describes the overall structural design of heavy machinery of automatic grading and configuring weight for apple; the third part describes the design of dynamic weighting instrument, analyzes the factors of affecting the dynamic weighting, and proposes methods for improving the precision of weighting; the fourth part describes the weighting algorithm, produces the theoretical principles and methods of configuring weight, and uses digital II simulation method to study it; the fifth part describes the grading algorithm, using the method of timing to control apple's grading; the sixth part describes the software design of the upper and lower position machine, analyzes and realizes the function of the upper and lower position machine. Finally, the paper summarizes the main works done by the author, and some suggestions are put out for the future design of apple classifying machineKey words: dynamic weighing; apple weighting; apple grading; machine of classifying fruit III 烟台大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律结果由本人承担。 论文作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解烟台大学关于收集、保存、使用学位论文的规定,即: 按照学校 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 提交学位论文的印刷本和电子版本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子 版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文; 在不以赢利为目的的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。 (保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名: 导师签名: 日期: 年 月 烟台大学硕士学位论文 版权声明 任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人,未经本论文作者 同意,不得将本论文转借他人,亦不得随意复制、抄录、拍照或以任 何方式传播。否则,引起有碍作者著作权之问题,将可能承担法律责 任。 64 烟台大学硕士学位论文 1绪论 1.1课题研究的目的、意义 我国是世界苹果生产大国,苹果面积、产量位居世界第一。其中苹果总产量 超过了世界总产量的 1/3。而美丽富饶的烟台,又是中国、乃至世界上享誉 盛名 的“苹果之乡”,其出产的烟台苹果俨然已成为中国苹果的代表,烟台市作为 烟 台苹果的原产地域和苹果生产的优势区域,总产量达到 340 多万吨,占全国 1/6 以上;出口量 25 万吨左右,约占全国的 1/2。但是值得注意的是:近年的国际 市场苹果贸易量约为 500 万吨,而我国苹果出口量仅为 45 万吨,占我国苹果总 产量的比例偏低。即使占全国苹果出口比例(出口量占总产量的 7%)最高的烟 台市,与法国(出口量占总产量的 30%)等国家相比,差距也非常明显。这其 中一个重要原因就是苹果采后加工处理技术落后,选不出规格一致的高品质苹 果,外销苹果混等混级,良莠不齐,在国际市场上缺乏竞争力。 近年来,我国农业发展已进入了一个新的阶段,增长模式正从过去的外延扩 张、追求数量向依靠科技进步、提高质量转变,把提高质量放到更加突出的位置。 因此对苹果品质有了较高的要求,苹果收获后的分级和配重技术就显得越来越重 要,对进入市场的苹果要按规定分级、配重和包装也将是必然的趋势。 以全国为例,每5000吨苹果配备一台自动分选线的话,将需要4734套。形成 14.2亿产值(平均每条生产线30万元计算)的产业。我国苹果产量2367万吨,经 过自动分级后,按每公斤苹果提高1元的价格计算,可新增产值237亿元。如 果把 我国苹果价格提高到发达国家价格水平,苹果总产值将跨过千亿元。我省苹果产 量669万吨,占全国产量的30%左右,产后加工将会大大提升山东水果的品牌优 势和在国内外市场的竞争力。根据陕西省统计局《2005年陕西省果业发展统计(检 测)公报》数据表明“苹果价格每增加一分钱,每亩纯收益就增加13.98元,基 地县果农就可增收5000万元,果农每户就可多收入59元”。 目前,烟台市一些较大的苹果加工企业的苹果分级主要依靠进口英、德、澳 等国的集清洗、分级、打蜡、烘干于一体的苹果包装机,此类设备虽然从一定程 度上满足了我市苹果加工的需要,但是由于价格昂贵(约150-200万元),一些 中小型苹果加工企业无力购买,依然采用传统的机械配合手工的作业方式。因此, 1 烟台大学硕士学位论文 有必要开发一种实用的苹果自动分级与自动配重装置,改善烟台市苹果加工和分 级水平,不仅可以使千千万万户果农获得效益,并且可以打破国际上在这一 领域 的垄断,为国家节约大量的外汇,培植起自己的产业增长点。 1.2国内外研究现状 1.2.1国外研究现状及公司产品状况 国外公司较早就开始了利用计算机进行水果分级的研究。早期的水果自动分 级方法主要通过CCD 相机,采用无损检测、计算机分析处理等手段。目前国际上 研究的热点是利用机器视觉技术对水果进行无损检测。 美国Penwalt公司Decco型分级机是按照重量分级的水果分级机,利用杠杆原 理,采用最新电子仪器测定重量,可按需选择准确的分级基准,分级精度高。 Kazuhiro[1]采用二级神经网络对苹果进行颜色分级,通过将苹果果面沿花 萼、花梗方向分区并分别进行处理,解决了因苹果果面曲率不同而引起的反射梯 度不同的问题。 美国俄勒冈州的Leemans V[2]研制的成果能够分选果实、蔬菜、果仁及各种 小食品的“Inspecttronic”装置。该装置采用高晰像度的CCD摄像机,能按产品 的色泽或大小进行分选,并能将特定产品分选内容参数编成程序预先储存在存储 器内。 美国 Autoline 公司的水果分级设备在世界上处于领先地位,其产品已经系 列化(5 个型号),能够按照重量、颜色、形状分级,传送通道可以多达 9 道, 出口可达 60 个,每道的最高传送速率为 12 个/秒,其传输系统可以容纳不同尺 寸的水果,该装置视觉系统采用两架单色相机,能计算出水果的三维尺寸。 韩国SEHAN―TECH株式会社是生产果蔬分选机的专业生产厂家。其中多通道 分选机拥有8个通道预选线,计算机分析系统能够提供水果分选的各种信息,包 括大小的比例情况,每小时的处理量,水果的优质度等。 综上所述,国外水果分级技术比较先进,但是进口设备价格昂贵。 1.2.2国内研究状况及公司产品状况 国内的水果自动分级研究起步较晚,主要在水果外在品质检测方面展开研 2 烟台大学硕士学位论文 究。针对水果的内部品质检测的研究还不多。水果分级设备基本还局限于机械分 级阶段,主要进行大小、重量的分级。 中国农业大学的刘禾和汪懋华较早开始研究苹果自动分级的图像分割问题, 浙江大学的应义斌等人对苹果等水果进行了较深入的研究。国内科研院所从事计 算机自动分级研究的还不多。国内有一些产品虽然具备了苹果自动分级功能,但 是都不具备分级之后的自动配重功能[3]。 目前我国研制的6GF?1.0型水果大小分级机,采用先进的辊、带间隙分级原 理,工作时分级辊作匀速转动,输送带作直线运动,当果实直径小于分级辊与输 送带之间的间隙时,则顺间隙掉入水果槽实现分级[4]。 山东省栖霞茂源机械设备生产的GXJ?W系列卧式果蔬分选机是一种将类似 球形的水果或蔬菜例如梨、苹果、柿子、桃子、柠檬、石榴、番茄、柑橘、土 豆等按重量分级的一种高效自选设备。 中国农业大学食品科学与营养 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院籍保平教授等针对我国水果生产现 状研发了一条机器视觉水果分级系统,可以对水果的外部缺陷、色泽、尺寸和形 状进行全面的检测,在此基础上实现了水果的高速和精确分级[5]。 2004年浙江大学通过一套水果品质智能化实时检测与分级生产线,由浙江大 学生物系统工程与食品科学学院应义斌等主持的课题组研制开发。这一系统生产 线由计算机视觉系统,能完成水果的单列化并均匀翻转的水果输送系统、精确地 实施分级的高速分级机构和自动控制系统等部分组成,实现了检测指标的多元 化,果品大小、形状、色泽、果面缺陷等多项检测一次完成[6]。 通过到西安、无锡、北京、杭州及烟台龙口等地的调研发现,目前国内苹果 分级机,中小企业仍然以基于重量的机械式分级为主,加以手工配重。自动分级 设备基本还处于实验室阶段。我国水果质量检测中使用的水果品质自动检测生产 线多为进口设备,这种进口设备是针对大农场生产所设计的,在我国小农户产品 的检测中并不实用。大型企业一般从国外进口自动分级设备,带有表面缺陷和颜 色识别功能,但是价格昂贵。国内也有生产高档的苹果分级机的公司,集电子称 重、表面缺陷识别、颜色识别与一体进行分级,每套近百万元,但使用的客户不 多,仅卖了几套。 从了解的情况看,目前适合国内国情的是基于电子称重的苹果分级设备。客 户比较欢迎,价格也比较合理,级差可以灵活调整。该产品在国外已经得到了广 3 烟台大学硕士学位论文 泛使用,但国内生产厂家较少,并且产品质量不过关,没有得到推广。 1.3课题研究内容 根据调研情况和客户需求,我们研究基于电子称重的苹果分级设备并且具有 配重功能。目前我国苹果的分级仍然是以手工为主,不但速度慢、劳动强度大, 而且人为因素对苹果的质量影响很大的。人工对苹果的分级是根据个人的经验判 定的,瞬间判断的结果,其结果必然是因人而异,同时还受人的情绪和疲劳程度 的影响,不仅人工劳动量大,而且生产率低。 目前所有机械式、电子式等分级设备都没有自动配重功能,而用户迫切需要 增加这一功能。有了自动配重功能,省去用户手工装箱与人工称重的工序,实现 自动配重,自动装箱,自动封箱,大大提高了工作效率。 研究基于电子称重的苹果自动分级与配重系统,主要内容包括以下几个方 面: (1)苹果动态称重技术研究 苹果是在运动中称重,这一部分我们重点研究影响动态称重精度因素,并且 提出提高动态称重精度的方法。 (2)苹果在线自动分级技术研究 苹果的自动分级技术我们主要研究的是基于重量的分级,重点就是研究分级 算法,使苹果能够准确落入相应的分级区间。 (3)分级后的自动配重原理研究 分级以后我们进行自动配重的过程,在这一部分我们主要研究配重的算法, 使苹果能够准确进入苹果箱中,完成自动装箱。 (4)上下位机软件设计 这一部分我们采用上下位机的方法对苹果的分级和配重的机械设备进行控 制。 4 烟台大学硕士学位论文 2苹果自动分级与配重机总体结构设计 2.1自动分级与配重机总体结构设计与工作原理 2.1.1机械结构与工作原理 本课题采用的是基于重量的称重,即电子称重分选配重设备。我们设计的电 子称重式分选配重设备采用压力传感器称量苹果重量,然后由一个专用仪表 对苹 果的重量进行处理,将重量信息传送给上位机,上位机对重量数据进行识别 处理, 将分级信息传给下位机,下位机控制机械执行机构进行分选、配重。 苹果传送带 称重传感器 S2 气阀 气嘴 S1 分级? 驱动结构 配重? 分级? 驱动结构 分级? 驱动结构 配重? 气嘴 气阀 S3 苹果箱 配重VI 配重IV 气阀 气阀 气嘴 气嘴 气嘴 气阀 气阀 配重V 配重? 气嘴 称重 仪表 S1 S2 S3 S1 S2 S3 S1 S2 S3 单片机1 下位机 单片机2 下位机 单片机3 下位机 IPC 主机 RS?232c RS?485 其中: S1:分级信号 S2:气阀信号 S3:移箱信号或箱满指示信号(LED) 图 2-1苹果自动分级与配重示意图 这种方法具有以下特点: 5 烟台大学硕士学位论文 (1)苹果传送、分选、配重同时进行,生产率和自动化程度高; (2)称重部分采用压力传感器,分选速度快,称重精度高。 (3)利用上下位机控制的方法,可以对苹果分选、配重进行实时操作控制, 操作更加简便。 工作原理如图 2-1 所示,假定有三个分级区,每级分六个配重工位。 具体工作过程:电机驱动输送链轮将托盘中的苹果送入传动带。通过安装在 传送带下的压力传感器检测苹果的重量,将苹果的重量信号转换成模拟信号,送 入一个专用称重仪表进行数据处理,然后通过RS?232通讯接口,把数据送入上 位机,上位机产生分级信息传给下位机,下位机对信号进行运算和判断,然后发 出信号S1、S2、S3。下位机用单片机来完成分级与配重任务。 当得出苹果的分选等级后,单片机发出信号S1,向相应的电磁阀发出开关量。 开关量使用软件定时,保证苹果到达所属分选等级的分选口时,电磁阀能将 分选 开关打开,使苹果准确地落入相应分级区间内。 我们在每个分级区下又分了六个配重工位,当苹果进入分级区后,根据配重 数据,确定该将苹果吹入哪一个接果箱中,然后单片机发出的信号 S2,启动这 个配重工位上的电磁阀用来接通气门,利用高压空气的气流将运动到的苹果吹入 该工位上的接果箱中,达到配重成组的目的。 当某个工位上的苹果箱完成一组配重时,单片机发出移箱信号同时发出箱满 的指示信号 S3,告诉操作人员速将完成配重的苹果箱取下,换另一个接果箱。 最后将没有配到组的苹果,回收到最后一个箱子中。 从调研的情况看,苹果传送机构可以分为果盘式和链轨式两种[7]。果盘式结 构相对简单,但果盘需要特殊加工;如果考虑表面缺陷检测,链轨式比较合理。 本课题将采用果盘式传送分级结构。 2.1.2控制系统结构与工作原理 苹果自动分级与配重主要采用上下位机的模式来构建的测试控制系统,通过 RS-232串口通信技术完成数据的实时采集和分析处理。上位机选用工控机,配有 一块带D/A和并行输出的卡,运算处理速度快,数据存储与处理迅速可靠,显示 输出灵活;下位机选用CF3401单片机,体积小、控制简单、接口方便、实时 性 6 烟台大学硕士学位论文 好、抗干扰能力强[8],它们之间关系如图2-2所示。 上位机 D/A +并口卡 变频器 指示灯与报警 交流电机(调速) IPC RS-232 接口 1 RS-232 接口 2 称重仪表 RS-485 接口 称重传感器 下位机 1 驱动翻转机构 1 下位机 2 驱动翻转机构 2 下位机 n 驱动翻转机构 n 图 2-2苹果自动分级与配重控制系统结构图 工作过程:称重传感器将称重信号传送给称重仪表,称重仪表对传感器输出 信号进行采样、放大、滤波、模数转换运算和处理,将信号转换成重量信息,通 过 RS-232 串口把重量信息传送给上位机,然后上位机通过 RS-232、RS-485 串口 将信息传送给下位机,下位机对重量信息进行处理,控制翻转机构进行分级和配 重。 上位机根据初始化参数,输出数字量,经 D/A 转换,产生 0?5V 电压控制 变频器调压,从而改变交流电机的速度。上位机接收下位机传送的自检字符,显 示对应下位机故障指示代码,同时报警。 2.2苹果自动分级与配重机关键技术分析 2.2.1动态称重技术 动态称重就是对非静止状态的物体在短时间内进行快速测量,其有以下几个 7 烟台大学硕士学位论文 主要特点[9]: (1)称重物体处于非静止动态,即在运动(线性运动或振动状态且具有加 速度)状态; (2)称重环境处于非静止状态,即动态称重过程中机械和物体振动和各种 外部信号的干扰; (3)在短时间内进行快速测量,即测量的允许时间小于称重仪器的调定时 间。 苹果在运动过程中称重,并且要求达到每秒4?7个,动态称重的精度和速度 十分关键。为达到快速、连续、准确称量的结果,并得到测量的稳态数值,就必 须对整个动态称重系统进行准确的描述和分析。国内有些厂家生产的基于电子称 重的苹果分级设备之所以没有得到推广,其中关键原因之一就是未能解决好动态 称重问题。 动态称重技术主要研究的是内在和外在因素对称重精度的影响。例如:苹果 分选机的机械振动、传感器的非线性特性、数据采样信号的处理、环境的温度和 湿度等。在第三章中,我们会详细介绍。 2.2.2分级算法 目前我国苹果分级多采用人工分级。从技术角度上看,人工劳动强度大、生 产率低而且分选精度不稳定。我们采用机械化分级可以实现苹果分级的自动化, 有效地提高分选效率和分选精度。 分级的定义:将一定范围内的苹果,按照一定的重量进行划分。例如:20g~ 500g范围内,每50g为一级,则可以划分为以下10个等级: [20,70],[71,120],[121,170],[171,220],[221,270], [271,320],[321,370],[371,420],[421,470],[471,500]。 基于重量的分级机早期主要是机械式重量分选机,采用杠杆平衡原理进行称 重分选。将符合某个重量级别的苹果自动分离,其分级的区间固定,级差固定, 调态不变,不需要分级算法。 我们采用的是通过压力传感器检测苹果重量进行苹果分选的电子称重式分 选机[10]。基于电子称重的苹果分级,苹果是连续称重,一些数据都可以通过程 序设定,适应性更强,更灵活。例如:苹果重量的区间、级差、每级区间、级数 8 烟台大学硕士学位论文 等。当符合条件的苹果到达相应级别区进行自动分离,需要一套分级算法。该算 法要求不出现分级错乱现象,逻辑性强,简洁明了,实现方便。由于系统采用微 机控制,可按需选择准确的分选基准,分选精度高,使用特别的滑槽,落差小, 水果不受冲击、不损伤。分选、装箱所需时间为传统的 1/2。具有伤果率低、误 差小、分选范围可调、生产效率高等特点,有很大的发展前景。 目前一些厂家采用旋转编码器进行电子分级。旋转变压器[11]是一种电磁式 传感器,又称同步分解器,是用来测量转速的装置。它分为单路输出和双路输出 两种。技术参数主要有每转脉冲数(几十个到几千个都有),和供电电压等。单 路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲,而双路输出的旋转编码器输出两组相 位差 90 度的脉冲,通过这两组脉冲不仅可以测量转速,还可以判断旋转的方向。 在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道,每条道上由透光和不透光的扇形区相 间组成,相邻码道的扇区数目是双倍关系,码盘上的码道数就是它的二进制数码 的位数,在码盘的一侧是光源,另一侧对应每一码道有一光敏元件;当码盘处于 不同位置时,各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号,形成二进制数。 它的特点是不要计数器,在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的 数字码,利用自然二进制或循环二进制(葛莱码)方式进行光电转换的。 采用旋转编码器进行电子分级增加机械结构设计的复杂性和增加信号处理 电路,本文提出了一种软件定时逻辑分级算法,简化了设计。详见第五章。 2.2.3配重算法 分级后的苹果,要按照一定重量装箱,每种级别的苹果,每箱的重量是一定 的,在标准重量允许的误差范围内才符合打包封箱要求,这样就要求合理配重。 配重定义:就是从给定的分级区间找到 m 个苹果,使其重量的总和满足给定 要求 Tw?ε。ε为配重精度,一般为 1-2g。同一级别的苹果,按照重量分布情 况,组合在一起,达到相应重量要求。 本文我们采用了“等均重最大组合原则”来进行配重。该组合原则又分“单 区间组合法”和“多区间组合法”,即以我们限定的苹果的个数和重量计算出的 单支均重为中心,按一定重量差划出大于、小于该均重的分布范围,再将此范围 均等划分成若干区间。显然,区间划分得越多,从大于、小于相同区间号进行配 对的组数也越多,配重的重量精度也越高,一轮中配不上的空跑率也越低。但在 9 烟台大学硕士学位论文 一定计算机设备条件下,一定精度要求下,选择划分区间长度多大为宜,配对组 数多少为好,需经试验确定。为快速、有效、经济地解决上述配重基本参数的试 验研究,我们采用了计算机数字仿真技术。 经过我们分析,采用这种配重的效果比没有分级配重效果还要好,主要原因 是苹果经过分级后再配重,同级类型的苹果重量分布更有规律性。 2.2.4上下位机软件设计 本文中数据的传输与控制使用的是上下位机的方法。上位机采用的是 IPC, 主要任务是采集苹果重量的数据,并将数据进行存储和显示,把采集到的数据进 行处理后发送到下位机。下位机采用的是单片机,主要任务是接收上位机发送的 数据,并对数据进行分析和处理。 我们应用 VB 来开发控制界面,包括系统结构化参数和工作参数初始化设置: 果盘数、果盘间距、分级驱动翻转机构复位时间、称重处到各个分级处的果盘数 目等;系统工作参数初始化设置:选果机的速度、分级的级数;上下位机通讯的 设置和运行设置;汇总报表打印等。上位机和下位机的串行通信利用 RS-485 接 口实现。 10 烟台大学硕士学位论文 3苹果动态称重仪表设计概述 随着商业经济的不断发展,称重技术在各行各业中成了必不可少的组成部 分,主要表现在称重技术由静态称重向动态称重、在线称重和模型化方向发展。 静态与动态称重从观念上来说,测量的物理量性质是不同的。在静态称重中, 是称重数据的输入与输出数值上的对应关系;在动态称重中,则是输入与输出信 号上的对应关系,因为动态称重中物理量是随时间变化的。静态称重注重的是数 值误差分析,动态称重则以信号的不失真分析作为基础。从技术手段上来说,动 态称重解决的是信号的获取、加工、处理与分析以及记录等,包括硬件和软件以 及它们组合的系统[12]。 由于动态称重是物体在运动过程中完成的,在动态称量中瞬时、一次性测量, 其结果往往不够理想。为达到要求的准确度,需要多次采样测量,并且还必须对 多次测量的结果按动态称量的规律进行数据处理。因为动态称重往往涉及到几个 参数的测量在时间上必须同步的问题,所以要求动态称重的系统惰性应当尽可能 的小。动态称重系统一般采用压力传感器。传感器可以把力学数据转换为电学信 号,其惰性比杠杆系统小得多,具有无可比拟的优越性[13]。 3.1影响动态称重精度因素分析 3.1.1动态称重模型 苹果在传送带上运动过程中,通过安装在传送带上的称重传感器对苹果进行 动态称重,简易力图[14]如图3-1所示。 L1 L2 F B 传感器 图 3-1系统简易作用力图 称重部分的动力学模型[15]如图3-2所示。C0为称重传感器的刚度,C1为阻 尼 11 烟台大学硕士学位论文 系数。 f x 图 3-2动力学模型 当苹果通过传送带时,可认为苹果给称体一个斜坡信号(因为动态称重体统 的称重时间短,在称重结束前,可认为对系统加了一个斜坡信号)。 对图3-1中的B点列出力矩方程: B F?L1mg?L2 (式3.1) (式3.2) 其中:F为传感器的反作用力,L1为传感器到支点B的距离,L2为苹果到支点 B的距离,m为苹果的重量。 设苹果的速度为v,苹果从B向A点运动开始: L2vt (式3.3) F mgvt L1 mgv L1 ?t (式3.4) 设P mgv L1 ,则F(t)P?t 设传感器的重量为m1,在动力学理论分析的基础上,建立称重部分的数学模 型: 2 2 (式3.5) 2 2 (式3.6) 综合上述两个式子得: 2 2 (式3.7) 事实上,利用数学模型或模型化测量的称重方法是很有前途的。它把测量视 为一个过程,把计量仪器视为一个系统。根据事先掌握的信息即先验知识, 以及实 验获得的数据即后验知识,利用系统辨识来建立计量仪器的数学模型,并通 过相 应的算法来处理数据。模型化的测量为解决日趋复杂的动态测量开辟了一条 新的 方向。 12 烟台大学硕士学位论文 3.1.2影响动态称重的因素 称重系统在称量苹果的重量时,受很多内在的和外在的因素影响,导致精确 度不够高。例如苹果和分级配重设备的机械部分的振动,传感器的特性,数据 采 样时信号的处理等,都会导致称量的精确度不高,此外还有受环境的温度,湿度 等环境因素影响[16]。 3.1.2.1分级配重设备的机械振动 分级配重设备的机械振动是机电控制部分影响动态称重的最关键因素,其振 动能够使苹果真实的静载信号淹没在各种复杂的振动信号中,因此要想使苹果静 载信号能够客观、真实地反映出来,就必须根据各种振动产生的原因有效的减缓 和消除振动,削弱其对动态称重的影响[17]。分级配重设备简图如图3-3所示。 传动带 压力传感器 分选开关 电动机 底座 图 3-3分级配重设备简图 分级配重设备主要机械构结构包括底座、机架、电动机、支承传送轴的轴承、 传送带等。由机械结构分析可以看出分级配重设备的主要振动因素有以下三点: (1)电机振动:驱动电机在转动的过程中不可避免的将微小振动直接通过称 台传到传感器上,这是主要的振动源。解决电机振动,可以改变钢板的焊接结构, 这样能增强静刚度,减轻重量,增加构件本身的阻尼,并且还可以在电动机处附 加阻尼材料制成的附加阻尼层或衬板材料,这是一种简单而有效的减振措施。 (2)轴承振动:传动轴端安装的轴承在运转到一定的程度后会磨损,产生一 13 烟台大学硕士学位论文 定的振动,也会通过称台直接传递给传感器。考虑到成本等因素,可以选择圆珠 滚动轴承,圆珠滚动轴承在预紧后刚度增加的同时,因为轴承内外圈和滚动体的 间隙缩小到极限,所以不容易产生振动。 (3)传送带的振动:传送带张紧在传动轴上,一段时间后会出现老化松动, 在不张紧的情况下,会产生振动。同时输送带的不平整和传动轴接触后也会引起 振动。因此要保持传动带的平整,防止老化。 3.1.2.2称重传感器的特性 在称重部分中,传感器是最重要的部件。如何选用称重传感器,以及传感器 本身的非线性误差,成为了影响称重精度的关键因素。 1、称重传感器的选用 称重传感器是一种力传感器,通过把被测量质量转换成另一种被测量量来测 量质量的传感器。称重传感器是电子秤的重要部件,它把被称物体的重量转换成 电信号,经过处理后指示出来。因此它的优劣在很大程度上决定了称重的精确度。 若一台电子秤的称重传感器输出有问题,那么电子线路部分再补偿或调整,都会 感到很困难。那么在选用称重传感器时,应考虑哪些主要问题呢? (1)传感器的灵敏度 苹果是在运动中完成称重和分选的,必须能够对苹果进行动态的测量。动态 测量是指为确定量的瞬时值或其随时间变化所进行的测量,因此在动态测量中必 须考虑信号响应的时间,及响应达到并保持其最终稳定值在规定极限内的瞬间, 这二者之间的时间间隔。因此,在选择传感器时,要首先考虑传感器的灵敏度[18]。 (2)传感器精度的选择 目前, 称重传感器的普通级精度为千分之五, 中级精度为千分之二至万分 之五, 高精度为万分之三至万分之一。传感器的精度包括额定载荷、灵敏度、非 线性、重复性、滞后性和蠕变等主要技术参数。传感的精度需要根据秤的用途, 使用场合或称量系统的综合精度全面加以考虑,不能单纯地追求高精度。一般选 择称重传感器的总精度为非线性,不重复性和滞后三项指标之和的均方根值略高 于秤的精度即可[19]。 (3)安装维护方便,成本低廉 任何产品设计时除需考虑整体功能和性能上能满足工艺要求外, 还应注意 产品安装问题,不论其可靠性如何, 都必须考虑维护的问题, 衡器也不例外。除 14 烟台大学硕士学位论文 了要考虑安装维护方便之外, 选用称重传感器时,原则是以经济的价格买到满足 上述要求的称重传感器[20]。 除上述几点外,称重传感器还应该具有稳定性,较小的零点漂移温度系数和 灵敏度温度系数,良好的密封性,以及抗侧向力等特性。 2、传感器的非线性校正 传感器误差大小直接影响到测控系统的性能。在工业生产和自动控制系统 中,有时要求传感器的输入-输出之间有严格的线性关系,但是传感器的输出- 输入特性不可能是完全线性的。而在实际应用中,大多是将传感器的输出-输入 特性作为理想线性计算,这样势必影响传感器的准确性,即传感器的输出没能真 实地反应被测量。为了提高系统的精度,确保系统的线性输出,必须对传感器的 进行非线性校正[21]。 传感器的静态输出?输入关系可用一个多项式表示: 2 n 式中: a0??输入量x为O时的输出量; a1,a2„an??非线性项系数。 各项系数不同,决定了特性曲线的具体形式各不相同。在实际使用中,为了 实现传感器的输入?输出特性是一条直线,也就是说在测量范围内传感器的灵敏 度是一不变的常数。单单从传感器本身的设计方面以及从电路环节精心设计非线 性电路,需要花费大量的人力和物力并且效果常常不理想,应该采用其他方法来 线性化。这些方法一般分为硬件校正方法和软件校正方法。而硬件校正电路中影 响电路的因素太多,实际调整时其零点、满度和线性三者相互影响,调整有时较 烦琐,故常采用软件校正的方法。常见的软件方法:查表法,曲线拟合法,神经 网络法。 (1)查表法 查表法非线性校正是在A/D转换器之后进行的。该方法的特点是:先把传感 器的函数关系事先编制在EPROM中,然后将A/D转换后的电量经计算机运算, 转换 成的EPROM的地址,再由计算机去读取该地址对应内存的数据,最后查表求 得校正 结果[22]。结构如图3-4所示。 15 烟台大学硕士学位论文 传感器 A/D 转化器 EPROM 微机 显示 图 3-4结构图 查表法修正误差,速度快,但占内存多,且因校准数据是离散点而存在误差较 大。 (2)曲线拟合法 曲线拟合是用连续曲线近似地刻画或比拟平面上离散点组所表示的坐标之 间的函数关系的一种数据处理方法[23],其目的是根据实验获得的数据去建 立因 变量与自变量之间有效的经验函数关系。 在做数据拟合前,选择合适的拟合数学公式很重要的。拟合前,通常先用所 给数据预先做出列表函数的曲线图,再根据曲线的大致形状选择和确定合适的拟 合数学公式。 (3)神经网络法 神经网络[24]是按照人脑的组织和活动原理而构造的一种数据驱动型非线性 映射模型,具有并行处理、自适应自组织、联想记忆以及逼近任意非线性等特性, 在预测评估、模式识别、信号处理等领域均有广泛且成功的应用。把神经网络作 为传感器的非线性校正模型,可进一步提高测试系统的智能化程度及系统测试精 度,同时可改善系统的适应性及维护性。 利用神经网络模型进行传感器非线性校正的原理如图3-5所示。 传感器 yfx 神经网络 xf-1y 图 3-5神经网络原理图 设传感器的非线性函数为yfx,利用神经网络对非线性函数的逼近能力, 通过对神经网络进行训练,即可得传感器非线性函数的逆函数xf-1y,因而系统 -1 -1 性模型,而且这种转换过程由计算机实现, 具有可靠性高、速度快、精度高的良 好特性。 16 烟台大学硕士学位论文 3.2提高动态称重精度的方法 1、测量电路 应变片对温度的变化十分敏感,粘贴在试件上的应变片,由于温度变化而引 起的电阻变化可以与应变引起的电阻变化的数量级相当,因此在应变测量中的温 度影响及补偿方法是十分重要的问题[25]。如果在测量电桥电路中采取温度补偿 片法,即全桥接法,使电桥电路两相邻臂由于温度变化而引起的相对电阻变化相 互抵消,就起到了温度补偿的效应。经过实验证明,在温度不断变化的情况下, 输出基本可以保持不变。 本文称重传感器采用的是压力式传感器,采用全桥接法,进行温度补偿。 2、A/D 转换电路 目前常用的 A/D 变换技术有:逐次逼近编码、双斜积分和 V/F 转换三种。V/F 转换[26],是将一定的输入电压信号按线性的比例关系转换成频率信号,当输入 电压变化时,输出频率也响应变化。 V/F 转换有很高的线性度,它的非线性误差往往低于?0.0005%,其转换频 率高达 10MHz。V/F 转换的最大优点是对周期性的噪声信号有抑制作用。根据前 述分析,在苹果动态称重过程中,存在一定的周期性干扰信号,因此,我们选用 精密 V/F 转换器件 LM331 实现称重信号的 A/D 转换。 LM331 是一款性能价格比较高的芯片,由美国 NS 公司生产,是一种目前十 分常用的电压/频率转换器,还可用作精密频率电压转换器、A/D 转换器、线性 频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。由于 LM331 采用了新的温度补偿 能隙基准电路,在整个工作温度范围内和低到 4.0V 电源电压下都有极高的精度。 LM331 的动态范围宽,可达 100dB;线性度好,最大非线性失真小于 0.01%,工 作频率低到 1Hz 时尚有较好的线性;变换精度高,数字分辨率可达 12 位;外接 电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成 V/F 或 F/V 等变换电路, 并且 容易保证转换精度。LM331 可采用双电源或单电源供电,可工作在 4.0~40V 之 间,输出可高达 40V,而且可以防止 Vs 短路。其接口电路如图 3-6 所示。 17 烟台大学硕士学位论文 +Vcc 10k?1% 10k?1% 6.8k?1% Rt 0.001μ Ct 330p 6 8 5 5k?1% 2 LM331 3 Fout 10k Rs 1 4 7 Rc +5v 2k 2.2K 470p -Vi 2 - +Vcc 7 0.001μ 3 + 741 4 6 2cp10 1M 100k?1% -Vcc +Vcc -Vcc 1k (20k~1M) 图 3-6 A/D转换接口电路 其频率输出: f1 Rs 1Vs Rl 1.1.Rt.Ct .Vi , 由公式可知频率输出和输入电压之间保持良好的线性关系,输出脉冲频率准 确的正比于输入电压。可见,在参数确定后,输出脉冲频率 f 与输入电压 Vi 成 正比,从而实现了电压?频率的线性变换。改变式中 Rs 的值,可调节电路的转 换增益,即 V 和 F 之间的线性比例关系。由于元器件与标称值存在误差,在电 路参数基本确定后,通过调节 Rs 的电位器,可以实现所需 V/F 线性变换。 本电路设计满刻度输出 100KHz,对应 10V 输入电压,输出特性 10Hz/mv。苹 果电子称重分级机最快分级速度每秒种 5 个左右,每个苹果的处理最短时间约为 200 毫秒,只要采样时间大于 11 毫秒,就能保证 10 位以上的 A/D 转换精度,确 保苹果称重精度要求。表 3-1 给出了 V/F 转换构成位数与变换周期之间的关系。 18 烟台大学硕士学位论文 表 3-1 V/F转换构成位数与变换周期表 3、同步采样脉冲电路设计 苹果称重是采用压力式传感器,根据果盘运动特点和安装结构,传感器输出 信号波形如图 3-7 所示: t1 t2 t3 t4 图 3-7输出信号波形图 t1 时间为果盘在轨道上的运动时间,t2 时间为果盘进入压力传感器传感区 域时间,t3 为果盘作用在压力传感器最大压力时间,即称重时间,t4 为果盘离 开称重区域时间。为了准确的获得称重信号,只有在 t3 时间内对其采样,然后 进行相应处理才能获得苹果的实际重量。为此,我们设计了同步采样脉冲产生电 路[27],如图 3-8、图 3-9、图 3-10 所示: 重量信号 反相器 比较器 单稳态触发器 图 3-8信号流程图 19 烟台大学硕士学位论文 R2 R5 C R +5v R4 -Vin R1 - + 741 Vref + - LM358 A1 ?Mc14538 Q1 P1.0 Cp1 R3 +Vcc Tp R6 Rw1 R7 图 3-9同步采样脉冲电路 Vref ? B B' B'' B''' ? ? tp t ?:称重信号 ? :比较器输出 ?:MC14538输出(ttp) 图 3-10信号比较图 由图可以看出,称重信号经放大后的信号电压-Vin,经反相器变为正电压, 经比较器 LM358 变为电平输出。当比较器的门限电平 Vref一定时,比较器输出取 决于被测电压的变化,当 VinVref,即 t3 时间内,比较器输出一个高电平,从而 触发单稳态触发器 MC14538,MC14538 就输出一个脉宽 tp的 TTL 电平,该电平引 起系统中断,执行采样中断服务子程序,完成有效称重信号的采集与处理。 Vref的确定采用理论计算和实际测量获得。 4、中断同步采样数据处理 有效称重时间 t3 可以依据果盘运动速度在理论上计算