CN201361622Y - 基于斜率滤波算法的快速重量分选系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于斜率滤波算法的快速重量分选系统。支撑横梁通过支杆连接于机柜上的导轨上，测量控制单元安装于机柜上；上料机构、称重机构和下料机构依次安装在支撑部件上；过渡挡板安装于上料、称重机构之间的上料机构固定板上；另一过渡挡板安装在称重、下料机构之间的称重机构固定板上；剔除装置安装在支架上，靠近下料机构一侧；剔除装置的信号线和称重传感器的信号通过高速数据采集系统连接到测量控制单元。通过斜率滤波算法对称重传感器的响应信号进行处理，计算出被测物的重量，根据存储于测量控制单元的规格参数等对被测物进行重量分选。本系统测量和分选实现完全自动化，测量分选精度高，特别适用于生产线快速在线检测和分选。

Description

基于斜率滤波算法的快速重量分选系统

技术领域

本实用新型涉及称重领域，特别适用于定量包装行业高速高精度在线重量分选领域。

背景技术

随着国内劳动力成本的提高以及国际市场环境对我国加工业的要求，自动称重分选系统在食品包装、饮料罐装、缺件检测、果蔬分选等行业得到了越来越广泛的应用。另外，重量分选的质量往往直接和商业贸易联系，因此分选的不确定度直接影响交易双方的利益；产品生产行业的称重计量精度直接影响着商家和消费者的利益；随着中国加入WTO以及综合国力的提升，涉外商业贸易的称重计量不仅关系我国的直接经济利益，而且影响我国的形象以及经济外交的主动权。

然而目前很多重量分选系统往往不能很好处理好分选精度和分选速度的矛盾，有的厂商为了提高分选效率往往要以牺牲分选精度为代价；相仿有的厂商为了达到较高的分选精度，就不能做到快速的分选。本实用新型的结构设计和软件设计很好的解决了两者的矛盾，达到高精度的快速分选。

发明内容

针对的现有称重分选系统分选速度和分选精度的矛盾，以及测量系统结构设计复杂、灵活性差的缺点，本实用新型的目的在于提供提出一种基于斜率滤波算法的快速重量分选系统。

本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型的支撑横梁通过支杆连接于机柜上的导轨上，测量控制单元安装于机柜上；上料机构、称重机构和下料机构依次安装在支撑部件上；第一块过渡挡板安装于上料机构和称重机构之间的上料机构固定板上；第二块过渡挡板安装在称重机构和下料机构之间的称重机构固定板上，三者的工作面在一个平面上；剔除装置支架安装于支撑横梁上靠近下料机构一侧，剔除装置安装在剔除装置支架上，且高于上料机构、称重机构和下料机构的工作面；剔除装置的信号线和称重传感器的信号通过高速数据采集系统连接到测量控制单元；其中：

1)上料机构：包括上料机构固定板、上料机构固定连接板、锁紧螺丝、调节滑块以及安装在上料机构固定板间的传动轮组和上料机构皮带；上料机构固定板通过上料机构固定连接板连接，上料机构固定板间安装的有传动轮组和上料机构皮带；上料机构固定连接板和调节滑块相连，安装在支撑部件上，通过锁紧螺丝锁紧；

2)称重机构：包括称重机构固定板、称重机构固定连接板、锁紧螺丝、调节滑块以及安装在称重机构固定板间的主动轮、从动轮和称重机构皮带；称重机构固定板通过称重机构固定连接板连接，称重机构固定板间安装主动轮、从动轮和称重机构皮带；称重机构固定连接板通过称重传感器和调节滑块相连，安装在支撑部件上，通过锁紧螺丝锁紧；主动轮和称重机构固定板之间安装有隔振环，称重传感器和调节滑块之间安装有隔振垫；

3)下料机构：包括下料机构固定板、下料机构固定连接板、锁紧螺丝、调节滑块以及安装在下料机构固定板间的传动轮组和下料机构皮带；下料机构固定板通过下料机构固定连接板连接，下料机构固定板间安装有传动轮组和下料皮带；下料机构固定连接板和调节滑块连接安装在支撑部件上，通过锁紧螺丝锁紧；

所述的测量控制单元包括单片机系统、通讯模块、测量模块、按键显示模块和控制模块，单片机系统分别与通讯模块、测量模块、按键显示模块和控制模块相连。

本实用新型具有的有益效果是：

1)测量精度高：采用动态基准电压技术、斜率滤波算法和多级隔振方案，保证了最终测量结果的精度。

2)测量速度快：独特的斜率滤波算法和紧凑型测量方式，保证了较快的测量分选速度。

3)结构简单，且各机构相对位置灵活可变；测量和分选实现完全自动化，测量分选精度高，特别适用于生产线快速在线检测和分选。

附图说明

图1是系统正视图。

图2是系统侧视图。

图3是系统俯视图。

图4是称重机构示意图。

图5是斜率滤波算法流程图。

图6是测量控制单元的系统框图。

图7是测量控制单元的通讯模块。

图8是测量控制单元的单片机系统。

图9是测量控制单元的测量模块。

图10是测量控制单元的按键显示模块。

图11是测量控制单元的控制模块。

图注：1、测量控制单元；2、机柜；3、支撑部件；4、剔除装置；5、下料机构；6、称重机构；7、上料机构；8、第一过渡挡板；9、称重传感器；10、高速数据采集系统；11、锁紧螺丝；12、隔振垫；13、隔振环；14、调节螺丝；16、支杆；17、剔除装置支架；18、第二过渡挡板；19、上料机构固定连接板；20、调节滑块；21、称重机构固定连接板；22、锁紧螺丝；23、调节滑块；24、下料机构固定连接板；25、调节滑块；26、锁紧螺丝；27、上料机构固定板；28、称重机构固定板；29、下料机构固定板；31、称重机构从动轮；32、称重机构主动轮；33、称重机构皮带。

具体实施方式

在图1、图2、图3和图4中，支撑横梁3通过支杆16连接于机柜2上的导轨上，测量控制单元1安装于机柜2上；上料机构7、称重机构6和下料机构5依次安装在支撑部件3上；第一块过渡挡板8安装于上料机构7和称重机构6之间的上料机构固定板27上；第二块过渡挡板18安装在称重机构6和下料机构5之间的称重机构固定板28上，三者的工作面在一个平面上；剔除装置支架17安装于支撑横梁3上靠近下料机构5一侧，剔除装置4安装在剔除装置支架17上，且高于上料机构7、称重机构6和下料机构5的工作面；剔除装置4的信号线和称重传感器9的信号通过高速数据采集系统10连接到测量控制单元1；其中：

1)上料机构7：包括上料机构固定板27、上料机构固定连接板19、锁紧螺丝11、调节滑块20以及安装在上料机构固定板27间的传动轮组和上料机构皮带；上料机构固定板27通过上料机构固定连接板19连接，上料机构固定板27间安装的有传动轮组和上料机构皮带；上料机构固定连接板19和调节滑块20相连，安装在支撑部件3上，通过锁紧螺丝11锁紧；

2)称重机构6：包括称重机构固定板28、称重机构固定连接板21、锁紧螺丝22、调节滑块23以及安装在称重机构固定板28间的主动轮32、从动轮31和称重机构皮带33；称重机构固定板28通过称重机构固定连接板21连接，称重机构固定板28间安装主动轮32、从动轮31和称重机构皮带33；称重机构固定连接板21通过称重传感器9和调节滑块23相连，安装在支撑部件3上，通过锁紧螺丝22锁紧；主动轮32和称重机构固定板28之间安装有隔振环13，称重传感器9和调节滑块23之间安装有隔振垫12；

3)下料机构5：包括下料机构固定板29、下料机构固定连接板24、锁紧螺丝26、调节滑块25以及安装在下料机构固定板29间的传动轮组和下料机构皮带；下料机构固定板29通过下料机构固定连接板24连接，下料机构固定板29间安装有传动轮组和下料皮带；下料机构固定连接板24和调节滑块25连接安装在支撑部件3上，通过锁紧螺丝26锁紧；

在图6中，测量控制单元1包括单片机系统、通讯模块、测量模块、按键显示模块和控制模块，单片机系统分别与通讯模块、测量模块、按键显示模块和控制模块相连；其中：

在图8中，单片机系统：包括单片机ARM2136及其外围电路组成；外围电路包括：基准电压电路、晶振电路、电源电路和复位电路；

在图7中，通讯模块由MAX232芯片和5个滤波电容组成；

在图9中，测量模块：包括多选开关74HC4051、跟随器LM358和八路电压电流测量网络组成；外部信号通过电压电流测量网络后，经过多选开关74HC4051选择后，然后经过LM358跟随，最后连接到单片机的模拟量采样脚AIN进行采样；

在图10中，按键显示模块：包括按键芯片ZLG7290、液晶电源和按键网络组成；液晶电源包括LM2575和CXA-10A逆变芯片；

在图11中，控制模块：控制模块包括74HC273、74HC07和继电器HFS8组成。

被测物体首先在上料机构7的皮带上排序上料，随后被测物体被传输到称重机构6的皮带上，测量控制单元1通过测量模块和通讯模块检测到物料的重量变化后，开始启动测量控制单元1的数据采集程序；当物料流出称重机构6或者测量控制单元1认为所采数据点足够准确计算出实际重量时，测量控制单元1根据斜率滤波算法后，计算出物料的实际重量；这一重量和存储于测量控制单元1内的规格参数比较，得出物料所处重量区间，通过案件显示模块显示于液晶显示器上。当物料通过下料机构5的皮带上时，测量控制单元1根据物料重量所处重量区间和设定好动作，通过测量控制单元1的控制模块控制剔除装置4的双联气缸实施动作，将合格品和不合格品进行分选。当前一个检测物料下称重机构6时，后一个物料就可以上称重机构6了，这样紧密型测量极大的提高了测量效率。

由于传动部件以及环境因素的影响，系统会引进很多振动，本实用新型采用了两级减振方法，有效的减少了这些振动带来的影响。图3所示减振环13安装在传动轮组和上料机构固定板27、称重机构固定板28和下料机构固定板29间的，这样的减振方式对于减少传动带来的振动效果是最直接最明显的，因为所有传动振动都是要通过这里传递给各机构固定板，然后由固定板往下传递给称重传感器9的。隔振垫12安装在称重传感器9和支撑部件3上的调节滑块23之间的，地面的振动是通过机柜2，支撑杆16，支撑部件3，依次传递给称重传感器9的。因此在这里安装隔振垫12是最理想的。另外，本实用新型的支杆16也是用来隔离地面振动的，地面的振动由机柜2传递给支杆16的时候，由于支杆16是垂直安装于机柜2正面的，大部分振动就会被支杆16吸收。

其间数据采集是这样实现的，称重传感器9的微小模拟信号传输到高速数据采集系统10中，经过精密放大后，采用动态基准电压技术和高精度AD芯片转换成数字信号；高速数据采集系统10实时采样称重传感器9附近温度，把数字信号经过温度修正后，通过指令方式上传到测量控制单元1中。其中高速数据采集系统10放置在称重传感器9附近，一方面达到温度等环境条件的一致；另一方面，由于传感器9输出的信号是mV级的模拟电压信号，若长距离传输会导致叠加进过多环境干扰，而高速数据采集系统10将这一模拟信号转换成数字信号，通过数据包的方式上传，在不损失任何精度的前提下延长了传输线。

其中高速是这样实现的：测量控制单元实时高速采集经过高速数据采集系统处理后的称重传感器信号，通过斜率滤波算法，寻找最适合计算重量实际值的数据点，然后计算出被测物重量。这样皮带速度就可以设定在这样一个水平：物体在皮带上的时间以满足系统找到斜率滤波算法中所述数据点为标准，而这一皮带速度一般很大，使得整个系统的检测速度达到很快的一个水平。

其中高精度是这样实现的：称重传感器的微小模拟信号传输到高速数据采集系统中，经过精密放大后，采用动态基准电压技术和高精度AD芯片转换成数字信号；高速数据采集系统实时采样称重传感器附近温度，把数字信号经过温度修正后，通过指令方式上传到测量控制单元中。另外，对于高精度的称重分选领域，传动机构和环境的振动干扰对测量结果影响极大，而本实用新型采用两级减振的方式，极大的减少了振动对测量结果的影响。

所谓斜率滤波就是根据采样曲线的斜率变化趋势来判断称重传感器9的响应状态。称重传感器9是电阻式的，是一个典型的二阶系统，被测物体从上料机构7传送到称重机构6时，可视为一个阶跃响应，存在一定的调定时间；经过研究发现处于调定时间的响应曲线其斜率变化率都很大，而一旦进入稳定阶段，其斜率变化率就变得很小。因此斜率滤波就是基于在判断斜率变化率的基础上，寻找可以用来作为称重终值的数据点。然而直接计算斜率在软件上实现繁琐，因此根据 $\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}=\underset{\mathrm{\Δx}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\Δx}},$ 这里的x是时间，y是称重传感器9的响应，可见只要数据点间距足够小的情况下可以把

当成斜率，这方便了单片机程序处理；另外由于系统中数据采集的间距是固定的，比如采样率10000的情况下，Δx＝0.0001s，这样比较斜率

和

就变成了比较

和

等价于于比较Δy₁和Δy₂，因此程序处理上只要比较相邻数据点的差值就能判断其斜率变化率。实际施例中，程序判断斜率变化率，剔除变化率大的数据点，保存变化率小的点，然后对所保存数据点经过循环若干次上述斜率滤波，最后得到的数据点就认为是称重传感器9进入稳定阶段的数据，测量控制单元1对该些数据分析就能准确的计算出被测物的实际重量，其间循环次数以所存数据的斜率变化率均小于一定阀值为准。软件实现斜率滤波算法流程如图5所示。

动态基准电压是这样实现的，由于称重传感器9的输出和其激励电源的输入是成一定比例关系的，所以设计采用动态基准电压方法。一般称重传感器的灵敏度为2mV/V，设称重传感器9的激励电压(直流激励)为x，AD的基准电压也为通过精密电阻分压后的x/n，受力与转换出的电压值间系数为α，信号放大倍数为β，AD满度值N，AD转换后的数值为X，由于

$\frac{x\×0.002\×\mathrm{\α}\×\mathrm{\β}}{x/n}=\frac{X}{N}$

则有X＝0.002αβnN，可见数字化后的值与激励电压无关。这种方法不但消除了电源波动带来的误差，也省却了高精度电压基准芯片的成本。

Claims (2)

1、一种基于斜率滤波算法的快速重量分选系统，其特征在于：支撑横梁(3)通过支杆(16)连接于机柜(2)上的导轨上，测量控制单元(1)安装于机柜(2)上；上料机构(7)、称重机构(6)和下料机构(5)依次安装在支撑部件(3)上；第一块过渡挡板(8)安装于上料机构(7)和称重机构(6)之间的上料机构固定板(27)上；第二块过渡挡板(18)安装在称重机构(6)和下料机构(5)之间的称重机构固定板(28)上，三者的工作面在一个平面上；剔除装置支架(17)安装于支撑横梁(3)上靠近下料机构(5)一侧，剔除装置(4)安装在剔除装置支架(17)上，且高于上料机构(7)、称重机构(6)和下料机构(5)的工作面；剔除装置(4)的信号线和称重传感器(9)的信号通过高速数据采集系统(10)连接到测量控制单元(1)；其中：

1)上料机构(7)：包括上料机构固定板(27)、上料机构固定连接板(19)、锁紧螺丝(11)、调节滑块(20)以及安装在上料机构固定板(27)间的传动轮组和上料机构皮带；上料机构固定板(27)通过上料机构固定连接板(19)连接，上料机构固定板(27)间安装的有传动轮组和上料机构皮带；上料机构固定连接板(19)和调节滑块(20)相连，安装在支撑部件(3)上，通过锁紧螺丝(11)锁紧；

2)称重机构(6)：包括称重机构固定板(28)、称重机构固定连接板(21)、锁紧螺丝(22)、调节滑块(23)以及安装在称重机构固定板(28)间的主动轮(32)、从动轮(31)和称重机构皮带(33)；称重机构固定板(28)通过称重机构固定连接板(21)连接，称重机构固定板(28)间安装主动轮(32)、从动轮(31)和称重机构皮带(33)；称重机构固定连接板(21)通过称重传感器(9)和调节滑块(23)相连，安装在支撑部件(3)上，通过锁紧螺丝(22)锁紧；主动轮(32)和称重机构固定板(28)之间安装有隔振环(13)，称重传感器(9)和调节滑块(23)之间安装有隔振垫(12)；

3)下料机构(5)：包括下料机构固定板(29)、下料机构固定连接板(24)、锁紧螺丝(26)、调节滑块(25)以及安装在下料机构固定板(29)间的传动轮组和下料机构皮带；下料机构固定板(29)通过下料机构固定连接板(24)连接，下料机构固定板(29)间安装有传动轮组和下料皮带；下料机构固定连接板(24)和调节滑块(25)连接安装在支撑部件(3)上，通过锁紧螺丝(26)锁紧。

2.根据权利要求1所述的一种基于斜率滤波算法的快速重量分选系统，其特征在于：所述的测量控制单元(1)包括单片机系统、通讯模块、测量模块、按键显示模块和控制模块，单片机系统分别与通讯模块、测量模块、按键显示模块和控制模块相连；其中：

1)单片机系统：包括单片机ARM2136及其外围电路组成；外围电路包括：基准电压电路、晶振电路、电源电路和复位电路；

2)通讯模块由MAX232芯片和5个滤波电容组成；

3)测量模块：包括多选开关74HC4051、跟随器LM358和八路电压电流测量网络组成；外部信号通过电压电流测量网络后，经过多选开关74HC4051选择后，然后经过LM358跟随，最后连接到单片机的模拟量采样脚AIN进行采样；

4)按键显示模块：包括按键芯片ZLG7290、液晶电源和按键网络组成；液晶电源包括LM2575和CXA-10A逆变芯片；

5)控制模块：控制模块包括74HC273、74HC07和继电器HFS8组成。

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