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0 引言

近年來, 人們對水果品質的要求不斷提高, 同時為了提高水果的商業價值, 擴大鮮果出口, 對水果進行嚴格的質量分級就變得尤為重要。而人工分級生產率低且分選精度不穩定, 實現水果的機械化、自動化分選作業勢在必行。

目前, 國內外學者在利用機器視覺技術對水果外部品質檢測方面進行了大量的研究, 取得了重大進展。現已能夠利用機器視覺技術實時檢測水果的大小、顏色、表面缺陷狀況和果形等品質, 且效果令人滿意。在水果質量分選方面, 國外研究比較成熟, 能夠比較準確地檢測動態水果的質量, 而國內在此方面研究的還較少。

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

1 調理電路概述

設計的調理電路主要有放大器、AD轉換器、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放大電路放大、AD轉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行處理。

圖1 高精度稱重系統結構簡圖   下載原圖

由于傳感器動態特性中不可避免地存在非線性的成分, 因此本設計中微處理器利用特定的數學模型和數字處理技術對傳感器的信號進行軟件修正和補償, 然后轉換為質量信號并輸出, 從而提高了測量結果的精度和線性度。

2 關鍵技術研究

本設計中, 電路實現的功能雖然簡單, 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。經反復對比, 設計的調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, 并針對應變式稱重傳感器本身的特點, 采用線性插值方法建立AD轉換輸出值與質量值之間的對應關系, 且采用三次多項式最小二乘擬合對數據進行補償, 以提高測量結果的線性度和重復精度。

2.1 比率測量

A/D 的精度與基準源及電源密切相關, 而在電源類芯片中, 以參考源類芯片的精度和熱穩定性最好。然而一個性能相當好的電源芯片, 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% 。假設環境溫度變化50℃, 則溫漂將達到0.015%, 無法達到系統精度要求 (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轉換的基準電壓Uref采用供橋電壓 (供給應變電橋傳感器的激勵電源電壓) 分壓得到, 即供橋電壓UDD與基準電壓Uref成比例關系。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。

AD轉換器的輸出值N為

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

其中, N1為時間常數。

根據式 (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。

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

2.2 激勵方式

應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。直流激勵的優點是實施簡單、成本低, 其缺點是由失調和寄生信號感生的熱偶效應產生的直流誤差信號混雜在實際信號中, 它們將以不可預測的方式改變。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。

要達到0.15μV/20mV的精度, 則系統中的失調電壓之和必須至少小于0.15μV, 但系統中不可避免存在某些失調誤差源, 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設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EOS是所有失調電壓之和, 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, 可以有效抑制系統中與被測信號相串聯的失調電壓的干擾。

圖3 直流激勵   下載原圖

圖4 交流激勵   下載原圖

2.3 數據處理

本設計的標度轉換是線性轉換, 轉換公式可寫為

Y= (Y1-Y0) × (X-N0) / (N1-N0) +Y0

其中, Y為參數測量值;Y1為參數量程終點值;Y0為參數量程起始值;X為測量值所對應的模數轉換輸出值;N1為量程終點所對應的模數轉換值;N0為量程起點對應的模數轉換值。

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

由于傳感器動態特性中不可避免地存在非線性的成分, 因此應對輸出信號進行非線性補償。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, 因此本系統選用此法對數據進行補償。

3 電路的硬件實現

該電路的5V電源由ADP3303低噪聲調節器產生;微控制器選用成本較低的8位單片機AT89s52;AD芯片選用ADI公司生產的AD7195芯片。

ADP3303屬于ADP330x系列精密低壓差anyCAP穩壓器, 采用新穎的架構、改良的工藝和新封裝, 與傳統低壓差線性穩壓器相比性能更出色。它采用專利設計, 僅需一個0.47μF輸出電容便可保持穩定。這款器件使用任何電容均可穩定工作, 與電容的ESR (等效串聯電阻) 值無關, 包括適合空間受限應用的陶瓷型 (MLCC) 電容。ADP3303在室溫條件下可以達到±0.8%的出色精度, 溫度、線路和負載調節的整體精度為±1.4%。200mA時, 其壓差僅180mV (典型值) 。除了全新的架構和工藝之外, ADI公司的新式專有散熱增強型封裝, 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以上的負載電流。該器件具有一個錯誤標志, 當該器件即將產生失調時, 或者短路、熱過載保護激活時, 該錯誤標志會顯示相關信息。

AD7195是一款適合高精密測量應用的低噪聲完整模擬前端。它集成一個低噪聲、24位Σ-Δ型模數轉換器 (ADC) 。片內可編程低噪聲增益前端意味著可直接輸入小信號, 內置交流激勵用于消除橋式傳感器中的直流感應偏置。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、系統校準和背景校準功能, 可以消除零點誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響。它的輸出數據速率可在4.7Hz～4.8kHz范圍內變化, 且具有零延遲特性。

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

前端數據采集電路如圖5所示。質量信號轉換為電壓信號輸出, AD7195芯片得到信號后經過放大、濾波, 然后將模擬信號轉換為數字信號輸出到AT89s52單片機。單片機對采集到的信號進行補償, 轉換為質量, 然后可通過LED顯示或者通過串口連接到PC機上進行存儲或進一步的分析處理。

圖5 前向數據采集電路圖   下載原圖

4 實驗與結果

設計的調理電路中, AD7195采用5 V基準電壓, 增益設置為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稱重模塊可以達到的分辨力為

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的漂移也會導致輸出結果產生一定的時間和溫度漂移。為驗證調理電路的精度, 把調理電路接上量程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, 對每個砝碼進行8次測量, 測量結果如表1所示。

表1 實驗測量結果 g 導出到EXCEL

測量結果表明, 系統的精度達到0.02, 重復性為0.011。同時, 對8組數據進行擬合, 得到非線性誤差為0.004 3%, 說明系統具有較高的線性度。盡管系統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 結論

本文基于AD7195芯片設計出了水果分選機稱重模塊的調理電路。通過采用比率測量和交流激勵的數據測量方法, 提高了測量的精度。軟件非線性數據補償確保了輸出的高線性度和測量結果的重復性。實驗表明, 該調理電路具有較高的稱量精度、線性度和重復性, 可滿足大多數水果的稱重分選的要求。