0 引言

近年来, 人们对水果品质的要求不断提高, 同时为了提高水果的商业价值, 扩大鲜果出口, 对水果进行严格的质量分级就变得尤为重要。而人工分级生产率低且分选精度不稳定, 实现水果的机械化、自动化分选作业势在必行。

目前, 国内外学者在利用机器视觉技术对水果外部品质检测方面进行了大量的研究, 取得了重大进展。现已能够利用机器视觉技术实时检测水果的大小、颜色、表面缺陷状况和果形等品质, 且效果令人满意。在水果质量分选方面, 国外研究比较成熟, 能够比较准确地检测动态水果的质量, 而国内在此方面研究的还较少。

多数情况下, 水果按外观品质要求分选完成后, 在包装上市之前还要求给出其质量值, 而目前的水果分选机大多侧重于机器视觉或质量单一方面的研究。为此, 拟在水果机器视觉分选机上安装一个称重模块, 使得分选机能实时检测水果的外观品质和质量, 并将水果质量信息与外观品质评定结果实时融合得出最终分选等级。本文基于AD7195芯片, 设计出了称重模块的调理电路。它主要实现桥式应变称重传感器信号的放大、AD转换、传感器的毫伏级信号与质量之间的线性转换以及质量信号的输出和处理。

1 调理电路概述

设计的调理电路主要有放大器、AD转换器、滤波器和微控制器等组成, 如图1所示。称重传感器输出的信号经放大电路放大、AD转换和滤波电路滤波后传给微处理器, 然后由微处理器对信号进行处理。

图1 高精度称重系统结构简图   下载原图

由于传感器动态特性中不可避免地存在非线性的成分, 因此本设计中微处理器利用特定的数学模型和数字处理技术对传感器的信号进行软件修正和补偿, 然后转换为质量信号并输出, 从而提高了测量结果的精度和线性度。

2 关键技术研究

本设计中, 电路实现的功能虽然简单, 但由于多种噪声的影响, 对于一般满量程输出为20mV的传感器, 要达到0.15μV/20mV的精度, 还是十分困难的。激励源、参考源性能以及热偶电压、温漂、噪声等因素都影响了精度的提高。经反复对比, 设计的调理电路采用比率测量方法克服激励源、参考源性能对测量精度的影响, 用交流激励抑制热偶电压、温漂、噪声等因素的影响, 并针对应变式称重传感器本身的特点, 采用线性插值方法建立AD转换输出值与质量值之间的对应关系, 且采用三次多项式最小二乘拟合对数据进行补偿, 以提高测量结果的线性度和重复精度。

2.1 比率测量

A/D 的精度与基准源及电源密切相关, 而在电源类芯片中, 以参考源类芯片的精度和热稳定性最好。然而一个性能相当好的电源芯片, 以ADI公司参考源芯片AD780为例, 这是一个性能相当好的电源芯片, 它的精度为2.5V±1mV (max) , 温漂为3×10-6/℃ (max) , 也就是说它本身的精度也只有0.04% 。假设环境温度变化50℃, 则温漂将达到0.015%, 无法达到系统精度要求 (0.15μV/20mV) 。

所谓比率测量, 就是A/D芯片的参考源和激励源电压由同一电源芯片所提供, 图2所示为比率测量方法的原理。

图2 比率测量原理   下载原图

比率测量中, A/D转换的基准电压Uref采用供桥电压 (供给应变电桥传感器的激励电源电压) 分压得到, 即供桥电压UDD与基准电压Uref成比例关系。则

Uref=A'UDD (1)

其中, A′为分压比。

传感器的输出信号电压UO为

Uo=βFUb (2)

其中, β为传感器的灵敏度;F为传感器上所受重力的相对值。

A/D转换器的输入电压平均值Ui为

Ui=AUo (3)

其中, A为前置放大器的放大倍数。

AD转换器的输出值N为

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

其中, N1为时间常数。

根据式 (1) ～式 (4) , 求得

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

其中, A, β, N1, A′都是常数。

由式 (5) 可知, 采用比率电压测量技术后, AD转换器的输出值N只是被称质量F的函数, 与供桥电压UDD无关。这样就消除了由于供桥电压的不稳定而产生的计量误差, 从而在很大程度上提高了测量结果的精度。

2.2 激励方式

应变电桥式称重传感器属于无源传感器, 需要外加直流或交流激励。直流激励的优点是实施简单、成本低, 其缺点是由失调和寄生信号感生的热偶效应产生的直流误差信号混杂在实际信号中, 它们将以不可预测的方式改变。虽然交流激励方法实施起来成本高, 但可大大提高称量的精度。

要达到0.15μV/20mV的精度, 则系统中的失调电压之和必须至少小于0.15μV, 但系统中不可避免存在某些失调误差源, 再加上温漂、噪声干扰的影响, 混在在实际信号中的误差电压大大超过了系统设计要求的最小分辨电压的大小。

图3所示是一般电桥激励中选用的直流激励方法。假设EOS是所有失调电压之和, 则传感器的输出电压为UOUT=UA+EOS。图4为采用交流激励时正向激励和反向激励的电桥电压输出情况。正向激励时UOUT=UA+EOS, 反向激励时UOUT=UA-EOS, 则失调电压之和EOS在2次测量中被消去。因此, 通过交流激励, 可以有效抑制系统中与被测信号相串联的失调电压的干扰。

图3 直流激励   下载原图

图4 交流激励   下载原图

2.3 数据处理

本设计的标度转换是线性转换, 转换公式可写为

Y= (Y1-Y0) × (X-N0) / (N1-N0) +Y0

其中, Y为参数测量值;Y1为参数量程终点值;Y0为参数量程起始值;X为测量值所对应的模数转换输出值;N1为量程终点所对应的模数转换值;N0为量程起点对应的模数转换值。

以上的Y0, Y1, N0, N1对于某一固定的被测量参数来说是常数, 对于不同的被测参数它们有不同的值。本设计是基于单片机的测量系统, 因此可以随被测对象的不同用软件的方法来进行不同的标度转换, 这就使得它具有很好的可移植性和通用性。

由于传感器动态特性中不可避免地存在非线性的成分, 因此应对输出信号进行非线性补偿。实验分析表明, 三阶多项式最小二乘曲线拟合能得到很好的效果, 因此本系统选用此法对数据进行补偿。

3 电路的硬件实现

该电路的5V电源由ADP3303低噪声调节器产生;微控制器选用成本较低的8位单片机AT89s52;AD芯片选用ADI公司生产的AD7195芯片。

ADP3303属于ADP330x系列精密低压差anyCAP稳压器, 采用新颖的架构、改良的工艺和新封装, 与传统低压差线性稳压器相比性能更出色。它采用专利设计, 仅需一个0.47μF输出电容便可保持稳定。这款器件使用任何电容均可稳定工作, 与电容的ESR (等效串联电阻) 值无关, 包括适合空间受限应用的陶瓷型 (MLCC) 电容。ADP3303在室温条件下可以达到±0.8%的出色精度, 温度、线路和负载调节的整体精度为±1.4%。200mA时, 其压差仅180mV (典型值) 。除了全新的架构和工艺之外, ADI公司的新式专有散热增强型封装, 可以处理1W功耗。 ADP3303具有较宽的输入电压范围 (3.2～12V) , 并提供200mA以上的负载电流。该器件具有一个错误标志, 当该器件即将产生失调时, 或者短路、热过载保护激活时, 该错误标志会显示相关信息。

AD7195是一款适合高精密测量应用的低噪声完整模拟前端。它集成一个低噪声、24位Σ-Δ型模数转换器 (ADC) 。片内可编程低噪声增益前端意味着可直接输入小信号, 内置交流激励用于消除桥式传感器中的直流感应偏置。这款芯片可配置为两路差分输入或四路伪差分输入, 片内4.92MHz时钟可以用作ADC的时钟源, 也可以使用外部时钟或晶振。AD7195具有自校准、系统校准和背景校准功能, 可以消除零点误差、满量程误差及温度漂移的影响。它的输出数据速率可在4.7Hz～4.8kHz范围内变化, 且具有零延迟特性。

AD7195 的输入信号加至专有的基于模拟调制器、具有可编程增益的前端, 调制器的输出由片内数字滤波器处理, 并且通过片内控制寄存器可对此数字滤波器编程, 允许选择滤波器的截止频率和稳定时间;但滤波器的选择会影响以编程输出数据速率工作时的均方根噪声和无噪声分辨率。

前端数据采集电路如图5所示。质量信号转换为电压信号输出, AD7195芯片得到信号后经过放大、滤波, 然后将模拟信号转换为数字信号输出到AT89s52单片机。单片机对采集到的信号进行补偿, 转换为质量, 然后可通过LED显示或者通过串口连接到PC机上进行存储或进一步的分析处理。

图5 前向数据采集电路图   下载原图

4 实验与结果

设计的调理电路中, AD7195采用5 V基准电压, 增益设置为128且器件配置为双极性工作模式。称重传感器的满量程输出为20 mV, 一阶滤波器陷波设置值为4.7Hz, 此时AD7195的均方根噪声为6 nV, 峰值噪声为40 nV。此时, 理论无噪声采样数为

n=20mV40nV=500 000$n=\frac{20\text{m}\text{V}}{40\text{n}\text{V}}=500000$ (6)

如果选用的称重传感器满量程为1 000g, 则理论上水果分选机称重模块可以达到的分辨力为

1 000500 000=0.002$\frac{1000}{500000}=0.002$g (7)

在实际操作中, 称重传感器本身会引入一定的噪声。AD7195的漂移也会导致输出结果产生一定的时间和温度漂移。为验证调理电路的精度, 把调理电路接上量程1 000g, 满量程输出为20mV的称重传感器。分别选择0.5, 1, 10, 100, 500g的5个砝码, 对每个砝码进行8次测量, 测量结果如表1所示。

表1 实验测量结果 g 导出到EXCEL

测量结果表明, 系统的精度达到0.02, 重复性为0.011。同时, 对8组数据进行拟合, 得到非线性误差为0.004 3%, 说明系统具有较高的线性度。尽管系统的实际精度低于理论值很多, 但是完全可以满足水果称重的需要。

5 结论

本文基于AD7195芯片设计出了水果分选机称重模块的调理电路。通过采用比率测量和交流激励的数据测量方法, 提高了测量的精度。软件非线性数据补偿确保了输出的高线性度和测量结果的重复性。实验表明, 该调理电路具有较高的称量精度、线性度和重复性, 可满足大多数水果的称重分选的要求。