在自動化定量包裝生產線的末端,質量分撿機既能夠對小定量包裝商品進行動態分撿,又可用於定量困難的農副加工產品如禽蛋、雞鴨蛋等的質量等級分類,同時可實現對其上位機即充填機或定量包裝機的狀態監測與反饋控製,也常用於大包裝物品的漏裝檢驗及包裝生產線的生產數據管理等,在現代化企業中廣泛應用。它主要由送樣係統、稱重係統、控製係統、分撿係統等機構組成。稱重係統是整個設備的核心,直接影響著設備的計量性能,係統對質量信號的采集是通過稱重傳感器實現的,以前采用分立元件和少量運放設計組成的電路係統,存在著穩定性差、故障率高、溫度漂移與零點漂移等問題,而基於數字稱重傳感器設計的電路,實踐表明達到了在線稱量、瞬間檢測、判別分撿、穩定可靠的技術要求,具有誤差小、可靠性高、故障率低等優點,提高了企業的生產效率和計量保證能力。圖1稱重係統基本結構示意圖

1.光電位移傳感器2.樣品輸送帶3.稱重物料4.稱重傳感器5.稱重台麵6.油阻尼器7.驅動電機
1工作原理
稱重測量係統是提供分撿物品質量信息的重要裝置,基本工作原理為:被稱量的小定量包裝商品由送樣係統送至稱重係統,當物品到達稱重台麵的有效位置時,由光電位置檢測傳感器發出檢測信號,然後利用稱重傳感器將重量信號轉化為電信號,經A/D轉換器轉換為數字信號,由MCS-51單片機控製係統進行信號處理,把質量信號和預先設定的參數進行比較,發出控製判斷信號送至分撿係統,由氣動執行機構完成分撿操作,設備同時有參數設定和數據顯示等功能,其基本結構和工作原理分別如圖1和圖2所示。

2電路設計
係統電路設計框圖如圖3所示,電路部分主要由核心單元電路、質量信號檢測電路、鍵盤擴展電路、LCD顯示電路、打印機輸出電路等單元組成。

2.1核心單元電路
綜合考慮係統擴展的方便性、工作的可靠性、性價比等因素,控製係統采用MCS-51係列的8031芯片,其他使用的主要芯片還有27128、62128、8255A、74LS373、74LS139、MAX202等,27128EPROM、62128SRAM芯片為擴展使用的程序存儲器,容量為16KB;8255A為可編程的並行I/O口擴展芯片,具有3個8位的並行I/O口,完成CPU與外部設備之間的信息傳輸;74LS373為帶三態輸出的8位鎖存器,鎖存輸出P0口的地址信號;74LS139為雙2-4線的二四譯碼器,由於係統擴展電路單元較多,為編址方便,采用74LS139譯碼器芯片產生片選信號;MAX202為用於串行通訊的電平轉換芯片,實現TTL電平和RS-232標準電平的相互轉換。8031主控芯片的4個並行I/O口的功能分配如下:
·P0口:外接程序存儲器和數據存儲器地址的低位字節(即地址總線的低8位),並作為數據總線分時對程序存儲器、數據存儲器、擴展的外設進行讀寫操作。
·P1口:P1.0腳用於光電位移傳感器信號的輸入;P1.1腳用於控製固態繼電器的質量分撿信號的輸出;P1.2、P1.3腳則用於矩陣式非編碼鍵盤的行掃描。
·P2口:P2.0～P2.5是程序存儲器和數據存儲器的高6位地址線;P2.6、P2.7連接74LS139譯碼器的輸入腳,用於產生片選信號,分別選中62128、8255A、LCD顯示器、μP16打印機等。
·P3口:所有8個管腳均使用其第二功能,RXD、TXD用於稱重傳感器數字信號的接收與發送;用於打印信號的中斷請求輸入;T0、T1用於T0、T1定時器/計時器外部計數脈衝輸入;和用於擴展的外設和數據存儲器的讀寫選通控製。
控製信號功能如下:RST用於複位電路;ALE作為地址鎖存允許輸出信號,控製74L373芯片;用於外部程序存儲器EPROM的讀選通信號輸出,控製27128芯片;接地。
2.2質量信號檢測電路
係統對質量信號的采集是通過數字稱重傳感器實現的,在數字稱重傳感器內部對模擬稱重傳感器進行A/D轉換預處理,並對溫度、非線性、滯後、蠕變進行了自動化數字補償,輸出數字信號送給8031單片機處理。檢測的核心部件為德國HBM公司生產的FIT/H1/SR2/5K數字稱重傳感器,量程為5kg,RS-232接口的電阻應變片式數字稱重傳感器,具有響應速度快、稱重精度高、數字化綜合誤差補償、抗幹擾能力強等特點。數字稱重傳感器的信號輸出方式為被動式輸出,當檢測到光電位移傳感器信號時,8031單片機通過TXD串行信號輸出口,向傳感器發出數據傳輸的請求信號,使用時通過軟件實現數字稱重傳感器的通訊協議格式的設定、質量標定及波特率設計等技術參數的調整。本係統的傳輸波特率為1.2Kb/s,信號輸出方式設定為BCD數,8031的晶振頻率采用6MHZ,串行口的工作方式為工作方式3,定時器模式為模式2,初值為FAH,數字信號的輸出通過MAX202芯片實現RS-232電平信號與TTL電平信號的轉換,完成質量信號點對點的串行輸入。
2.3鍵盤擴展電路
係統采用8255A擴展鍵盤,這種方案需要8031不斷掃描鍵盤。該鍵盤有16個按鍵組成,分別是:0～9十個數字鍵、設置鍵、查詢鍵、運行鍵、跟蹤鍵、清除鍵、確定鍵、複位鍵、打印鍵等。開機上電後,係統進入運行監測狀態,此時係統僅顯示“ZLFJOK”,表明係統運行正常,運行人員設置參數,確定無誤後點擊運行鍵即可運行,運行中係統動態顯示產品的超差量和總生產量。各功能鍵主要實現的作用如下:
(1)設置鍵:用戶可根據不同行業、不同物品的多種需要,自由設定其參數信息,主要輸入內容包括:物料類型、皮重值、上下限值的設定等參數,通過操作數字鍵,觀察屏幕顯示結果,加以確認。
(2)查詢鍵:主要是為了方便查詢和打印曆史記錄,可查詢存放在曆史數據查詢區當前最新的20個質量數據,並可根據需要計算出產品質量的平均誤差和標準偏差。
(3)運行鍵:該鍵使設備進入分撿操作運行狀態,然後由8031單片機對所稱物品進行質量信號的超差判斷,送出超差分撿控製信號。
(4)跟蹤鍵:主要解決和克服由於係統誤差和外界幹擾而引起的設備零點的緩慢變化。
(5)清除鍵:主要用於清除操作中錄入錯誤的數據,
同時也可實現菜單操作中下級菜單向上級菜單的返回。
(6)確定鍵:輸入完畢後,對所輸入數據參數,確認操作正確。
此外,設備還有2個外部觸發控製開關,若係統出現異常狀態,按下複位鍵即可恢複到正常的運行監測狀態;通過打印鍵,用戶可根據需要隨時對當前數據以中斷方式實現打印。
2.4LCD顯示電路
為了使顯示內容豐富、美觀,本係統采用香港精電公司生產的16字符×2行字符型液晶顯示器MDLS16265B,其內置大規模集成電路HD44780芯片作為主控電路,可以方便地與8031實現連接。LCD的端口地址是:寫命令口為8000H、數據口為8100H、狀態口為8200H、數據口為8300H。
2.5打印機控製電路
設備需要在運行中隨時將數據結果用於打印輸出,並且分析其誤差,以便於監控定量包裝機的工作狀態。本係統采用μP16嵌入式針式打印機,通過端口地址C000H采用中斷方式,將需要打印的數據或發送到打印機的命令傳給打印機。係統鍵盤、打印機、LCD顯示器都是通過8255A芯片與8031相連,因此要實現對所有外設的管理必須能夠控製8255A。8255A的A口、B口、C口、命令
口等端口地址分別為:4000H、4001H、4002H、4003H,分別用於控製打印機、鍵盤、LCD、命令輸入等外設的信號輸入。
3結論
基於數字稱重傳感器設計的稱重係統電路,達到了在穩定可靠、故障率低、在線稱量、瞬間檢測的技術要求,分撿速度快、分撿精度高,提高了定量包裝商品生產企業的生產效率與計量保證能力,可廣泛應用於同類設備稱重係統的電路設計。

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