一种用于叉车的网络化电子称重系统
技术领域
本发明应用在叉车称重领域,主要是针对普通叉车称重的问题,设计一种可精确称重,且安装简便的电子称重系统,使普通叉车具有安全、可靠的称重功能。
背景技术
普通叉车是指对成件托盘货物进行装卸、堆垛和短距离运输、重物搬运作业的各种轮式搬运车辆。对于普通叉车来说,其仅仅是应用于货物搬运的一种便捷工具,随着时代的进步,科学技术在不断的发展,叉车也在各行各业发挥其重要作用,但是其单一的搬运功能已经无法满足人们对叉车的要求,集成称重系统的叉车越来越受到企业的青睐,然而弃旧换新叉车,对于任何一个企业来说,都是一笔不菲的开销,而且淘汰的叉车处理起来不方便。
但现有叉车中继承的称重系统无法实现与外部设备间的通信功能,在企业网络化管理上具有一定的技术困难;且现有称重系统中采用的应变电阻式压力传感器通过信号调理电路进行信号处理后的称重结果无法满足社会的发展,各领域对称重测量的精度提出了更高的要求。下表1中给出了国内外压力传感器的技术指标,及生产商。
表1:
由表1可以看出目前国际上的已经将0.015%精度称重传感器商品化,而国内衡器制造商的核心传感器的精度水平最高只有0.02%普遍应用精度在0.5%,即使是高精度的电子衡器,其核心传感器也依赖于进口。
发明内容
本发明为了解决上述问题,提出一种安装在现有普通叉车上,可实现精确称重的网络化称重系统,且拆卸方便,使普通叉车将搬运能力和称重以及网络通信功能合为一体,使叉车搬运、称重与数据管理一次性完成。
本发明一种用于叉车的网络化电子称重系统,包括左称重架、右称重架、称重传感器与信号调理电路、控制器;其中,左称重架与右称重架结构相同,均包括称重支座、电路安装盒、称重传感器与载物板;所述称重支座顶面轴向上开有安装槽;电路安装盒底部竖直与称重支座后端固连;上述称重支座中的安装槽底面轴向上固定有两个称重传感器;所述载物板设置在称重支座顶面上,与称重支座内的称重传感器相连,连接后需保证在最大载荷下,载物板与称重支座顶面存在间隙;称重传感器通过信号调理电路驱动以及获取的压力信号的调理和采集。
所述信号调理电路安装在左称重架或右称重架中,左称重架与右称重架中的各称重传感器均与信号调理电路相连;信号调理电路通过航空接口与控制器相连。通过信号调理电路将经调理后的压力信号发送给控制器。通过控制器可实现与外部上位机间的信息通讯。
上述信号调理电路,包括高精度恒压源、前置放大器、模数转换模块、微控制器及无线通讯模块。
其中,高精度恒压源用来驱动应变电阻式传感器,为由参考电压源芯片REF102与PNP晶体管开关2N2905以及限流电阻R1构成10V恒压源;其中,参考电压源芯片REF102的2号引脚与PNP晶体管开关2N2905的基极相连,同时还通过限流电阻R1与12V直流电源正端相连;参考电压源芯片REF102的4号引脚接地;PNP晶体管开关2N2905的发射极与12V直流电源正端相连,集电极与参考电压源芯片REF102的6号引脚相连共同作为驱动电路的输出端,分别与应变电阻式压力传感器的电源的正负端相连。
所述前置放大器采用对应变电阻式传感器输出的差分信号进行放大的信号调理方式,由AD620芯片与AD705芯片、反馈电阻RF以及电阻R2和电阻R3构成。
其中,在AD620芯片中:2号引脚与3号引脚分别与应变电阻式传感器输出端相连,作为应变电阻式传感器输出的差分信号的正向、反向输入端;7号引脚连接10V电源正端;4号引脚接地;6号引脚作为前置放大器输出端的正极;1号引脚与8号引脚均与反馈电阻RF相连。
AD705芯片中:2号引脚与6号引脚均与AD620芯片的5号引脚相连,由此构成局部接地点;3号引脚与电阻R2和电阻R3的公共端相连;其中,电阻R3的另一端和7号引脚均与10V电源的正极相连;电阻R2的另一端与2号引脚相连;4号引脚接地;6号引脚作为放大器输出端的负极。
前置放大器的正向、反向输入端分别与应变电阻式压力传感器的差分信号输出端相连。前置放大器的输出端负极与模拟转换模块中的模拟输入端正极,并且前置放大器的输出端负极还与模拟地相连,并通过电感与模数转换模块中的电源地相连;输出端的正极与模数转换模块的模拟输入端负极相连,由此使前置放大器的输出端的正极作为单端信号输出,这样可以直接与模数转换模块耦合。
所述模数转换模块采用24位模数转换器采集经前置直流放大器放大后的差分信号,将其转换为数字信号通过SPI串行通信协议传递到微控制器;本发明中模数转换模块的具体结构为:模数转换模块由作为核心的高集成度的模数转换器芯片CS5532;模数转换器芯片CS5532中2号引脚用来作为模数转换模块的模拟输入端负极;模数转换芯片CS5532的1号引脚模拟输入端正极;9号引脚、10号引脚均与晶振相连;5号引脚通过电阻R4与15号引脚相连,并且与5V电源相连;5号引脚、15号引脚还分别通过一个去耦电容接电源地;3号引脚、4号引脚通过电容C1相连;16号引脚与6号引脚相连;6号引脚接电源地;7号引脚、8号引脚与微控制器的I/O端口相连;11~14号引脚与微控制器的SPI串口通信端相连。
所述无线通讯模块将测量信号以SCI串行通信标准输出,通过串口数据线与微控制器相连,实现工业现场的无线化控制与数据采集;微控制器通过无线发射/接收模块将测量信号以SCI串行通信标准输出;所述微控制器采用XS128_MAL系列16位微控制器。
本发明的优点在于:
1、本发明电子称重系统安装简单,且不影响货叉间距的调节,安全可靠,是一种节约能源,合理利用资源的电子称重系统。
2、本发明电子称重系统安装在叉车上,节约了先称重再搬运的步骤,最大限度的节省了时间,提高工作效率;
3、本发明电子称重系统带有防油板,可防止液压缸爆裂导致的液压油喷洒到所载的货物上,保证货物的安全;且具有防水防爆结构,抗干扰性强。
4、本发明电子称重系统中的信号调理电路具有高增益106,高精度,宽线性范围,增益程控自动调节,无线数据传输,低噪声,低功耗,低成本的特点。有效提高电子称重系统的精度;
5、本发明电子称重系统可实现网络通信功能,可与外部上位机间实现实时信息发送,使普通叉车将搬运能力和称重以及网络通信功能合为一体,使叉车搬运、称重与数据管理一次性完成。
附图说明
图1为本发明电子称重系统整体结构示意图;
图2为本发明电子称重系统中左称重架与右称重架内部结构示意图;
图3为本发明电子称重系统中左称重架或右称重架侧视剖视示意图;
图4为信号调理电路结构框图;
图5为信号调理电路中高精度恒压源电路图;
图6为信号调理电路中前置放大器电路图;
图7为信号调理电路中模数转换模块电路图;
图8为信号调理电路中电容C2连接方式图;
图9为信号调理电路中整体结构电路图;
图10为信号调理电路中具有2个前置放大器时的间连接方式图;
图中:
1-左称重架 2-右称重架 3-称重传感器 4-信号调理电路
5-控制器 6-调节机构 7-挡油板组件 8-走线管道
101-称重支座 102-电路安装盒 103-称重传感器 104-载物板
105-安装槽 106-加强筋 107-加固板 108-盖板
具体实施方式
下面结合附图来对本发明作进一步说明。
本发明用于叉车的网络化电子称重系统,如图1、图2所示,包括左称重架1、右称重架2、称重传感器3与信号调理电路4、控制器5。其中,左称重架1与右称重架2结构相同,均包括称重支座101、电路安装盒102、称重传感器103与载物板104;所述称重支座101底面长度与宽度不小于货叉顶面的长度与宽度,且顶面轴向上开有安装槽105用来安装称重传感器103,且作为称重传感器103的走线槽。电路安装盒102内部用来安装信号调理电路4,以及连接走线及功能扩展,电路安装盒102上开有检修口,方便内部连线的检修,检修口通过盖板108密封,由此保护内部结构;电路安装盒102底部竖直与称重支座101后端固连,由此形成“L”型结构的称重架。在安装槽105底面与侧壁相接处焊接有加强筋106,可大大提升了称重支座101的强度和刚性,同时凹槽两侧壁间通过加固板107固连,由此,可克服称重架因壁厚差别带来的应力不均所造成的称重架扭曲变形。上述称重支座101中的安装槽105底面轴向上固定有两个称重传感器103,两个称重传感器103间距不小于称重支座101长度的80%,由此使被称重货物的重量可完全分布在称重传感器103的支点上。所述载物板104设置在称重支座101顶面上,与称重支座101内的称重传感器103相连,连接后需保证在最大载荷下,载物板104与称重支座101顶面存在间隙,如图3所示,保证被称重货物的重量全部集中在各称重传感器103支点上,不会分散在称重架上,从而保证称重的准确性;且通过载物板104可对安装槽105内的称重传感器103进行保护,防止叉车液压升降过程中油污进入到安装槽105中,损坏内部称重传感器103与连接线路。
所述信号调理电路4用来对称重传感器103进行驱动并对称重传感器103获取的压力信号进行调理和采集,安装在左称重架1或右称重架2中,左称重架1与右称重架2中的各称重传感器103均与信号调理电路4相连。本发明中信号调理电路4具有高精度(万分之二),包括高精度恒压源、前置放大器、模数转换模块、微控制器及无线通讯模块,如图4所示。
其中,高精度恒压源用来驱动称重传感器,经过电路分析理论可知,电桥驱动电压的波动将引起电桥非平衡状态输出差分信号的波动,从而增加测量的不稳定性;而适当增加电桥的供电电压可以提高传感器的灵敏度,因此一种高精度的恒压源在应变电阻式压力传感器中起到了非常重要的作用。由此,本发明中高精度恒压源由作为核心的参考电压源芯片REF102与PNP晶体管开关2N2905与50~200Ω的限流电阻R1构成10V恒压源,如图5所示;其中,参考电压源芯片REF102的2号引脚与PNP晶体管开关2N2905的基极相连,同时还通过限流电阻R1与12V直流电源正端相连;参考电压源芯片REF102的4号引脚接地(电源负端);PNP晶体管开关2N2905的发射极与12V直流电源正端相连,集电极与参考电压源芯片REF102的6号引脚相连共同作为驱动电路的输出端,分别与称重传感器的电源的正负端相连,如图9所示。上述限流电阻R1的阻值大小范围为50~200Ω,限流电阻R1的阻值大小取决于所需要的驱动功率,经验公式为:最大输出电流Imax=20V/电阻阻值。本发明中限流电阻R1的阻值为100Ω,使上述结构的高精度恒压源的恒压源纹波小于0.05mV,最大输出功率达2W,纹波小于0.05mV。
所述前置放大器用来对称重传感器输出的微弱差分信号进行调理,转换为可以被模数转换模块采集的相对稳定的信号,通常信号调理方式包括放大、滤波、调制与解调等。本发明前置放大器采用对应变电阻式传感器输出的差分信号进行放大的信号调理方式,便于前置放大器的级联,由作为核心的AD620芯片与AD705芯片、反馈电阻RF以及20KΩ电阻R2和30KΩ电阻R3构成,如图6所示;其中,在AD620芯片中:2号引脚与3号引脚分别与应变电阻式传感器输出端相连,作为应变电阻式传感器输出的差分信号的正向、反向输入端;7号引脚连接10V电源正端;4号引脚接地(电源负端);6号引脚作为前置放大器输出端的正极;1号引脚与8号引脚均与反馈电阻RF相连,通过反馈电阻RF调整前置放大器的放大倍数,不同放大倍数选择的反馈电阻RF阻值,如下表2所示。
表2前置直流放大器放大倍数与反馈电阻阻值关系
反馈电阻阻值(Ω) |
增益 |
反馈电阻阻值(Ω) |
增益 |
49.9K |
1.990 |
1.00K |
50.40 |
12.4K |
4.984 |
499 |
100.0 |
5.49K |
9.998 |
100 |
495.0 |
2.61K |
19.93 |
49.9 |
991.0 |
AD705芯片中:2号引脚与6号引脚均与AD620芯片的5号引脚相连,由此构成局部接地点(Local Ground);3号引脚与电阻R2和电阻R3的公共端相连;其中,电阻R3的另一端和7号引脚均与10V电源的正极相连;电阻R2的另一端与2号引脚相连;4号引脚接地;6号引脚作为放大器输出端的负极。
如图9所示,前置放大器的正向、反向输入端分别与应变电阻式压力传感器的差分信号输出端相连。前置放大器的输出端负极与模拟转换模块中的模拟输入端正极,并且前置放大器的输出端负极还与模拟地相连,并通过电感值为10uH的电感与模数转换模块中的电源地相连;输出端的正极与模数转换模块的模拟输入端负极相连,由此使前置放大器的输出端的正极作为单端信号输出,这样可以直接与模数转换模块耦合。
本发明中在应变电阻式压力传感器与模数转换模块间可连接n个前置放大器,n≥1;当应变电阻式压力传感器传感器需要的放大倍数不高(小于1000倍)时,则本发明驱动、信号调理和采集装置中只需一个前置放大器对微弱差分信号进行一级放大即可,n=1,前置放大器通过上述连接方式与应变电阻式压力传感器、模数转换模块相连。当传感器需要的放大倍数很高(大于1000倍)时,经一个前置放大器进行一级放大后输出的差分信号可能还不能满足系统要求,由此可在前置放大器与模数转换模块间接入多个前置放大器,即n>1,实现对应变电阻式压力输出的差分信号进行2~n级放大,这样能够将传感器输出的微弱差分信号放大倍数提的更高。此时,应变电阻式压力传感器与前置放大器间,以及前置放大器与模数转换模块间同样采用上述方式连接。而两个前置放大器间的连接方式为:前一个前置放大器的输出端正极、负极分别与后一个前置放大器的输入端正极、负极相连,如图10所示。实际中前置放大器的个数n的选择需要根据应变电阻式压力传感器的输出信号的幅度有关。
所述模数转换模块采用24位模数转换器采集经前置直流放大器放大后的差分信号(模拟信号),将其转换为数字信号通过SPI串行通信协议传递到微控制器。本发明中模数转换模块的具体结构为:
模数转换模块由作为核心的高集成度的模数转换器芯片CS5532,由于运用了电荷平衡技术,其性能可以达到24位,非常适合测量称重仪表、过程控制、科学和医疗等应用领域的单/双极性小信号。如图7所示,模数转换器CS5532具有2个通道可供选使用,内部有一个极低噪声的斩波稳定仪表放大器(6nV/Hz0.1Hz),其增益可选择为1X、2X、4X、8X、16X、32X及64X。该模数转换器内部还有一个4阶的Δ∑调制器,其后跟随一个数字滤波器,它提供20种可供选择的输出字速率:6.25、7.5、12.5、15、25、30、50、60、100、120、200、240、400、480、800、960、1600、1920、3200及3840Sps(MCLK=4.9152MHz)。为了方便与微处理器之间的通讯,其内部还有一个与SPI和Microwire兼容的三线串行接口,在串行时钟口(SCLK)有一个施密特触发器。模数转换器芯片CS5532具有高动态范围、可编程输出字速率和灵活的电源配置选项等优点。
模数转换器芯片CS5532中2号引脚用来作为模数转换模块的模拟输入端负极。模数转换芯片的1号引脚为模数转换模块的模拟输入端正极。对于直流信号,可在CS5532的1、2号引脚间加入50~100uF的电容C2,如图8所示,这样可以滤除差分信中的高频噪声分量。但这会引起电路响应的实时性的降低,对于实时性较高的电路电容的选择应在0~1uF,即降低电容C2的容量值或者不加电容;9号引脚、10号引脚均与4.0592MHz晶振相连;5号引脚通过10Ω电阻R4与15号引脚相连,并且与5V电源相连;5号引脚、15号引脚还分别通过一个0.1uF去耦电容接电源地;3号引脚、4号引脚通过22nF电容相连;16号引脚与6号引脚相连。6号引角接电源地;7号引脚、8号引脚与微控制器的I/O端口相连,由此通过微控制器控制模数转换芯片CS5532的工作状态;11~14号引脚与微控制器的SPI串口通信端相连,由此向微控制器传输模数转换的结果以及控制模数转换过程。
如图9所示,所述微控制器采用XS128_MAL系列16位微控制器,该微控制器具有40MHz的总线速度;有64KB、128KB和256KB闪存选项,均带有错误代码纠错功能(ECC);带有ECC的、4KB至8KB DataFlash,用于实现数据或程序存储;配置12位模数转换器,可以实现3μs的转换时间;支持控制区域网(CAN)、本地互联网(LIN)和串行外设接口(SPI)协议,串行数据接口(SCI)协议;带有16位计数器的、8通道定时器;出色的EMC/运行和停止电流性能。
发明中采用无线通讯模块将测量信号以SCI串行通信标准输出,通过串口数据线与微控制器相连。可以实现工业现场的无线化控制与数据采集。微控制器通过无线发射/接收模块将测量信号以SCI串行通信标准输出。所述无线通信模块工作载频频率为431MHz~436MHz的开放ISM频段,免许可证使用;微发射功率,最大发射功率10mW(10dBm);抗干扰能力强,采用前向纠错编码,实际误码率低达10-5~10-6;传输距离远,在视距情况下,天线放置位置高于2m,可靠传输距离可达1000m(BER=10-3/1200bps),可靠传输距离大于700m(BER=10-3/4800bps),可靠传输距离大于500m(BER=10-3/9600bps)。
通过上述结构的信号处理电路结合称重传感器后,具有高增益106,高精度,宽线性范围,增益程控自动调节,无线数据传输,低噪声,低功耗,低成本的特点。
上述称重传感器与信号处理电路间的连接走线方式为:以在左称重架1中电路安装盒102内部安装信号调理电路4为例进行说明:左称重架1与右称重架1中的电路安装盒103间通过网状抗干扰防爆的走线管道8连通,走线管道8用于称重传感器3与信号调理电路4间的连接线路,同时对连接线路进行保护。在左称重架1中:称重传感器3连接线穿过电路安装盒103上开设走线孔与信号调理电路4相连;右称重架2中:称重传感器3连接线由电路安装盒103上开设的走线孔依次穿过由电路安装盒103内部与走线管道8后与信号调理电路4相连,通过上述连接方式,使连接线路不会影响货物的放置,以及左称重架1与右称重架2的安装。
所述信号调理电路通过在左称重架1中电路安装盒103顶部的安装的航空接口9与位于驾驶室内的控制器5相连,由此信号调理电路4将称重传感器3的压力测量信号发送到控制器5,通过控制器5中的显示模块对获取的测量信号进行显示,并进行存储。且控制器5还自带键盘录入模块,通过按键可键入各个重量下的货物信息(型号、标识、生产日期等)或文字信息,并通过显示模块与存储模块进行显示及存储。控制器中还具有无线通讯模块,通过无线通讯模块实现与上位机间的无线通讯功能,由此使上位机可随时调取控制器5获取到的测量信号与输入的货物信息或文字信息;且上位机还可向控制器5发送即时指令信息,并通过显示模块进行显示,使操纵者可第一时间接收到指令信息,操作者可通过键盘录入模块进行指令信息的回复,由此,实现操作者与外部管理者间的即时通信。控制器5中还具有报警模块,当货物重量超出控制器中设定的阈值时,控制器5进行警报。
通过螺栓将上述结构电子称重系统中左支撑架1与右支撑架2中称重底座固定在叉车的货叉上表面,使电路安装盒位于货叉后部,实现本发明电子称重系统与叉车间的固定。且本发明电子称重系统整体处于相对封闭的状态,且称重传感器连接电线与外界相对隔离,提高安全性和抗干扰性,可在各种恶劣环境下使用。