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基于虛擬儀器的多功能電子秤設(shè)計
基于虛擬儀器技術(shù)的多功能電子 秤,結(jié)合了虛擬儀器、數(shù)據(jù)采集和傳 感器技術(shù),主要使用LabVEW為軟件 開發(fā)平臺,采用PC機為主機,加上硬 件(傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和信號調(diào)整 電路)的配置,實現(xiàn)了電子秤的智能 化。具有成本低、精度高、擴展性強的 特點。
0.引言
虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)代計算機技術(shù)與 儀器技術(shù)深層結(jié)合的產(chǎn)物,是一種充分 利用計算機的運算、存儲、回放顯示及文 件管理等智能化功能的技術(shù),同時把傳統(tǒng) 儀器的專業(yè)功能和面板控件軟件化,使 之與計算機結(jié)合構(gòu)成一臺功能完全與傳 統(tǒng)臺式儀器相同,同時又充分利用了計算 機軟硬件資源的全新的虛擬儀器系統(tǒng)。與 傳統(tǒng)儀器相比,虛擬儀器的最大特點是其 功能由軟件定義,可以由用戶根據(jù)應(yīng)用需 要進行軟件的編寫,選擇不同的應(yīng)用軟件 就可以形成不同的虛擬儀器。本文介紹基 于虛擬儀器技術(shù)的多功能電子秤設(shè)計,其 基本原理是先將應(yīng)變橋所采集到的電壓 數(shù)據(jù)進行放大,再通過數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送 到PC機,再基于PC機的上層應(yīng)用軟件 LabVIEW進行數(shù)據(jù)處理及顯示操作界面 的設(shè)計。本系統(tǒng)可實現(xiàn)物體質(zhì)量的精確測 量,其精確精度可精確到小數(shù)點后4位, 測量范圍為0-200g。
系統(tǒng)由硬件電路和軟件兩部分組成, 其中,硬件部分包括雙孔懸臂應(yīng)變梁傳感 器、數(shù)據(jù)采集卡(NI USB- 6251)、儀器運算
放大器AD620(用于信號調(diào)整電路)和PC 機;軟件部分包括LabVIEW編寫數(shù)據(jù)處 理和用戶數(shù)據(jù)顯示界面。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集 及處理的過程如圖1所示:數(shù)據(jù)采集卡先 對電壓數(shù)據(jù)進行采集,然后送至PC機,在 PC機上使用LabVIEW編寫好的程序?qū)?/span> 數(shù)據(jù)進行處理和顯示,構(gòu)成基于虛擬儀器 技術(shù)的多功能電子秤。
2.硬件設(shè)計
硬件設(shè)計主要包括信號調(diào)整電路的 設(shè)計和傳感器的選擇兩個部分。
2. 1信號調(diào)整電路
信號調(diào)整電路對信號進行放大處理 時需要考慮高精度、低失調(diào)電壓和低失調(diào) 漂移,所以選擇AD620儀器運算放大器。 AD620儀器運算放大器由傳統(tǒng)的三個普 通運算放大器發(fā)展而成,但一些主要性 能卻優(yōu)于三個普通運算放大器構(gòu)成的儀 表放大器的設(shè)計,不僅具有高精度(最大 非線性度40 ppm)、低失調(diào)電壓(最大50 (i V)和低失調(diào)漂移(最大0.6 (i V/ C) 特性,并且設(shè)計體積小,功耗非常低(最 大供電電流僅1.3 mA),因而也適用于低 電壓、低功耗的應(yīng)用場合。信號調(diào)整電路 如圖2所示。
AD620増益公式如下:
G=49.4k Q/RG+1 (1)
2. 2 雙孔懸臂應(yīng)變梁 雙孔懸臂梁式稱重傳感器是電子計
價秤中廣泛使用的傳感器。這種傳感器 的彈性體具有上下兩個平行梁。它的最大 特點就是具有抗偏載的力學(xué)特性:也就是 說彈性體的應(yīng)變量只取決于作用在彈 性體平面內(nèi)且與軸線相垂直的力分量,而 與其他分量無關(guān)。
如圖3(左)所示,對于雙孔結(jié)構(gòu),應(yīng)變 梁在力的作用下,R1、R2、R3、R4各電 阻應(yīng)變情況分別為+ ^*、- £ +6?、- £ ;為力P產(chǎn)生的應(yīng)變,在各貼片處f的數(shù) 值相同其中” +”表示拉應(yīng)變,' ”表示壓 應(yīng)變。
本實驗所用的應(yīng)變梁中,R1、R2串 聯(lián)、對應(yīng)上表面三根引出線,R3、R4串聯(lián), 對應(yīng)下表面三根引出線。如圖((右)所示。
3.軟件部分
軟件設(shè)計主要是基于LabVIEW語言 進行編程實現(xiàn)。LabVIEW (Laboratory Virt ual Instrument Engineering Workbench)與 C 和Basic類似也是一種通用的編程系統(tǒng), 使用一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程 序的圖形化編程語言又稱為“G語言”。優(yōu) 點:1、提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器(如示波 器、萬用表)類似的控件,可用來方便地創(chuàng) 建用戶界面,用戶可以根據(jù)自己的需要定 義和制造各種儀器,利用計算機強大的數(shù) 據(jù)處理功能,創(chuàng)造出各種功能的儀器。2、 每一個模塊都相對獨立,可以獨立地進行 設(shè)計,研制,調(diào)試以及修改,從而是復(fù)雜的 工作得到簡化。
軟件部分包括程序框圖設(shè)計和前面 板設(shè)計。
3.1LabVIEW程序框圖設(shè)計
本系統(tǒng)的程序框圖分為兩個部分:數(shù) 據(jù)采集子程序和數(shù)據(jù)處理子程序。
數(shù)據(jù)采集子程序框圖如圖4所示,, 它負責(zé)對被測物體的質(zhì)量進行采集然后 以電壓形式輸送到PC機的程序。在while 循環(huán)里,利用順序結(jié)構(gòu)完成數(shù)據(jù)采集的初 始化、開始、寫入、讀取以及停止,從而實 現(xiàn)石去碼對于傳感器所產(chǎn)生電壓讀取的功 能。具體是對輸入電壓初始化,創(chuàng)建模擬 輸出通道AO通道和模擬輸入通道AI通道,設(shè)置單通道單采樣的寫入通道以及設(shè) 置模擬波形1通道N來采樣,最終停止數(shù) 字輸出任務(wù),清除通道。在采集好vout數(shù) 據(jù)之后,需要把采集的電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為初 始質(zhì)量。
利用傳感器的公式,可得電壓轉(zhuǎn)化為 質(zhì)量的公式如下:
經(jīng)過多次實驗的測量,m-v初始系 數(shù)7.9035E- 7,再根據(jù)公式(2)求得初始質(zhì)量。
由公式(2)可看出,mv系數(shù)的大小 直接影響到質(zhì)量的精準(zhǔn)度,所以需要在后 續(xù)數(shù)據(jù)處理實驗中把初始質(zhì)量與理論質(zhì) 量相比較,對m-v初始系數(shù)進行不斷地微調(diào),使測得的質(zhì)量接近理論值。
數(shù)據(jù)處理子程序框圖(a) ((b)如圖5 所示,這段程序主要實現(xiàn)對于初始質(zhì)量的 微調(diào)功能。其基本原理是:將初始質(zhì)量與 理論值相比,如果差值絕對值大于0.1,則 將初始m- v系數(shù)7.9035E- 7相加3.6E-8, 得到新的mv系數(shù),由公式2可得到m-v 系數(shù)微調(diào)之后的質(zhì)量,再循環(huán)比較,不斷 微調(diào)m- v系數(shù),使最終m- v系數(shù)微調(diào)之 后的質(zhì)量與理論值的誤差小于0.1,輸出 結(jié)果。
3.2LabVIEW前面板設(shè)計
連接好PC后打開系統(tǒng)LabVIEW程序,進入前面板的用戶操作界面,配置好 正確的AO,AO通道及Vout通道,打開圖像可顯示50g砝碼的實際質(zhì)量,實現(xiàn)多 組數(shù)據(jù)的測量。實驗結(jié)束后,如果有需要, 也可把實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel,制作成圖像 進行進一步分析,實現(xiàn)電子秤的多功能。
實驗結(jié)果表明:系統(tǒng)實現(xiàn)了對質(zhì)量信 號的精確采集,通過前面板我們能非常直 觀的看到當(dāng)前所測的物體質(zhì)量并且可以 看出誤差較小,可精確到小數(shù)點后4位, 點擊stop按鈕即可退出系統(tǒng)。本系統(tǒng)實現(xiàn) 了對質(zhì)量進行精確測量的電子秤功能。
4.結(jié)論
利用虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)了智能電子秤功能,具有測量精確,實時性強等優(yōu)點, 該系統(tǒng)的擴展性極強,下一步將擴展其功 能,如遠程測量、用戶登錄等,該電子秤可 用于醫(yī)院藥劑稱量,實驗室精密測量等測 控領(lǐng)域。