定量稱重控制儀的設(shè)計(jì)

-.z.定量稱重控制儀的設(shè)計(jì)摘要我國(guó)的定量稱重儀表衡器需求量很大，但定量稱重控制儀表技術(shù)卻相對(duì)落后。為此，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)定量稱重控制儀，該定量稱重控制儀具有控制準(zhǔn)確度高、功能實(shí)用以及性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。本控制儀屬于單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)，采用AT89S52作為系統(tǒng)的MCU單元。所設(shè)計(jì)的硬件電路單元主要包括：信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路、顯示和鍵盤電路、系統(tǒng)輸出電路、系統(tǒng)電源電路等。選用了靈敏度高、性能穩(wěn)定的電阻應(yīng)變式稱重傳感器及高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換處理芯片AD7810，保證了系統(tǒng)的測(cè)量精度和準(zhǔn)確度。通過(guò)編制系統(tǒng)的軟件程序，實(shí)現(xiàn)了三級(jí)給料定量稱重過(guò)程的自動(dòng)控制、提前量數(shù)據(jù)的自行修正、包裝數(shù)據(jù)的自動(dòng)保存以及鍵盤操作和實(shí)時(shí)顯示等多項(xiàng)實(shí)用功能。從而使本定量稱重控制儀的穩(wěn)定性、及定量稱重控制的準(zhǔn)確度均到達(dá)預(yù)期的要求。關(guān)鍵詞定量稱重；單片機(jī)；自動(dòng)控制TheDesignofQuantitativeWeighControlInstrumentAbstractThedemandforautomaticquantitativeweighingapparatusinourcountryisquitelarge,buttheautomaticquantitativeweighingcontrolinstrumenttechnologyofourcountryisstillrelativelybehindthetimes.Soaquantitativeweighingcontrolinstrumentisdevelopedinthisdissertation,andithasthecharacteristicsofhighcontrolaccuracy,practicalfunctionsandstableandreliableperformanceetc.Thisinstrumentcanbeclassifiedintoembeddedmicrocontrollersystem,andthemicrocontrollerunitemployedinthissystemisAT89S52.Thehardwarecircuitsdesignedinclude:dataacquisitioncircuit,displayandkeyboardcircuit,outputcircuit,systempowersupplyetc.Toensuretheprecisionandaccuracyofthesystem,theresistancestrainmetertypeloadcellthatisofhighsensitivityandstableperformanceandhighresolutionanalog-digitalconvertingchipAD7810areselected.Byprogrammingthesoftwareofthesystem,severalpracticalfunctions,suchastheautomaticcontrolofthree-stagefeedingquantitativeweighingprocess,automaticcorrectionofclosingleaddata,automaticstorageofpackagedata,keyboardoperationandreal-timedisplayetc,areacplishedbytheinstrument.E*perimentaltestsonstability,staticperformanceanddynamicperformanceofthesystemareconductedrespectively.Andtheanalysisoftestingreportsindicatethatthestabilityandtheaccuracyandprecisionofautomaticquantitativeweighingcontrolofthisinstrumentareinaccordancewiththedesiredtechnicalproperties.Keywords：QuantitativeWeighing；Microcontroller；AutomaticControl目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1自動(dòng)定量衡器技術(shù)綜述 11.1.1電子衡器的分類 11.1.2自動(dòng)定量衡器技術(shù)國(guó)內(nèi)外開展概況 11.2研究本課題的意義 31.3本論文完成的主要工作 4第2章系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 52.1定量稱重控制系統(tǒng)的組成和工作原理 52.1.1定量稱重裝置的組成 52.1.2定量稱重控制的工作原理 62.2系統(tǒng)的構(gòu)造方案 72.2.1系統(tǒng)概述 72.2.2系統(tǒng)構(gòu)造 72.3系統(tǒng)的功能、特點(diǎn)及主要技術(shù)指標(biāo) 8第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 103.1系統(tǒng)硬件的構(gòu)造 103.2微控制器AT89S52及其應(yīng)用 103.2.1AT89S52性能概述 103.3數(shù)據(jù)采集前端模塊 123.3.1電阻應(yīng)變式稱重傳感器 123.3.2信號(hào)調(diào)理電路 153.4模數(shù)轉(zhuǎn)換單元 173.4.1模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇 173.4.2AD7810的特點(diǎn)與功能 183.4.3AD7810的接口設(shè)計(jì) 193.5人機(jī)通信單元 203.5.1顯示及鍵盤控制芯片HD7279 20鍵盤及顯示電路 213.6輸出電路 233.7系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) 243.8定量稱重過(guò)程特性分析 25第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 274.1系統(tǒng)程序流程 274.2數(shù)據(jù)采集子程序 284.3人機(jī)通信程序設(shè)計(jì) 29結(jié)論 34致謝 35參考文獻(xiàn) 36-.z.第1章緒論我國(guó)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的繁榮和開展，促進(jìn)了對(duì)定量包裝商品需求的不斷增長(zhǎng)。例如以零售商品為例，根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)零售市場(chǎng)中定量包裝商品的銷售量占95%以上，我國(guó)零售市場(chǎng)上定量包裝商品的銷售量也己經(jīng)到達(dá)70%左右[1]，并且其數(shù)量將隨著經(jīng)濟(jì)的開展而不斷擴(kuò)大。本設(shè)計(jì)所研制的自動(dòng)定量稱重控制儀，屬于國(guó)際法制計(jì)量組織OIML〔OrganizationofInternationalLegalMetrology〕國(guó)際建議R61－1所稱之重力式自動(dòng)裝料衡器〔AutomaticGravimetricFillingInstrument〕中的控制裝置[2]。在我國(guó)，自動(dòng)裝料衡器又稱之為定量自動(dòng)衡器，有些場(chǎng)合還可稱為定量包裝秤、打包秤、灌包秤或打包機(jī)。OILM把重力式自動(dòng)裝料衡器定義為"通過(guò)自動(dòng)稱量把散狀物料分成預(yù)定且實(shí)際上相對(duì)恒定質(zhì)量的裝料,并將其裝入容器的衡器〞[3]。1.1自動(dòng)定量衡器技術(shù)綜述1.1.1電子衡器的分類電子稱重裝置主要由承載器、稱重傳感器和稱重儀表三局部組成。按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，可將電子類衡器作如下劃分[4]：一、按測(cè)試系統(tǒng)劃分1.靜態(tài)型。靜態(tài)電子衡器是把被稱量物體穩(wěn)定的放置于電子衡器上進(jìn)展測(cè)量的，目前這種類型的電子衡器使用范圍最為廣泛。2.動(dòng)態(tài)型。動(dòng)態(tài)電子衡器是在靜態(tài)電子衡器的根底之上開展起來(lái)的一種新型電子衡器，它所測(cè)量的是隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量。二、按稱量方式劃分1.接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)量主要是通過(guò)傳感器直接與被測(cè)量的運(yùn)動(dòng)物體直接接觸而獲得動(dòng)態(tài)信號(hào)，并對(duì)此動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)展處理來(lái)獲取真實(shí)的質(zhì)量信息。2.非接觸式測(cè)量。非接觸式測(cè)量則主要是利用輻射傳感器來(lái)獲取運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)態(tài)信號(hào)，并加以分析以得到真實(shí)的質(zhì)量信息。1.1.2自動(dòng)定量衡器技術(shù)國(guó)內(nèi)外開展概況在近百年的歷史中，稱重技術(shù)大致經(jīng)歷了以下四個(gè)開展階段：大約半個(gè)多世紀(jì)的機(jī)械式裝置模擬測(cè)量階段；20世紀(jì)50～60年代進(jìn)入了機(jī)電衡器階段；20世紀(jì)70～80年代進(jìn)入了電子測(cè)量階段；自20世紀(jì)80年代以來(lái)，全面進(jìn)入了數(shù)字化測(cè)量及微機(jī)智能化測(cè)量的階段[5~6]。一、國(guó)外開展情況無(wú)論在技術(shù)水平、品種還是規(guī)模等方面，興旺國(guó)家的電子稱重設(shè)備都到達(dá)了較高水平。技術(shù)水平方面的主要標(biāo)志是準(zhǔn)確度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性。目前，作為貿(mào)易結(jié)算用的靜態(tài)秤〔如平臺(tái)秤〕，己能到達(dá)OIML規(guī)定的3000d(分度)，最高的可以到達(dá)6000d；在穩(wěn)定性方面，要求一年內(nèi)不允許超差；在可靠性方面，稱重傳感器正常使用條件下的壽命一般在十年以上，儀表的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)都超過(guò)2000小時(shí)，有些產(chǎn)品到達(dá)了5000小時(shí)。由于加強(qiáng)了應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，能夠適應(yīng)高溫、振動(dòng)、粉塵、電磁干擾等各種惡劣使用環(huán)境條件，準(zhǔn)確度一般能到達(dá)0.1～0.3%左右[7]。在品種方面，隨著生產(chǎn)開展的需要和新技術(shù)的應(yīng)用，出現(xiàn)了一些新品種，如電腦組合定量秤、高速自動(dòng)定量秤等。這些自動(dòng)秤往往與生產(chǎn)過(guò)程嚴(yán)密結(jié)合，成為生產(chǎn)線的一個(gè)組成局部，或者與生產(chǎn)機(jī)械組合成機(jī)電一體化設(shè)備。在功能上也比擬齊全，大局部是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些功能包括：各種參數(shù)的設(shè)定，如分度值、最大量程、小數(shù)點(diǎn)、固定皮重等設(shè)定；零點(diǎn)自動(dòng)跟蹤；自動(dòng)去皮；量程自動(dòng)校準(zhǔn)；動(dòng)態(tài)檢測(cè)；開機(jī)自檢和故障診斷；停電數(shù)據(jù)保護(hù)；超載報(bào)警；非線性補(bǔ)償；以及毛重、凈重、皮重和累加值的顯示等。在規(guī)模上，國(guó)外衡器制造業(yè)己是很興旺的工業(yè)。據(jù)資料介紹，日本1995年時(shí)電子衡器的年產(chǎn)量就已經(jīng)到達(dá)623萬(wàn)臺(tái)、產(chǎn)值達(dá)880億日元，是世界上出口電子衡器最多的國(guó)家。在稱重儀表方面，由于采用了低漂移高增益放大器、電可擦存儲(chǔ)器(EEPROM)和非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器(NOVRAM)、高速低功耗10位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器和智能稱重傳感器等新技術(shù)[8~10]，使其性能和功能都有了很大提高。為了便于與計(jì)算機(jī)通信，稱重儀表配有各種輸出接口供選用，如RS232C、RS485等，有些還采用無(wú)線傳輸方式。二、國(guó)內(nèi)開展情況我國(guó)從六十年代中期開場(chǎng)研制和生產(chǎn)電子秤，初期為模擬指針式，后來(lái)開展成數(shù)字式。自八十年代初以來(lái)，與國(guó)外開展了技術(shù)交流和合作，引進(jìn)了一批樣機(jī)、生產(chǎn)技術(shù)和加工測(cè)試設(shè)備，通過(guò)消化、吸收和改造，使電子稱重裝置的綜合水平有了很大的提高，產(chǎn)品開展到幾十種。但總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)電子稱重裝置只相當(dāng)于興旺國(guó)家八十年代中期的水平。我國(guó)同興旺國(guó)家差距的突出表現(xiàn),在于電子衡器在各領(lǐng)域所使用的各種衡器中所占百分比數(shù)量方面。在我國(guó)，電子衡器在工業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H使用的各種衡器中所占比例為40.8%，商用領(lǐng)域所占比例為6.4%；而興旺國(guó)家工業(yè)領(lǐng)域中電子衡器所占比例為80～90%，商用領(lǐng)域?yàn)?0～60%。差距的第二個(gè)表現(xiàn)是品種尚少，功能不齊全。目前，國(guó)內(nèi)500g以下范圍的小秤量定量包裝機(jī)占了絕大多數(shù)，500g以上定量包裝機(jī)生產(chǎn)廠家相對(duì)較少；再次是產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性不夠理想，*些關(guān)鍵元件尚依賴于進(jìn)口[11]。近年來(lái)，我國(guó)自動(dòng)定量稱重衡器技術(shù)開展很快，并且已經(jīng)成為衡器行業(yè)中開展最迅速的產(chǎn)品種類。例如，將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于定量稱重[14~15]以及在電阻應(yīng)變式稱重傳感器方面采用蠕變補(bǔ)償[12]、模糊補(bǔ)償[13]和滯后補(bǔ)償[16~18]技術(shù)等。三、開展方向展望定量稱重衡器已日益滲透到幾乎全部工業(yè)領(lǐng)域和生產(chǎn)過(guò)程,而且將不再是單純的稱重計(jì)量,而是向多參數(shù)、多專業(yè)綜合控制方面拓展,逐漸形成多元化智能管理和控制系統(tǒng)。這種橫縱兩個(gè)方向的深入開展，大體可以概括為以下幾個(gè)方面[19~20]。1.質(zhì)量控制。在配料系統(tǒng)中,單純的稱重計(jì)量是不能完成配料的。為此，衡器稱重需結(jié)合化學(xué)分析,即兼有成分測(cè)控功能。2.網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化。通過(guò)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上通訊和遠(yuǎn)程計(jì)量,形成物流管理網(wǎng)絡(luò),企業(yè)各部門同時(shí)共享稱重信息。3.定量包裝機(jī)。它已不是單一的稱重衡器,而是將機(jī)械、電氣、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制與衡器融為一體的機(jī)電結(jié)合的智能化設(shè)備。4.工藝控制機(jī)。即除了具有稱重功能以外,還需檢測(cè)或保證其它物理參數(shù)的多參數(shù)控制機(jī)?？傊?，智能化、自動(dòng)化、多功能化將成為現(xiàn)代定量稱重技術(shù)的開展方向[21]。1.2研究本課題的意義定量稱重電子衡器是當(dāng)今世界衡器技術(shù)開展的前沿產(chǎn)品，它能有效的解決稱重過(guò)程中速度和準(zhǔn)確性難以統(tǒng)一的問(wèn)題，而這兩個(gè)指標(biāo)卻又是定量稱重衡器最重要的性能指標(biāo)?，F(xiàn)在我國(guó)一些中小企業(yè)中所使用的機(jī)械衡器，雖然在一定程度上可保證稱量精度，但高效是絕對(duì)無(wú)法做到的。作為一個(gè)人口大國(guó)，我國(guó)定量包裝商品的需求量很大。據(jù)調(diào)查，單單冶金企業(yè)每年新增和更換的各類工業(yè)電子秤就達(dá)約5000臺(tái)，而其它工業(yè)及商業(yè)部門也都需要裝備數(shù)量很大的電子稱重裝置。面對(duì)國(guó)內(nèi)巨大的需求，我國(guó)自動(dòng)定量稱重控制儀表技術(shù)相對(duì)落后的現(xiàn)狀亟需改變。期望本課題的研究工作，能夠?qū)Ω纳莆覈?guó)自動(dòng)定量稱重控制儀表技術(shù)相對(duì)落后的局面有所奉獻(xiàn)。1.3本設(shè)計(jì)完成的主要工作本設(shè)計(jì)利用AT89S52單片機(jī)和電阻應(yīng)變式稱重傳感器，設(shè)計(jì)了一種新型的定量稱重控制儀，所完成主要工作如下：1.在對(duì)國(guó)內(nèi)外定量稱重控制現(xiàn)狀進(jìn)展綜述的根底上，指出了定量稱重控制技術(shù)的開展趨勢(shì)；2.介紹了定量稱重控制儀的工作原理、系統(tǒng)構(gòu)造及其所具有的功能和特點(diǎn)；3.設(shè)計(jì)了以AT89S52為核心微控制器的稱重控制處理單元以及信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路、顯示和鍵盤電路、輸出電路、系統(tǒng)的電源電路等電路系統(tǒng)；4.選用了靈敏度和滿度分辨率高、非線性誤差和溫漂系數(shù)小、性能穩(wěn)定的高精度電阻應(yīng)變式稱重傳感器和高速低功耗10位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7810，保證了系統(tǒng)的測(cè)量精度和準(zhǔn)確度；5.設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的控制功能程序、鍵盤及顯示控制程序等軟件系統(tǒng)。利用控制功能程序?qū)崿F(xiàn)了三級(jí)給料定量稱重過(guò)程的自動(dòng)控制、提前量數(shù)據(jù)的自行修正、包裝數(shù)據(jù)自動(dòng)保存等多項(xiàng)實(shí)用功能，并采用了軟件控制策略較好地解決了稱量速度與精度之間的矛盾；6.對(duì)設(shè)計(jì)工作進(jìn)展了總結(jié)。第2章系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)測(cè)控儀器的總體設(shè)計(jì)就是要確定系統(tǒng)的原理方案，進(jìn)展數(shù)學(xué)建模，確定系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，進(jìn)展精度設(shè)計(jì)和總體構(gòu)造設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代計(jì)量測(cè)試儀器設(shè)計(jì)應(yīng)遵循一定的要求，以下是測(cè)控儀器設(shè)計(jì)中幾條比擬重要的一般要求[22~24]：1.精度要求。衡量測(cè)控儀器精度的指標(biāo)有很多種，如復(fù)現(xiàn)性、靈敏度等，應(yīng)根據(jù)被測(cè)對(duì)象的要求具體確定儀器的精度指標(biāo)。2.速度要求亦稱效率要求。即儀器的測(cè)控速度應(yīng)與測(cè)控對(duì)象的速度(一般指生產(chǎn)效率)相適應(yīng)。提高檢測(cè)效率不僅對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性有影響，而且往往對(duì)檢測(cè)精度也會(huì)產(chǎn)生一定影響并且兩者經(jīng)常表現(xiàn)為矛盾性。3.可靠性要求。可靠性要求就是要求設(shè)備在一定時(shí)間和條件下，無(wú)故障地、穩(wěn)定地發(fā)揮其功能的概率要高，這要由可靠性設(shè)計(jì)來(lái)保障。4.經(jīng)濟(jì)性要求。即在滿足儀器的功能和可靠性要求的前提下，具有較好的性能價(jià)格比，而不能盲目追求所謂"復(fù)雜、高級(jí)〞的設(shè)計(jì)方案。5.使用條件要求。儀器的工作環(huán)境的溫濕度、機(jī)械振動(dòng)和電磁干擾等對(duì)其性能甚至是正常工作具有重要影響，儀器設(shè)計(jì)時(shí)必須予以認(rèn)真考慮。6.美觀與人性化要求。儀器的外觀要美觀，功能實(shí)現(xiàn)及外型設(shè)計(jì)要便于操作者使用。2.1定量稱重控制系統(tǒng)的組成和工作原理2.1.1定量稱重裝置的組成定量稱重裝置的一般組成如圖2.1所示,它由料倉(cāng)、給料裝置、稱重傳感器、稱量斗、卸料門、夾袋機(jī)構(gòu)和輸送設(shè)備等組成[26]。1.給料裝置。給料裝置是根據(jù)物料的粒度、流動(dòng)性、定量精度和理化特性來(lái)選型的。常見(jiàn)的給料方式有如下幾種：閘門式自動(dòng)給料用于流動(dòng)性好、不易結(jié)塊的物料，如大米、小麥等顆粒狀物料；螺旋輸送式給料用于不會(huì)粘著的、粉狀或細(xì)粒狀的物料，如飼料、面粉等；振動(dòng)式給料用于自由流動(dòng)、粒度較大的物料，如食品、飼料等。圖2.1定量稱重裝置示意圖2.稱重局部。稱重局部主要由稱重傳感器、稱量斗〔又稱承載器〕和卸料門等組成，其中稱重傳感器是稱重局部的關(guān)鍵部件。一般需結(jié)合物料的最大定量稱重值和堆比重，設(shè)計(jì)不同大小的稱量斗。卸料門一般采用氣動(dòng)式,其動(dòng)作迅速、工作穩(wěn)定可靠、維修簡(jiǎn)單方便，其氣源一般采用壓力為0.4～0.7MPa的壓縮空氣。3.夾袋及包裝輸送局部。夾袋機(jī)構(gòu)用于夾住包裝袋，其動(dòng)作是由兩個(gè)夾袋氣缸來(lái)推動(dòng)的，而包裝輸送局部則由包裝機(jī)和輸送設(shè)備組成。當(dāng)定量給料完畢時(shí),夾袋機(jī)構(gòu)松袋,包裝袋落在輸送設(shè)備上輸送至包裝袋封口設(shè)備。2.1.2定量稱重控制的工作原理定量稱重控制系統(tǒng)的工作原理如下：系統(tǒng)開場(chǎng)工作時(shí),在控制儀的控制下,卸料門首先關(guān)閉,自動(dòng)去皮后開啟給料機(jī)構(gòu)進(jìn)展給料。物料不斷進(jìn)入稱量斗內(nèi)，由壓力傳感器將質(zhì)量〔重量〕轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送至控制儀?？刂苾x不斷顯示物料的質(zhì)量值，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的參數(shù)依次輸出各個(gè)運(yùn)行步驟的控制信號(hào)，直至到達(dá)預(yù)定的定量稱重質(zhì)量后給料機(jī)構(gòu)關(guān)閉，從而完畢給料過(guò)程。在夾袋機(jī)構(gòu)處于夾緊的狀態(tài)下，稱量斗的卸料門翻開，物料依靠重力經(jīng)夾袋筒流入包裝袋。卸料完畢后，卸料門關(guān)閉，夾袋機(jī)構(gòu)自動(dòng)張開以便卸下包裝袋，從而完成一個(gè)工作周期。夾袋機(jī)構(gòu)一側(cè)設(shè)置手動(dòng)式行程開關(guān),用于配合人工套袋操作發(fā)出夾袋信號(hào)，控制夾袋機(jī)構(gòu)的松開與加緊動(dòng)作。2.2系統(tǒng)的構(gòu)造方案2.2.1系統(tǒng)概述本控制儀采用電阻應(yīng)變式稱重傳感器，將物體重量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)。此電壓信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)展濾波和放大后，以A/D轉(zhuǎn)換器為核心的數(shù)據(jù)采集電路把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)，從而得到稱量斗中的物料質(zhì)量值。然后，結(jié)合軟件程序控制，將檢測(cè)到的質(zhì)量值與設(shè)定的目標(biāo)質(zhì)量值進(jìn)展比擬，單片機(jī)根據(jù)比擬結(jié)果發(fā)出氣缸動(dòng)作控制信號(hào)，從而使定量稱重裝置處于到量、夾袋、開卸料門、關(guān)卸料門和松袋等不同的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)將單片機(jī)作為整個(gè)儀器的核心，通過(guò)它進(jìn)展系統(tǒng)運(yùn)行控制以實(shí)現(xiàn)高效、高精度自動(dòng)定量稱重的控制目的。根據(jù)所采用的傳感器量程和所設(shè)定的定量目標(biāo)值的不同，完成相應(yīng)的定量稱重過(guò)程，稱重的累計(jì)量等過(guò)程數(shù)據(jù)可以自動(dòng)保存。稱重的實(shí)時(shí)信息、功能設(shè)定和狀態(tài)等相關(guān)信息，可以通過(guò)LED數(shù)碼管進(jìn)展直觀顯示。2.2.2系統(tǒng)構(gòu)造按照所完成的主要功能不同，可以把本控制儀的系統(tǒng)劃分為圖2.2所示構(gòu)造[27]。各模塊的根本功能分述如下：圖2.2系統(tǒng)功能構(gòu)造框圖1.信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集模塊。信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集模塊主要由信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集電路組成。信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)稱重傳感器送來(lái)的小信號(hào)的放大、濾波處理。數(shù)據(jù)采集電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化，由單片機(jī)讀取數(shù)字量并據(jù)之執(zhí)行相應(yīng)操作。A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集電路中的核心器件。2.人機(jī)通信模塊。人機(jī)通信模塊是為了完成人機(jī)對(duì)話功能，以便于使用者對(duì)儀器進(jìn)展有關(guān)設(shè)置和管理，它包括顯示器接口局部和鍵盤進(jìn)口局部。本控制儀在前面板上設(shè)置了16個(gè)按鍵，六位藍(lán)色〝0.8〞主顯數(shù)碼管和兩位〝0.56〞副顯數(shù)碼管。按鍵包括數(shù)字鍵0～9和一些功能鍵，其中數(shù)字鍵還包含有復(fù)用功能。數(shù)碼管用于顯示稱重?cái)?shù)據(jù)以及功能設(shè)置和鍵盤操作等狀態(tài)下的有關(guān)信息。3.開關(guān)量輸出模塊。本系統(tǒng)中所應(yīng)用的按鍵、繼電器和行程開關(guān)操作信號(hào)均屬于開關(guān)量信號(hào)。這種信號(hào)只有開和關(guān)，也就是高電平和低電平兩個(gè)狀態(tài)相當(dāng)于二進(jìn)制的"1〞和"0〞，其處理較為簡(jiǎn)便。本系統(tǒng)利用MCU的并行I/O口與控制對(duì)象進(jìn)展開關(guān)量信息交換。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中經(jīng)常存在電場(chǎng)、磁場(chǎng)和噪聲等干擾，因此在本系統(tǒng)的輸出口采用了光電耦合器作為隔離器件，以抑制外界各種干擾的影響。另外，由于MCU輸出電流缺乏以驅(qū)動(dòng)繼電器，因此在控制儀的輸出口設(shè)置達(dá)林頓管陣列芯片作為驅(qū)動(dòng)器，來(lái)驅(qū)動(dòng)控制氣缸動(dòng)作的電磁閥繼電器。2.3系統(tǒng)的功能、特點(diǎn)及主要技術(shù)指標(biāo)一、本儀器實(shí)現(xiàn)的功能本控制儀的核心功能是完成除套袋外的自動(dòng)定量稱重過(guò)程控制，其主要功能包括：1.定量稱重過(guò)程控制；2.可事先存儲(chǔ)20種規(guī)格的定量稱重?cái)?shù)據(jù)，各種定量稱重規(guī)格的快、中、慢控制數(shù)據(jù)的自行修正；3.稱重?cái)?shù)據(jù)的自動(dòng)保存；4.系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示；5.簡(jiǎn)便實(shí)用的鍵盤操作功能；6.設(shè)有手動(dòng)控制功能，可人工控制給料和卸料，以便于清理結(jié)塊和堵塞的物料。二、本儀器的特點(diǎn)本控制儀具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：1.可在額定定量稱重質(zhì)量范圍內(nèi)，任意設(shè)定定量稱重的質(zhì)量值；2.采用高精度電阻應(yīng)變式稱重傳感器和高速低功耗10位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7810，稱重精度高；3.給料控制，結(jié)合控制算法，實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確的定量稱重；4.自動(dòng)修正給料過(guò)程參數(shù)，以提高定量稱重控制的精度和速度；5.鍵盤操作功能豐富而又簡(jiǎn)便。三、本儀器的主要技術(shù)指標(biāo)通過(guò)研發(fā)設(shè)計(jì)，應(yīng)使本定量稱重控制儀的主要技術(shù)指標(biāo)到達(dá)如下要求：1.量程：0～50Kg；2.分度值：10g；3.稱量誤差：0.1%FS。第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)硬件電路系統(tǒng)是測(cè)控系統(tǒng)感知信息、傳遞信息、處理信息和輸出信息以完成控制功能的重要載體，也是軟件系統(tǒng)運(yùn)行的必備物質(zhì)根底。在本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)中，充分考慮了系統(tǒng)的抗干擾能力、穩(wěn)定性和可靠性要求。為了便于硬件電路的設(shè)計(jì)、修改、調(diào)試和擴(kuò)大，本系統(tǒng)硬件電路采用了模塊化構(gòu)造。3.1系統(tǒng)硬件的構(gòu)造本控制儀的硬件系統(tǒng)主要包括MCU單元、信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集模塊、調(diào)節(jié)控制模塊和人機(jī)通信模塊，其總體構(gòu)造框圖如圖3.1所示。圖3.1稱重控制儀的硬件電路總體構(gòu)造信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集模塊主要包括傳感器、信號(hào)調(diào)理電路與模數(shù)轉(zhuǎn)換器。電阻應(yīng)變式稱重傳感器將稱量的質(zhì)量〔重力〕轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)。這一模擬電壓信號(hào)只有毫伏級(jí)，必須經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，才能送入CPU。CPU對(duì)測(cè)量信號(hào)處理后，即可進(jìn)展顯示或執(zhí)行控制動(dòng)作。調(diào)節(jié)控制模塊根據(jù)輸入狀態(tài)不同，由軟件控制輸出電路發(fā)出控制信號(hào)對(duì)稱重裝置進(jìn)展控制，使其處于相應(yīng)工作狀態(tài)。人機(jī)通信模塊包括用于參數(shù)及功能設(shè)定的鍵盤接口電路以及用于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和鍵盤操作信息顯示的數(shù)碼管顯示接口電路。3.2微控制器AT89S52及其應(yīng)用3.2.1AT89S52性能概述作為計(jì)算機(jī)的一個(gè)獨(dú)特的分支，微控制器MCU〔MicroControllerUnit〕以其體積小、功能強(qiáng)及性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于智能化儀表等諸多領(lǐng)域。單片機(jī)是本系統(tǒng)的核心器件。根據(jù)本控制儀的功能需求和幾種型號(hào)單片機(jī)的性能特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)綜合比擬分析，選擇ATMEL公司AT89S52型單片機(jī)作為本控制儀的微控制器，使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容，具有良好的性價(jià)比等諸多突出優(yōu)點(diǎn)[28~29]。一、AT89S52產(chǎn)品特性[30~31]1．AT89S52功能特性描述與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容2．8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器3．1000次擦寫周期4.全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz5.三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器6.32個(gè)可編程I/O口線7.三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器9.八個(gè)中斷源10.全雙工UART串行通道11.低功耗空閑和掉電模式12.掉電后中斷可喚醒13.看門狗定時(shí)器14.雙數(shù)據(jù)指針二、AT89S52的引腳配置AT89S52的引腳配置如圖3.2所示，其各引腳功能說(shuō)明如下：圖3.2AT89S52的引腳配置1.VCC:電源2.GND:地3.P0口：P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。4.P1、P2、P3口：都具有內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，并能負(fù)擔(dān)4個(gè)TTL負(fù)載。其中P1、P3口分別有其第二變異功能。5.RST:復(fù)位輸入。6.ALE/PROG:地址鎖存控制信號(hào)〔ALE〕是外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低8位地址的輸出脈沖。7.PSEN:外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)〔PSEN〕是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。8.EA/VPP:外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。9.*TAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。10.*TAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。3.3數(shù)據(jù)采集前端模塊3.3.1電阻應(yīng)變式稱重傳感器本控制儀是一個(gè)依賴于數(shù)據(jù)采集處理從而進(jìn)展控制的系統(tǒng)。所稱量的質(zhì)量〔重力〕信號(hào)的正確采集，是系統(tǒng)有效運(yùn)行的根本前提。本設(shè)計(jì)所選用的稱重傳感器，屬于金屬電阻應(yīng)變式傳感器，而電阻應(yīng)變計(jì)是其關(guān)鍵元件。一、金屬電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量原理1.金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)[32~33]當(dāng)金屬導(dǎo)體受外力作用發(fā)生機(jī)械形變并導(dǎo)致其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電阻的應(yīng)變效應(yīng)。假設(shè)電阻絲的長(zhǎng)度為l，截面積為A、電阻率為ρ，則其電阻為R=ρ〔3.1〕假設(shè)對(duì)整條電阻絲長(zhǎng)度方向作用均勻的應(yīng)力，其電阻變化可由式〔3.1〕的全微分求得〔3.2〕對(duì)于半徑為r的圓形截面電阻絲，則A=π，微分可得由材料力學(xué)可知〔3.3〕式中μ為金屬材料的泊松系數(shù)，為電阻絲的軸向應(yīng)變。將上式代入式〔3.2〕，并經(jīng)整理后得〔3.4〕式中，為電阻絲的靈敏系數(shù)，表示單位應(yīng)變引起的電阻變化率。K受兩個(gè)因素影響，一個(gè)是受力后電阻絲的幾何尺寸變化所引起的，即(1+2μ)項(xiàng)，另一個(gè)是受力后電阻絲的電阻率ρ發(fā)生變化而引起的，即項(xiàng)。式〔3.4〕說(shuō)明，金屬電阻絲的電阻相對(duì)變化率與軸向應(yīng)變成正比。2.金屬電阻應(yīng)變計(jì)應(yīng)變式力傳感器是一種常用的利用電阻應(yīng)變效應(yīng)制成的力傳感器，其核心元件是電阻應(yīng)變計(jì)，亦稱電阻應(yīng)變片，其典型構(gòu)造如圖3.3所示[33]。圖3.3電阻應(yīng)變計(jì)的典型構(gòu)造電阻應(yīng)變計(jì)主要由四局部組成:敏感柵、絕緣基底、覆蓋層和粘結(jié)劑。敏感柵就是電阻絲，它將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化。絕緣基底在被測(cè)力的作用下，產(chǎn)生與被測(cè)力成正比的應(yīng)變，并將應(yīng)變傳遞到敏感柵，并起到電阻絲與試件之間絕緣的作用。覆蓋層起著保護(hù)敏感柵的作用。粘結(jié)劑將電阻絲與基底粘結(jié)在一起。引線作為連接測(cè)量電路的導(dǎo)線。應(yīng)變計(jì)的電阻變化是與形變成比例的，因此通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)換電流或電壓的檢測(cè)，即可反映被測(cè)試件應(yīng)變的大小，進(jìn)而得到被測(cè)力的大小。3.電橋測(cè)量電路電阻應(yīng)變計(jì)將機(jī)械構(gòu)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換為電阻變化后，必須進(jìn)一步將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，才能為二次儀表所處理。電橋測(cè)量電路是進(jìn)展這種轉(zhuǎn)換最常用的方法。根據(jù)電橋供電電源的性質(zhì)不同，電橋可分為直流電橋和交流電橋兩種。本設(shè)計(jì)采用的是直流電橋，其根本電路如圖3.4所示。圖3.4直流電橋測(cè)量電路原理根據(jù)有關(guān)的電路定律容易推出電橋輸出電壓〔3.5〕將U0等于零時(shí)的橋路狀態(tài)稱作電橋電路的平衡狀態(tài)。此時(shí)或〔3.6〕此式即電橋電路的平衡條件，n稱作橋臂比。將電阻應(yīng)變計(jì)接入直流電橋電路的*一個(gè)橋臂，這樣便構(gòu)成了電阻應(yīng)變計(jì)的而產(chǎn)生形變時(shí)，其電阻值發(fā)生變化，從而導(dǎo)致直流電橋失去平衡，即U0的輸出電壓不等于零。通過(guò)檢測(cè)輸出電壓信號(hào)U0的大小，即可確定電阻應(yīng)變計(jì)所受到的應(yīng)力的大小；根據(jù)輸出電壓信號(hào)U0的極性，即可確定電阻應(yīng)變計(jì)所受到的應(yīng)力的方向。根本電橋電路存在電壓靈敏度不高和非線性誤差以及受環(huán)境溫度影響等問(wèn)題。假設(shè)將兩個(gè)一樣的應(yīng)變片接入電橋的相鄰兩臂，使一個(gè)受拉力，一個(gè)受壓力，則構(gòu)成半橋差動(dòng)電路。假設(shè)將四個(gè)一樣的應(yīng)變片接入電橋四臂，使兩臂受拉力，兩臂受壓力，則構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。這兩種電路既可以消除非線性誤差，又可起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?，并且后者的電壓靈敏度比前者高一倍[32]。電阻應(yīng)變式傳感器通常采用彈性梁及四片完全一樣的電阻應(yīng)變片，通過(guò)差動(dòng)布片組成全橋電路，其內(nèi)部構(gòu)造原理如圖3.5所示。當(dāng)力作用在彈性梁上時(shí)，電阻應(yīng)變片變形，使應(yīng)變電阻元件的電阻隨之發(fā)生變化，因而使電橋產(chǎn)生一個(gè)與作用力成正比的電壓信號(hào)。當(dāng)傳感器受到外力作用時(shí)，應(yīng)變電阻R1和R2阻值變化的大小和方向一樣，R3和R4阻值變化的大小和方向也一樣。因而可以消除非線性誤差并起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔肹34]。圖3.5稱重傳感器的內(nèi)部構(gòu)造原理二、本控制儀選用的稱重傳感器傳感器是檢測(cè)被測(cè)量的關(guān)鍵部件。作為一種衡器，本控制儀必須選用靈敏度和滿度分辨率都比擬高、非線性誤差和溫漂系數(shù)都比擬小并且性能穩(wěn)定的高精度傳感器。經(jīng)比擬分析，選用了中航電測(cè)儀器股份**生產(chǎn)的H3-C3-100Kg-3B合金鋼制稱重傳感器。3.3.2信號(hào)調(diào)理電路本稱重傳感器輸出的模擬電壓是約為0～24mV的小信號(hào)。因此，在進(jìn)展A/D轉(zhuǎn)換前，必須經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)展放大和濾波處理，才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器的輸入要求。對(duì)測(cè)量放大電路的一般要求是：輸入電阻高、噪聲低、穩(wěn)定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、線性度好、失調(diào)小并有一定的抗干擾能力[35]。在反相輸入放大電路中，由于集成運(yùn)放的輸入端是"虛地〞，故短距離測(cè)量時(shí)抗干擾性能較好。但遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)，地電阻會(huì)引入干擾，或由于傳感器的工作環(huán)境惡劣而在其輸出端產(chǎn)生干擾。這些干擾信號(hào)經(jīng)放大后輸出，會(huì)嚴(yán)重影響電路的性能。此外，反相輸入放大電路的輸入電阻過(guò)低，不宜與傳感器相連接。差分輸入方式可以較好地抑制共模信號(hào)，但其缺點(diǎn)是對(duì)元件的對(duì)稱性要求比擬高。如果元件失配，不僅會(huì)帶來(lái)附加誤差，而且將產(chǎn)生共模輸出。差分輸入方式的另一個(gè)缺點(diǎn)是輸入電阻不夠高[36]。同相輸入放大電路的輸入電阻很高，但在兩端有共模信號(hào)參加時(shí)，對(duì)環(huán)境的共模信號(hào)干擾比擬敏感。因而，需要選用共模輸入電壓范圍大、共模抑制比高的集成運(yùn)放，并在電路上采取濾除外部共模干擾的措施。本系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路即采用同相輸入方式，如圖3.6所示。傳感器輸出信號(hào)分別與兩個(gè)集成運(yùn)放A1和A2的同相輸入端相連接，因此電路的輸入電阻很高[37]。為了消除共模信號(hào)的影響，在電路的輸入和輸出端分別設(shè)置了電容對(duì)信號(hào)進(jìn)展濾波處理。所采用的運(yùn)算放大器OP07，具有高精度、低漂移、增益和共模抑制比高(最高可達(dá)110dB)以及失調(diào)電壓、失調(diào)電流溫漂和噪聲都較小的性能特征，這就為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定奠定了良好的根底。圖3.6信號(hào)調(diào)理電路設(shè)圖中A1同相輸入端輸入的信號(hào)電壓為ui1，輸出電壓為uo1；A2同相輸入端輸入電壓為ui2，輸出電壓為uo2由于理想運(yùn)放的輸入電阻ri→,開環(huán)電壓增益A0→,即則流過(guò)電阻的電流又因?yàn)閯t電壓放大倍數(shù)〔3.7〕將有關(guān)參數(shù)值代入式〔3.7〕，可得電路的電壓放大倍數(shù)Au＝434。由圖可知，當(dāng)電橋處于平衡時(shí)，經(jīng)運(yùn)算放大器輸出端的分壓電路輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的電壓約為2.5V，恰為A/D轉(zhuǎn)換器差模電壓輸入值的中位值?？勺冸娮鑂7的設(shè)置，主要是考慮當(dāng)兩端分壓電阻阻值不對(duì)稱時(shí)起可以進(jìn)展調(diào)節(jié)。假設(shè)電路中R4、R5、R6、和R8均采用精細(xì)電阻，則R7可以省卻。A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入端設(shè)置二極管的作用，在于防止輸入電壓過(guò)高時(shí)將A/D轉(zhuǎn)換芯片燒毀。3.4模數(shù)轉(zhuǎn)換單元3.4.1模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC〔Analog-to-digitalConverter〕是數(shù)據(jù)采集電路的核心器件，正確選擇A/D轉(zhuǎn)換器是提高數(shù)據(jù)采集電路特性的關(guān)鍵。選擇A/D轉(zhuǎn)換器要考慮的最根本特性，就是轉(zhuǎn)換位數(shù)和轉(zhuǎn)換時(shí)間。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)不僅決定數(shù)據(jù)采集電路所能轉(zhuǎn)換的模擬電壓動(dòng)態(tài)范圍，而且在很大程度上影響數(shù)據(jù)采集電路的轉(zhuǎn)換精度。因此，應(yīng)從采集電路的轉(zhuǎn)換范圍與轉(zhuǎn)換精度兩個(gè)方面來(lái)選擇A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。假設(shè)系統(tǒng)的精度指標(biāo)，可按下式估算所需A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)m?！?.8〕A/D轉(zhuǎn)換器從啟動(dòng)到轉(zhuǎn)換完畢并輸出穩(wěn)定的數(shù)字量所需要的時(shí)間，就是A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間。根據(jù)不同原理實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換器，所需轉(zhuǎn)換時(shí)間是大不一樣的。總的說(shuō)來(lái)，積分型、電荷平衡型和跟蹤比擬型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較慢，轉(zhuǎn)換時(shí)間從幾毫秒到幾十毫秒，只能用于溫度、壓力、流量等緩慢變化的參量的檢測(cè)和控制。逐次比擬型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間可從幾個(gè)微秒到100μs左右，屬于中速A/D轉(zhuǎn)換器，常用于工業(yè)多通道單片機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。轉(zhuǎn)換速度最快的雙極型或CMOS式工藝制成的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)型等型式的A/D轉(zhuǎn)換器，僅需20～100ns，適用于實(shí)時(shí)瞬態(tài)記錄和分析等系統(tǒng)。在同樣模擬輸入電壓下，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越高，標(biāo)志著它的量化精度越高，但這會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換速度的下降以及轉(zhuǎn)換器價(jià)格的上升。本系統(tǒng)要求稱量的最小分辨率0.01Kg，而最大稱重量為50Kg。經(jīng)過(guò)分析比擬，選擇高速低功耗10位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7810，10位二進(jìn)制分辨率，可以滿足本系統(tǒng)的稱量要求。7810的特點(diǎn)與功能一、主要特點(diǎn)[39]AD7810是美國(guó)模擬器件公司〔AnalogDevices〕生產(chǎn)的一種低功耗10位高速串行A/D轉(zhuǎn)換器。該產(chǎn)品有8腳DIP和SOIC兩種封裝形式，并帶有內(nèi)部時(shí)鐘。它的外圍接線極其簡(jiǎn)單，AD7810的轉(zhuǎn)換時(shí)間為2μs，采用標(biāo)準(zhǔn)SPI同步串行接口輸出和單一電源〔2.7V～5.5V〕供電。在自動(dòng)低功耗模式下，該器件在轉(zhuǎn)換吞吐率為1KSPS時(shí)的功耗僅為27μW，因此特點(diǎn)適合于便攜式儀表及各種電池供電的應(yīng)用場(chǎng)合使用。二、AD7810的功能AD7810其引腳排列如圖3.7所示圖3.7AD7810芯片的引腳排列1腳CONVST：轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入信號(hào)。2腳VIN+：模擬信號(hào)同向輸入端。3腳VIN-：模擬信號(hào)反響輸入端。4腳GND：接地端口。5腳VREF：轉(zhuǎn)換參考電壓輸入端。6腳DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出端。7腳SCLK：時(shí)鐘輸入端。8腳VDD：電源端。AD7810的接口設(shè)計(jì)AD7810與單片機(jī)的硬件接口電路如圖3.8所示。AD7810與AT89S52接口電路采用的是一種模擬串口方式，AD7810差模輸入的正端和負(fù)端分別與系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路輸出端相連,AD7810的SCLK,DOUT和CONVST分別接至AT89S52的P3.0,P3.1和P3.2,只要嚴(yán)格按照AD7810的時(shí)序要求操作，一般接口都不會(huì)有問(wèn)題。圖3.8AD7810的接口電路圖啟動(dòng)信號(hào)CONVST一般處于高電平。在CONVST端輸入一個(gè)負(fù)脈沖，其下降沿將啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換。假設(shè)采用內(nèi)部時(shí)鐘，則，轉(zhuǎn)換需要2μs的時(shí)間。當(dāng)轉(zhuǎn)換完畢時(shí)，AD7810會(huì)自動(dòng)將轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存到輸出移位存放器中。此后，在每一個(gè)SCLK脈沖的上升沿，數(shù)據(jù)按由高到低的原則〔首先發(fā)送DB9，最后發(fā)送DB0〕依次出現(xiàn)在DOUT上。如果在轉(zhuǎn)換還未完畢之前就發(fā)出SCLK信號(hào)來(lái)啟動(dòng)數(shù)據(jù)輸出，則，在DOUT上出現(xiàn)的將是上一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果。啟動(dòng)信號(hào)CONVST應(yīng)在轉(zhuǎn)換完畢前變?yōu)楦唠娖?，否則器件將自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。另外，串行時(shí)鐘SCLK的最高頻率不能超過(guò)20MHz。啟動(dòng)信號(hào)CONVST為低電平時(shí)，器件處于低功耗休眠狀態(tài)。當(dāng)在CONVST端輸入一個(gè)正脈沖時(shí)，可在其上升沿將器件從休眠狀態(tài)喚醒，喚醒過(guò)程需要1μs的時(shí)間。當(dāng)器件被喚醒后，系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間也是2μs。轉(zhuǎn)換完畢時(shí)，AD7810將轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存到輸出移位存放器中，同時(shí)自動(dòng)將器件再一次置于低功耗狀態(tài)。啟動(dòng)信號(hào)CONVST正脈沖的寬度應(yīng)小于1μs，否則器件被喚醒后將不會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，而是將A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)時(shí)間順延至CONVST的下降沿處。自動(dòng)低功耗模式是AD7810是一大特點(diǎn)，一般當(dāng)數(shù)據(jù)吞吐率小于100kSPS時(shí)，應(yīng)使器件工作在此模式下。在5V電源電壓下，當(dāng)數(shù)據(jù)吞吐率為100kSPS時(shí)，器件的功耗2.7mW；而當(dāng)數(shù)據(jù)吞吐率為10kSPS時(shí)，功耗為270μW；假設(shè)數(shù)據(jù)吞吐率為1kSPS，則其功耗僅27μW。圖3.9是AD7810工作在高速模式時(shí)的時(shí)序圖。圖3.9高速模式時(shí)序圖3.10是AD7810工作在自動(dòng)低功耗模式時(shí)的時(shí)序圖。圖3.10自動(dòng)低功耗模式時(shí)序3.5人機(jī)通信單元本設(shè)計(jì)選用了顯示及鍵盤控制芯片HD7279，作為系統(tǒng)的顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤接口芯片。人機(jī)通信模塊包括兩個(gè)單元：一個(gè)是16鍵接口電路，另一個(gè)是由6位主顯數(shù)碼管、兩位副顯數(shù)碼管組成的管顯示接口電路。3.5.1顯示及鍵盤控制芯片HD7279一、主要特點(diǎn)HD7279是一片具有串行接口，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)為共陰數(shù)碼管〔或64只獨(dú)立LED〕的職能顯示驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片同時(shí)還可以連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣。它的主要特點(diǎn)是串行接口各位獨(dú)立控制譯碼/不譯碼且有消隱和閃爍屬性；通過(guò)左移/右移指令能方便地實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)碼的左右移動(dòng)及循環(huán)移動(dòng)，內(nèi)含64位鍵鍵盤控制接口及去抖動(dòng)電路。HD7279的引腳配置如圖3.11所示。圖3.11HD7279的引腳配置1，2VDD：正電源。3，5，26NC：無(wú)連接，須懸空。4VSS：接地。6CS：片選輸入端。7CLK：同步時(shí)鐘輸入端。8DATA：串行數(shù)據(jù)輸入/輸出。9KEY：按鍵有效輸出端，平時(shí)為高，當(dāng)檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，此引腳變?yōu)榈碗娖健?0～16SG~SA：段g～段a驅(qū)動(dòng)輸出17DP：小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)輸出18～25DIG0~DIG7：字位0～字位7驅(qū)動(dòng)輸出27RC：RC振蕩器連接端28RESET：復(fù)位端3.5.2鍵盤及顯示電路鍵盤及顯示電路原理圖如圖3.12所示。圖3.12鍵盤及顯示電路圖3.12鍵盤及顯示電路HD7279采用串行方式與單片機(jī)通訊，HD7279的CS、CLK、DATA、KEY分別與AT89S52的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口相連。串行數(shù)據(jù)從DATA引腳送入芯片，并由CLK端同步。當(dāng)片選信號(hào)變?yōu)榈碗娖胶?，DATA引腳上的數(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫入HD7279的緩沖存放器。上電后，所有的顯示均為空，所有顯示位的顯示屬性均為‘顯示’及‘不閃爍’。當(dāng)有鍵按下時(shí)，KEY引腳輸出變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)如果接收到‘讀鍵盤’指令，HD7279將輸出所按下鍵的代碼。圖3.12電路中8只下拉電阻和兩只鍵盤連接位選線DIG0~DIG7的兩只電阻，應(yīng)遵循一定的比例關(guān)系，下拉電阻應(yīng)大于位選電阻的5倍而小于其50倍，典型值為10倍，下拉電阻的取值范圍是10K～100K，位選電阻的取值范圍是1K~10K。在本設(shè)計(jì)中，位選電阻選擇10K，下拉電阻選100K。DP及SA~SG連線的8只電阻選用200?作為限流電阻，防止由鍵盤引起的短路。HD7279需要一外接的RC振蕩電路以供系統(tǒng)工作，其典型值分別為R=1.5K，C=15p。如果芯片無(wú)法正常工作，請(qǐng)首先檢查此振蕩電路。HD7279的RESET復(fù)位端的在一般情況下，可直接與正電源連接。在上電或RESET端由低電平變?yōu)楦唠娖胶?，HD7279大約需要經(jīng)過(guò)18～25MS的時(shí)間才會(huì)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。3.6輸出電路在本設(shè)計(jì)中，開關(guān)和繼電器控制所需輸出信號(hào)，屬開關(guān)量信號(hào)。在系統(tǒng)的輸出通道上，設(shè)置了光電耦合器接口進(jìn)展系統(tǒng)的電氣隔離。這樣電路的輸出僅有光的耦合，沒(méi)有電的聯(lián)系，因而能很好地隔斷共模干擾，從而保障MCU工作的可靠性。本設(shè)計(jì)中所采用的氣缸控制電磁閥，為工作電壓24V的直流電磁閥。氣缸控制電磁閥的驅(qū)動(dòng)電流約為幾百毫安，而單片機(jī)的I/O引腳輸出的最大額定電流只有40mA，顯然缺乏以驅(qū)動(dòng)電磁閥。因此，使用達(dá)林頓管陣列芯片來(lái)放大MCU輸出的控制信號(hào)電流，以滿足電磁閥的工作要求。另外，達(dá)林頓管具有輸入阻抗和增益都很高的特點(diǎn)。系統(tǒng)的輸出電路原理如圖3.13所示。當(dāng)作為系統(tǒng)輸出口使用的AT89S52的P0.*口輸出為低電平時(shí)，將使能該位光耦，對(duì)應(yīng)電磁閥得電，使氣缸產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作。當(dāng)P0.*口置為高電平時(shí)，光電耦合器內(nèi)的光敏三極管截止，對(duì)應(yīng)電磁閥斷電。本設(shè)計(jì)有八路輸出信號(hào)，分別為運(yùn)行、快加、中加、慢加、到量、放料、夾袋及報(bào)警信號(hào)的輸出，與AT89S52的P0口〔P0.0~P0.7〕相連。圖3.13輸出電路原理3.7系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)應(yīng)主要考慮三個(gè)方面的內(nèi)容：一是如何降低電源的功耗；二是如何設(shè)計(jì)外圍電路和單片機(jī)對(duì)不同電源電壓的需要，即電源分配方案的選擇；三是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的管理和監(jiān)控。從減少器件產(chǎn)生的熱量、提高工作的可靠性以及降低器件噪聲的角度來(lái)看在設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)時(shí)應(yīng)盡量降低IC器件工作電壓。本系統(tǒng)各芯片使用5V電源電壓，系統(tǒng)的電源電路如圖3.14所示。圖3.14系統(tǒng)電源電路由圖可見(jiàn)，初級(jí)變壓器向該電路提供電壓為9V的交流電。而此電源的交直流轉(zhuǎn)換，才用的是由四只二極管組成的單相橋式整流電路。由于系統(tǒng)負(fù)載電流及負(fù)載變化不大，因此采用由電容C1濾波電路進(jìn)展濾波處理。經(jīng)整流和濾波的輸出電壓，輸入到三端式集成穩(wěn)壓器7805的輸入端，從而在其輸出端得到穩(wěn)定的5V電壓。為了改善紋波電壓，在7805的輸入端接入電容C2，而其輸出端的電容C3、C4主要用于改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)特性。在本設(shè)計(jì)中，采用IMP705監(jiān)控電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)外部復(fù)位。AT89S52的RST引腳與電源監(jiān)控芯片IMP705低電平輸出有效的復(fù)位輸出引腳RST相連接，從而在VCC低于4.65V復(fù)位門限時(shí)，即產(chǎn)生一個(gè)脈寬為200ms的低電平復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)位。3.8定量稱重過(guò)程特性分析一、定量稱重的數(shù)學(xué)模型由于機(jī)械構(gòu)造是在控制系統(tǒng)指令下執(zhí)行動(dòng)作,因此從下達(dá)指令到機(jī)械動(dòng)作完成就存在一個(gè)動(dòng)作延時(shí),在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)就會(huì)使計(jì)量值增大而產(chǎn)生誤差,影響定量計(jì)量的準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)采用快、中、慢三級(jí)給料方式，在一個(gè)稱量周期中，假設(shè)物料流速v和密度ρ一定,物料通過(guò)出口截面積分別為A1、A2和A3的給料裝置向程量斗給料時(shí)，程量斗中物料的定量質(zhì)量m為〔3.9〕式中，tkj、tzs、tzj、tms和tmj分別為快加完畢、中加開場(chǎng)、中加完畢、慢加開場(chǎng)和慢加完畢的時(shí)間。二、給料門動(dòng)作遲延的影響在每一級(jí)給料過(guò)程中，設(shè)進(jìn)料門完成關(guān)閉〔或關(guān)小〕動(dòng)作所需要的時(shí)間(即動(dòng)作遲延時(shí)間)為Δt,,則每一級(jí)由機(jī)械動(dòng)作延時(shí)所引起的給料質(zhì)量偏差量Δm為〔3.10〕式中，i為1、2或3?？梢?jiàn)，在ρv一定的情況下，Δmi的大小取決于給料口面積和給料門動(dòng)作遲延時(shí)間Δt。而采用三級(jí)給料方式，就是在ρv和Δt無(wú)法改變的況下，通過(guò)減小給料門的出口面積來(lái)提高定量控制精度。三、物料落差的影響物料落差是指進(jìn)料門關(guān)閉后,從給料門到稱量斗內(nèi)物料外表之間，尚處在下落過(guò)程中而未被傳感器感知的物料量所產(chǎn)生的計(jì)量偏差。因?yàn)樵撨^(guò)程非常復(fù)雜，使得該物料量的理論計(jì)算非常困難。為了分析的簡(jiǎn)便,可以近似認(rèn)為〔3.11〕式中，ml——落差質(zhì)量；H——給料口到稱量斗中物料外表的高差。從式〔3.10〕中可知,落差質(zhì)量與給料口的面積和落差高度成正比,即出料口面積越大或者落差高度越大,則物料的落差質(zhì)量越大。因此,在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少給料口的面積和物料的落差高度。四、物料下落動(dòng)量作用的影響當(dāng)物料從給料口下落到稱量斗中物料的外表時(shí),由于動(dòng)量的存在而對(duì)稱量斗產(chǎn)生沖量作用，使傳感器的計(jì)量值發(fā)生改變,從而產(chǎn)生過(guò)沖誤差。從理論力學(xué)可知，物料下落的沖量作用在物料外表產(chǎn)生的沖擊力為〔3.12〕式中，N——物料沖量產(chǎn)生的沖擊力；m——*時(shí)刻物料的質(zhì)量；g——重力加速度；τ——沖擊作用時(shí)間。由式〔3.12〕可見(jiàn)，應(yīng)盡量減小給料口到稱量斗的高差。第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)AT89S52支持匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言，本系統(tǒng)的軟件程序是采用C語(yǔ)言進(jìn)展編制的。本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中采用了模塊化編程方法，使程序具有易于編寫、調(diào)試和修改、程序可讀性好、便于程序修改等優(yōu)點(diǎn)。4.1系統(tǒng)程序流程圖4.1系統(tǒng)主程序流程4.2數(shù)據(jù)采集子程序圖4.2讀ADS1251字節(jié)子程序流程圖讀AD7810的局部子程序如下：Voidread_AD(){Unsignedchari;IE=0*00;Pressure=0;CONVST=1;CONVST=0;;;;;For(i=1;i<=10;i++){SCLK=1;Pressure<<=1;pressure|=(unsignedchar)Dout;SCLK=0;}IE=0*aa;}4.3人機(jī)通信程序設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中，人機(jī)通訊都是通過(guò)MCU與HD7279之間的數(shù)據(jù)傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)的。鍵盤輸入的掃描和動(dòng)態(tài)顯示掃描都是由顯示和鍵盤控制芯片AD7810來(lái)完成的。HD7279鍵盤掃描及數(shù)碼管程序流程如圖4.3，4.4所示，其對(duì)應(yīng)局部子程序段如下：圖4.3HD7279字節(jié)寫入子程序流程圖圖4.4HD7279字節(jié)讀出子程序流程圖voidwrite7279(unsignedcharcmd,unsignedchardta){send_byte(cmd); send_byte(dta);}unsignedcharread7279(unsignedcharmand){send_byte(mand); return(receive_byte());}voidsend_byte(unsignedcharout_byte){unsignedchari;cs=0;long_delay();for(i=0;i<8;i++){if(out_byte&0*80){dat=1;}else{dat=0;}clk=1;short_delay();clk=0;short_delay();out_byte=out_byte*2;}dat=0;}unsignedcharreceive_byte(void){unsignedchari,in_byte; dat=1; long_delay(); for(i=0;i<8;i++) {clk=1; short_delay(); in_byte=in_byte*2; if(dat) {in_byt