多头秤的称重控制器
作者：Smartweigh多头配重器
1. 多头秤称重控制器组成及技术参数 多头秤是一种常用的在线动态称重系统，主要由输送带、托架、筛分设备、称重控制器、净重设定设备等组成，具有自动识别、动态测量验证等特点。工作时，无需人工控制，输送带会自动将待称重的原材料送至托架，称重平台两侧的两个光学检测组件会识别待称重原材料的位置，并根据预设的净重设定范围进行筛分。为了更好地根据输送带的速度保持待称重原材料在秤上的稳定，称重控制面板应具备快速、准确、可靠的功能。
该称重控制器用于控制硫化橡胶领域胎面压力测试组的胎面多头称重机。它主要由51台单片机组成的自动控制系统、前置放大器、设定装置、筛选结果显示灯、电子计数器、复印机、开关电源等组成。其基本原理框架如图1所示。
前置放大器放大工作压力传感器输出的毫伏级数据信号，将其转换为差分信号，并发送至CS-51单片机自动控制系统进行数据处理。系统将净重值与设定范围进行比较，比较结果通过显示灯的亮灭显示信息、电子计数器计数以及启动复印机记录生产数据信息来得出。称重控制器具有两种工作模式：运行模式和校准模式。选择校准模式时，系统将输入静态数据并正常显示信息。
此时，将待称重物放置于称重平台上，控制面板将显示待称重物的净重，并可对秤进行校准。选择操作方式后，称重控制器将进入动态称重筛选操作。此时，称重控制器将检测称重平台两侧待称重部件的光学数据信号，识别出履带部件，并执行动态称重筛选操作。
在我国，多头秤所用的称重控制器大多为进口产品，而国内自主研发的产品大多是在通用称重显示器的基础上发展而来。净重筛选等级是通过键盘输入的。在正常情况下，实际操作人员无法看到预设值，图像质量差，调整也不方便。我们自主研发的称重控制器仿照国外产品，在控制板的控制面板上设置了四个四位拨码开关来设定净重筛选范围。这四个拨码开关可以根据加工工艺细分为五个净重等级（见图2）。
四位数数据的前两位代表整数，后两位代表小数。在动态称重筛选的整个过程中，预设值可随时调整。在控制面板上为每个净重设置相应的显示灯和计数器。
实际操作人员可根据净重误差上限和下限的趋势分析，立即调整胎面挤出入口的工作压力，从而控制胎面的净重。这种方式非常直观便捷。六个六位数字寄存器分别记录合格称重、上限误差、下限误差、上限偏差、下限偏差、产量（包括合格品、上限误差和下限误差）等数据信息。
它配备复印功能，可复印诸如产量等数据和信息，方便生产车间管理。对于偏差过大或过小的不合格产品，筛分设备会自动启动剔除，并发出警报提醒操作人员注意。称重控制器不仅具备动态称重和筛分功能，还具备零点自动跟踪、去皮、清零等功能，是一款高精度通用显示仪表。
其主要性能参数如下：显示屏：四位七段LED数码管；显示屏分辨率：3亿以上；传感器支持开关电源：DC15V；1个16位打印机接口；工作温度：10-40℃；电源系统开关电源：AC380V/5Hz。其次，软件开发。手机软件的所有系统软件均分为后台运行和前台程序流程。复制、数据处理方法、净重筛选和识别等不太实用的内容分配给后台运行；而收集、定时执行等更实用的内容则分配给前台运行。软件开发采用模块化设计结构，根据日常任务划分为多个程序模块，便于调整、扩展和移植。
图3所示为源程序的简化框架图。为了进行静态数据加权和动态筛选加权，程序流程主要包括功能分析和抗干扰设计。以下分别进行详细描述。
1. 功能分析 手机软件的功能分析主要在于设计各种程序模块，并根据这些程序模块执行各种必要的日常任务。在本程序流程中，手机软件执行的关键功能可能包括：零点自动跟踪；剥离；零点校准；数据采集；定时执行；读取按键并进行设置；操作/检查转换；复制；根据操作方法解锁显示的信息值；在系统监控程序的管理下，该程序模块根据预定的实施方案执行静态数据称重或动态筛选称重。
2. 抗干扰设计方案 由于多头秤工作于工业生产的自然环境中，现场存在各种干扰因素，危及秤的正常工作。因此，除了硬件配置的抗干扰对策外，作为第二道防线的手机软件抗干扰对策也至关重要且不可或缺。完善的系统软件不仅要进行功能分析，还要制定抗干扰设计方案，以提高系统软件的可靠性。
系统软件针对手机软件选择了以下两种抗干扰对策：（1）模拟信号I/O安全通道的抗干扰电磁干扰大多呈毛刺状，且作用时间较短。根据这一特性，在采集净权重数据信号时，可以连续采集多次，直至两次连续采集的结果完全一致，该数据信号才算合理。如果多次采集后数据信号仍然不一致，则舍弃当前采集的数据信号。
每次采集的最大频率限制以及连续相同频率的采集次数可根据具体需求进行调整。本程序流程中最大采集次数为4次，连续采集2次也是合理的。对于输出安全通道，即使MCU设计为获取正确的输出数据信息，输出设备仍可能因外部因素影响而获取错误数据信息。
在手机软件方面，一种较为合理的抗干扰对策是重复输出相同的数据信息。重复周期尽可能短，使得外围设备在收到受影响的错误报告后无法及时做出合理响应，此时相应的输出信息内容已经再次到达。这样就能立即避免出现错误姿态。
在此程序流程中，输出被置于定时执行中断中，可以合理地避免输出错误操作。(2) 数字滤波针对的是采集到的净权重数据信号，该信号往往受到任意因素的影响，因此需要从数据信息序列乘积中提取出接近数据点真实值的数据信息，从而获得高度真实的结果。在手机软件中，常用的方法就是数字滤波。
该程序流程分为静态数据称重和动态筛分称重两部分。由于称重方式不同，所采用的数字滤波方法也不同。两种称重方式分别采用的数字滤波方法如下所示。
¹静态数据称重：静态数据称重的关键在于系统软件的可靠性和精度。必须考虑稳定条件下显示信息的相对稳定性以及加载过程中的快速响应。因此，首先应进行采集数据信息的可靠性识别，然后再进行数字滤波处理。
在数字滤波过程中，为了提高实际滤波效果，选用移动平均滤波技术。具体方法如下：每次采样时，先剔除最早的数据信息之一，然后将本次采样值与之前多次采样值取平均值，得到每次采样的合理值。因此，该方法提高了系统软件的可用性。
采样频率N的选择对滤波的实际效果影响很大。N值越大，实际效果越好，但会危及系统软件的动态响应。在本称重控制器中，为了提高系统软件的可靠性和快速响应能力，在系统稳定时N值为32，在系统不稳定时N值为8。
由于选择了合理的滤波方法，系统软件的可靠性、精度及其加载响应时间得到了进一步提高。动态筛分称重：在动态筛分称重过程中，物料快速落到称重平台上。物料在1.5秒内到达秤台，因此必须在1秒内完成取样。
这样一来，采样频率就受到了限制。此外，由于履带在快速调整到称重平台时会产生一定的振动，这会影响采样值。因此，考虑哪些数据信息有效以及选择何种数字滤波技术来抑制强烈的电磁干扰危害至关重要。
根据具体观察，多头秤的称重数据信号波形如图5所示。图中，从履带到达称重平台到离开称重平台的过程分为三个阶段：第一阶段为时间t，即履带到达称重平台到完全进入称重平台的整个过程，此时净重数据信号为零。第二阶段为第九阶段，此时履带完全进入称重平台，该阶段为称重阶段。第三阶段为时间t，即履带离开称重平台的整个过程，此时净重数据信号缓慢下降至零。
在九个称重段的起始和结束位置，称重数据信号受到的影响相对较大。在山地段，即履带位于称重平台中间位置时，称重数据信号相对稳定。因此，选择Δt时间范围的数据信息更为理想。
使用放置好的秤走到光电开关末端，启动称重控制器接收动态采样数据信息，并在规定时间内进行采样。采样频率N与采样率相关，采样速度越快，采集频率N越高。光电开关的安装必须确保采集到的视觉数据是待称重物体位于维泰山市时的数据信息。
由于采集到的N个数据信息均受不同因素影响，因此需要选择合理的滤波方法才能获得胎面净重的真实值。本程序选择复合滤波技术，即将两种或两种以上数字滤波方法结合应用，以弥补单一滤波方法无法达到的效果，从而提高滤波的实际效果。此处选择最大值滤波法和算术平均滤波法相结合的滤波方法。
去极大值滤波首先去除显著的单脉冲影响值，并且不进行均值计算，从而使均值滤波的输出值更接近真实值。优化算法的基本原理如下：持续采样N次，累加并求和，找出其中的最大值和最小值，然后从累加值中减去最大值和最小值，并根据N个采样值计算一到两个采样值的均值，即得到一个合理的采样值。复合滤波流程图如图5所示的称重数据信号波形图所示。从踏板到达称重平台到离开，分为三个环节：第一阶段为时间t段，即踏板到达称重平台的时间。从踏板到达平台到完全离开称重平台的整个过程中，净重数据信号在此期间缓慢上升；第二阶段是时间段 9，踏板完全位于秤台上，此阶段为称重阶段；第三阶段是时间 t。
该段是指履带离开称重平台的整个过程，在此期间，净重数据信号缓慢下降至零。在九个称重段的起始和结束位置，称重数据信号受到的影响相对较大。在“山峰段”，即履带位于称重平台中间位置时，称重数据信号相对稳定。
因此，选择Δt时间段的数据信息更为理想。利用放置的秤走到光电开关末端，启动称重控制器接收动态采样数据信息，并在Δt时间段内进行采样。采样频率N与采样率相关，采样速度越快，采集到的频率N越高。
安装光电开关时必须确保公式中采集值的算术平均值为 N，其中 N 为两次采样值的算术平均值；w 为第 i 个采样值；N 为采样频率。为了便于计算，采样频率通常选择为 6、10、18 等，例如 2 的整数次方（即 2 加 2），这样便于使用移位运算而非除法运算。在本程序流程中，解决方案是在采样过程中选择的，因此无需在标尺 AM 中开发数据信息存储区域。
经过数字滤波后得到W值，然后进行剥离、平均误差转换等数据处理，得到胎面净重值，用于显示信息、识别和复制。当第二个光电开关检测到胎面完全离开称重平台后，启动零点跟踪组装器，选择大样本并进行拖拽平均滤波，自动去除皮重，为下一个胎面的到来做好准备。3. 结论 该称重控制器功能完善，抗干扰能力强，不仅适用于硫化橡胶领域的胎面筛选作业，也适用于鸡蛋、硬币、牲畜、工业生产线等各种多头秤的运行。
目前，我国部分厂家引进的多头秤已使用超过十年，部分称重控制器已无法正常工作，亟需更换。此外，还有一些厂家仍在使用脚踏式多头秤，这种秤对于生产制造而言并非必需。因此，称重控制器在当今具有极高的市场推广价值。
作者：Smartweigh多头配重器制造商
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