传统单体秤根据传感器内部的弹性体受力变形，内部应变片阻值发生变化，通过将电压信号解析、转换从而得到质量。但这需要物品必须稳定之后才能得到较精确的质量，在面对称量质量分布不均匀、形状不规则的物品时，有抗干扰能力差、称量速度较慢且精度不好把控等弊端，通常需要较长时间才能准确称出目标重量，因此效率较低 [4]。

动态组合秤通过更加有效地控制振幅，实现均匀给料，通过多次组合从而适用于大重量称重。由上料盘进行上料，通过用控制主振机和线振机的振动，抖动料直至其下落到下面的存料装置，接着通过单片机控制存料斗打开，使料继续下落到称量斗里，使用称量装置下面附带的电阻应变式称重传感器，称出来每个斗的重量。通过组合算法，找到最接近设定的目标，并且满足误差要求的组合。同时释放称料斗，使料下落进行下一步包装。

因为这个传感器具有能良好的线性度以及抗偏载能力，对于形状较小且不规则的物品进行称量时，该系统保证了系统高精度高速度的分析，可以达到满足于企业应用的水平。标准组合秤的出现虽然弥补了传统定量设备的不足，提高了定量产品包装的速度和精度 [5]。但面对质量较小的物品时无法准确高效地给出其质量。

当改善技术系统中某一特性或参数时，同时引起系统中另一特性或参数的恶化，这种矛盾就称为技术矛盾。工程中存在着大量的技术矛盾，利用TRIZ理论体系分析产品工作过程的不足之处，将实际问题转化为技术矛盾，之后就可以通过查矛盾矩阵表中的发明原理，归纳分析进而设计出一种有效的解决办法。

组合秤的精度和速度都是用户关心的主要参数，而根据实际生产中用户对于组合秤性能的要求，将组合计算分为高速度型和高精度型两种类型。工作速度快，测试精度较低；测试精度高，工作速度较慢。故组合秤的速度和精度构成了技术矛盾。由矛盾矩阵表1查到发明原理为：

表1. 矛盾矩阵表

(28) 机械系统替代原理——利用物理场或其他的形式、作用和状态来代替机械的相互作用；

(32) 颜色改变原理——通过改变颜色或一些其它的光学特性来改变对象的光学性质；

(1) 分割原理——以虚拟的方式或实物的方式将一个系统分成若干部分，以便分解或合并一种有益的或有害的系统属性；

(24) 借助中介物原理——使用中介物传递或完成所需动作；

(13) 反向作用原理——尝试以一种相反的方式来制造或执行。

本文采用模块化的设计理念，将整个控制系统划分为若干个不同功能的子模块，其中包括称重传感器、AD数据采集模块、中央控制器模块、步进电机及驱动器模块、直流电源模块等。组合秤的称重流程为：首先开机进行初始化，清空料斗中的物料；然后进行物料检测，若物料低于光电检测开关的位置，通知物料传送装置加料；然后主振机和线振机振动给存料斗加料，加料的速度由主振机和线振机的振幅决定；然后主控制器驱动存料斗电机运转，将物料加入称重斗；称重传感器将称重斗物料重量转换为模拟信号输出，经过放大、滤波后由AD模拟数字转换器将模拟信号转换为数字信号，由副控制器CUP通过RS485传送给主控制器；主控制器对采集的多路重量值进行组合运算，选择出满足要求的组合，主控制器驱动满足组合要求的称重斗电机运转放料，完成一次组合称重。系统总框图如图4所示。

在进行控制系统的设计时，CPU的选择显得至关重要。CPU的性能直接决定了系统运行速度的快慢、功能的强大与否以及系统是否稳定。在进行CPU的选择时主要参考芯片的运算速度和精度、所含硬件资源、价格和货源、功耗、配套的开发工具和封装方式等其他信息。由于组合秤通常是由多个称重斗组成，

图4. 系统硬件整体设计框图

一般为8~16个称重料斗，因此控制器的输入输出IO口数量较多。本课题采用16个称重斗，则需控制32个引脚控制步进电机，16个引脚控制线阵机，1个引脚控制主振机，此外还有其他的一些输入输出例如指示灯需要占用引脚，故输入输出口以及芯片资源需要很多。综合考虑下，拟采用ARM级STM32F103ZET6微处理器设计控制主板，该芯片拥有高达144个引脚可供使用，且时钟高达72 MHz，运行速度非常快。

在通信方面，选择RS485总线实现主控与副控之间的通信。RS485通信速率快、带负载能力强，能够有效抑制共模干扰，且各负载之间相互独立工作，大大降低了副控单元的故障影响率。基于RS485总线的需要，选用RS485芯片作为通信芯片，该芯片在通信的距离和速度上有很好的表现，接收输入具有真正的失效保护功能，能够有效提高通信模块的安全性和稳定性。

组合秤控制系统的电源模块繁多，为简化电路设计，直流电源模块均设计在主控板上，由主控板统一供电，各电源模块之间相互独立，但电路设计的基本原理相同。以给主控单元供电的图5，12 V电源为例，供给给通信模块的工作电压是4.5~5.5 V，供给给微处理器STM32F103ZET6的工作电压是2.0~3.6 V。使用外部直流电源给AD8253供±15 V电压，+15 V电压经过LM7805稳压器降为+5电压，+5 V电压供模拟数字转换器AD7609使用，+5 V电压再通过AMS1117转化为+3.3 V电压。+3.3 V电压供副控制器主CPU及外围电路使用。

图5. 12V电源电路原理图

称重传感器输出的电压信号经过AD8253仪表放大器进行放大滤波，此过程称重传感器输出的微弱的电压小信号放大驱动ADC模数转换器。ADC模数转换器将连续的模拟信号转换为数字信号 [6] [7]，经副控制器CPU通过RS485传输给主控制器进行处理和运算。本课题拟采用转换器AD7609。

AD760是ADI公司生产的一款18位，8通道的电荷再分配逐次逼近型模数转换器(ADC)的数据采集系统，模拟输入阻抗为1 MΩ，8个差分模拟输入通道可以进行同步采样，每一路输入通道均具有200 KSPS的吞吐速率，采用5 V单电源供电，使用RANGE引脚可以选择±10 V或±5 V的输入范围，可以采用并行或者串行的方式与CPU通讯，芯片每一通道都具有一个采样保持器，因此可进行多通道信号的同时采集 [8]。

如图6所示，AD7609采用5 V模拟电源供电，电源引脚AVCC接去耦电容至AGND，REGCAP引脚通过1 µF电容去耦至AGND，V1至V8引脚通过1 µF电容去耦至AGND，REFCAPA与REFCAPB引脚连接在一起通过低ESR10 µF陶瓷电容去耦至AGND，REFGND引脚直接连接至AGND，REFIN/REFOUT引脚与REFGND引脚附近的地之间加10 µF的去耦电容。去耦电容的使用为芯片提供了稳定的电源 [9] [10] [11]。

图6. AD7609电路原理图

为抑制噪声、消除接地回路的干扰，提高响应速度，采用光电隔离电路，隔离外部设备和电路控制单元。如图7，该电路采用两个光耦构成的线性电路，两个光耦输入端串联组成差分负反馈电路来补偿光电耦合器的非线性电流传输特性 [12]。

然后采用Multisim进行仿真分析，从图8中可以看出，两个光耦输入端串联组成差分负反馈电路可以很好的补偿光电耦合器的非线性电流传输特性，图像可以看出，电压基本成线性输出，在4~5 V之间存在较小波动。由此该电路符合设计要求，能够补偿非线性特性。

图7. 0~5 V隔离电路原理图

图8. 光电隔离电路线性分析

由于传感器在测量构成中常常参杂许多噪声信号，因此会影响测量系统的精度。因此常常需要消除噪声信号的干扰。本文测量的电流信号频率低于100 Hz，因此设计一个二阶低通滤波器，滤去频率超过100 Hz的高频干扰。该电路具有原件少、增益稳定、频率范围宽等优点。电路中C₁₁、C₁₂构成反馈网络。具体电路设计如图9。

应用Multisim对二阶低通滤波电路进行仿真分析，结果如图10，从图中可以看出，对于频率高于100 Hz的电压信号逐渐降低，最终变为0。仿真结果表明该电路能够有效的消除高于100 Hz的信号。

图9. 二阶滤波电路原理图

图10. 二阶滤波交流分析