蒋焕新1，赵琳2
（1.江南大学， 无锡 214036；2. 江苏宜兴出入境检验检疫局， 宜兴 214200）
［摘要］ 称量是定量包装的一个关键环节，组合称量可以实现高速、高精度定量包装。文中介绍了组合秤的工作原理，阐述了基于高级PIC 单片机的组合秤控制系统硬件组成，分析了控制软件的设计方法。
关键词：高级PIC 单片机；组合秤；组合计算
中图分类号：TB486 + . 1；TB489 文献标识码：B 文章编号：1001 - 3563（2005）02 - 0066 - 02
随着电子技术和计算机技术的发展，产品的定量包装广泛采用电子秤，尤其是小秤量定量包装，要求计量准确度高、包装速度快、可靠性高等。常规的定量包装秤是单体秤，即用一个称重料斗，其包装速度**快为20 ～ 30 包/ min，对物料颗粒的流动性和均匀程度要求较高，但对于象糖块、干果、薯片等不均匀物品也用单体秤称量，无论是称量准确度与速度上较难满足生产要求。基于组合称量技术的电脑组合秤，可有效提高计量精度和速度，解决了不均匀物品的计量包装问题。电脑组合秤按料斗头数分，有8、10、14、16、20、24、28 头，较常用的为10、12或14 个。每个头通常包括一个备料斗和一个称料斗，料斗容量有200、300、500ml 等，质量**可达500kg，**小刻度为± 0.1g，称量速度**快达350 包/ min。电脑组合秤是衡器行业中一种智能组合型定量自动包装衡器，组合称量技术将简单的称量物品重量发展到调整产品重量，满足大批量生产需要，拓展了称量功能和应用范围，为称量的概念增加了新的内容。
1 组合称量的工作原理
组合秤由若干独立的性能相同的称量部件和微机组成。组合称量工艺流程如图1，为了节约成本，以便使电脑组合秤在中小型企业中得到普遍应用，此处称量斗用10 个，物料通过电磁振动给料器进入备料斗暂存，备料斗料门打开，物料进入称量斗进行称量，借助微机系统进行同步计量，并从中自动选出接近或略大于标定值的**计算值作为物料的输出量。因此，对某些价值较高的粗颗粒或小块状等散体物料，可实现快速、准确称重包装。
加料过程在总体上服从正态分布，虽然离散性大，但若有足够的可组合数，则多个单元组合可得到高精度的整体，加料的结果是由称重和计算组合而成的，这与传统的计量方式有着本质的区别。利用这种高技术的工作原理，可优于普通自动定量装置的速度和精度，而且，不仅可对不规则块状物进行计量，一切可流动的物料均可采用电脑组合秤定量。
称料斗装有称重传感器及控制闸门，称重传感器测出称料斗内物料的重量，且以电信号形式送入微机，计算机进行筛选组合。系统根据参数的设定值进行组合计算后，便获得满足产品目标重量范围内的一个**组合结果。假如有n 个料斗，则有2n - 1 种组合模式，从中选出**接近目标重量的组合模式，即**组合。然后系统对选中的称料斗作标记，如果某称料斗被选中，微机发出指令开启参与**组合的料斗的闸门，排出物料。该料斗中的产品被释放到集中卸料斗中，输送给包装机进行包装。如果称量斗未被选中，则称料斗物料保留，下一个工作循环时微机对未选中而仍在继续喂料的称量斗直接参与组合计算。如此循环往复，直到人为停止。若某称料斗在连续30 个工作循环中未被选中，则该称料斗被强迫选中一次，在含该称料斗重量的组合中选择**组合，并对卸掉物料的该称料斗的称重传感器自动调零。料门的开闭采用步进电机驱动，根据物料的特性细微调整料门开闭速度，防止破损和卡料，动作平稳，寿命长。
一般的单头秤在即将达到目标重量时，为了保证精度，喂料速度不能太快，而电脑组合秤可以快速喂料，每个料斗的加料量通常定为目标重量的1 / 3 到1 / 5。组合秤进行组合计算时仅用部分组合，计算机根据参与组合的头数，按下式可计算出其组合数：，其中：m 为称量斗的总数，i 为参与组合的斗数。通常m、i 增加，可能的组合数就增加，则得到合格品的可能性就越大。然而，尽管微机的运算速度很快，但过多的组合数会导致包装速度的降低，且增加成本。从合理性和经济性来看，m 通常取8 到16，而i 一般取3 ～ 5。组合秤的微机控制系统见图2。
选用美国Microchip 公司生产的高级PIC 单片机作为控制中心。该单片机是目前世界上8 位单片机中运行速度**快的，具有一个指令周期内完成8 位乘8 位二进制乘法的能力，可在一些需要高速数字运算的场合取代DSP（ 数字信号处理器）芯片，它采用16 位的RISC 指令集、哈佛总线结构、二级流水取指方式，指令为单周期、单字指令，具有实用、低价、指令集小、低功耗、高速度、体积小、功能强等优点。它体现了单片机发展的一种新趋势，逐渐成为世界单片机的新潮流。组合秤在工作时，要完成60 包/ min（1 包/ s）以上的能力，即至少要在1s 钟内完成重量检测、组合计算、查找**组合等，从而完成一次包装，其中组合计算费时相对较多，对普通51 系列单片机来说，料斗头数越多越难以满足要求。所以，为了满足高速计算的要求，目前市场上的组合秤常用51 系列单片机作重量检测，通过单片机的串行口与PC 机通讯，在PC 机上完成组合运算，把**组合结果通过串行口发送给单片机，由单片机**终完成实时控制；或者，用32 位CPU 作为控制中心组成微机控制系统。本系统选用高性能的PIC 单片机（8 位CPU），直接完成检测、计算、控制输出，既能满足组合秤实时控制的精度要求，又能满足包装速度要求，是一种较有效的控制方式。控制系统工作时，由单片机发信号给多路开关，分时选择10 个称重传感器，信号经放大、A/ D 转换，输入到单片机，单片机对10 个输入值进行组合计算，得到**组合所在的一组称量斗编号，根据编号控制对应步进电机的转速和方向，使该组料门打开，完成卸料，然后关闭料门；储料斗中的料位由状态开关检测。另外，本系统还设计了显示、报警和键盘电路，使系统功能更加完善。
2 组合称量的软件设计
系统软件采用结构化的设计方法，根据系统的功能要求，主要由以下模块构成：主程序、A/ D 采集、数据滤波、组合计算、显示子程序、键盘服务子程序等。主程序框图见图3。
3 结 语
组合称量技术以其高精度，高速度代表了当今称量技术的**水平及发展的方向，虽然，我国目前的组合称量技术发展仍处于发展阶段，电脑组合秤的制造与国外的先进水平相比已相差不大。可喜的是，我国组合秤的制造，目前以广东精威智能机器有限公司为代表，采用稳定时间模式、抗干扰AD模块技术与等效系统滤波相结合，已成为大型食品的采购对象。可以说包装行业的发展推动了称量技术的发展，同时，称量技术也提高了包装水平，促进了包装行业的发展。本文提出的以高级PIC 单片机作为控制中心的组合称量系统可节省成本，方便操作，有助于促进组合称量技术的发展。目前，组合秤仍在不断地发展与提高，其称量速度不断提高，成本也在不断下降。它的用途也在逐渐扩大，不仅可以用于食品的计量包装，还可以用于金属零件等的包装。相信不久的将来，组合秤会大量进入我国的包装领域。
