引 言

稱重顯示控製器是電子衡器的重要基礎部件 , 它直接影響電子衡器及電子稱重係統的功能和性能, 反映著稱重計量的技術水平。K8凯发登录入口秤稱重顯示控製器是一種對秤筒和K8凯发登录入口調節器所流過的物料K8凯发登录入口進行檢測與控製的儀表。通過檢測秤鬥重量變化來計算物料K8凯发登录入口, 據此來改變K8凯发登录入口調節器參數, 從而達到K8凯发登录入口控製的目的。由於K8凯发登录入口秤的計量速度快, 所以具有很廣泛的應用。當前, 市場上的定量秤和配料秤較多,而K8凯发登录入口秤相對較少, 需要完善的地方也較多,概括起來有以下幾個方麵: ①非線性誤差較大。這將使稱重值與實際值相差很大, 從而造成計量精度低。 ② 功耗大。一方麵控製器的溫度升高影響整個硬件電路, 另一方麵也會影響元器件的使用壽命和整個控製器的性能。綜合考慮到上述情況, 筆者設計了以 ADS1216 為模數轉換器的稱重顯示控製器。 ADS1216 是采用 △- ∑模數轉換技術, 具有高精度、寬動態範圍,有效的提高了控製器的精確度和可靠性, 同時也降低了控製器的功耗, 很大程度上提高了控製器的性價比。本文闡述了控製器的相關知識,對測量部分的放大電路和濾波電路進行了設計,並著重討論了 ADS1216 在稱重顯示控製器中的應用。

1 控製器的工作過程及其稱重原理

1.1 控製器的工作過程

控製器上電後, 在稱重工作狀態下,按鍵輸入密碼後, 便可進行係統設定和參數設定。稱重時, 外部開關量輸入運行有效信號,儀表進入運行工作狀態。稱重顯示控製器根據預先設定的參數對秤體進行控製。稱重傳感器的信號經 A/D 轉換器 ADS1216 模數轉換後, 輸入單片機, 單片機進行處理和計算,通過顯示器顯示出此時物料的K8凯发登录入口, 累計稱重值等。若此時稱重顯示控製器檢測到的稱重傳感器的信號經轉換後不滿足預先設定參數的要求, 控製器則會調節卸料口的大小來改變流速, 從而達到預設的要求。當累加後的總重量達到了預設總重量值後, 喂料機停止喂料,K8凯发登录入口秤再次進入非稱重工作狀態。繼續進行參數設置後, 便可進行下一次稱重。

1.2 稱重原理

稱重控製器的稱重信號始於稱重傳感器,所以傳感器的測量精確度及接線形式直接關係到控製器的性能。在傳感器串並聯方式的選擇上,筆者選擇了傳感器並聯的形式。原因有以下幾個方麵: 一是傳感器並聯後其輸出阻抗較串聯方式大大減小; 二是測量係統的抗幹擾能力明顯增強; 三是並聯方式測出的數據較串聯方式穩定可靠得多。如果傳感器電橋實加橋壓與 A/D 轉換器基準電壓的比值恒定, 則傳感器並聯方式的測量精確度將不受電壓絕對值及其變化的影響, 這種稱重方式即所謂的比率型稱重方式。這種方式是保證稱重顯示控製器質量優良的先決條件。所以為了實現比率型稱重方式,

我們在傳感器和儀表的聯線上采用六線製接法, 從而解決了高精度測量問題[ 3 ] 。

2 稱重顯示控製器總體硬件結構

控製器的硬件主要包括 CPU 模塊、運放及濾波模塊、 A/D 模數轉換模塊、按鍵輸入模塊、液晶顯示模塊、開關量模塊及通訊模塊等。其總體結構如圖 1 所示。單片機 STC89 用於對 A/D 轉換後的數字信號、按鍵信號、開關量信號進行處理、對稱重過程進行控製、對在液晶顯示器上設置的參數進行儲存、並通過 RS485 和工控機、打印機等進行通訊。 A/D 轉換模塊主要負責將放大了的模擬信號轉換成數字信號, 它是影響控製器精確度的重要部件。 

3 放大電路及濾波電路

放大器是影響控製器精確度的一個重要部件。放大器隻有具有了穩定性好、非線性小、漂移小、增益小、抗幹擾能力強等特點才能保證測量數據的準確。根據放大器的要求精度,所需帶寬, 電路阻抗,環境條件及其他影響因素,我們選用了 INA217 作為直流放大器。 IN-A217 是一種低噪聲、低失調的集成儀器放大器。當信號源阻抗為 200Ω時,INA217 可以提供接近理論值的噪聲效能( 1kHz 為 1.3nV/rtHz ) , 即使在高增益工作情形下( 0.004% , G=100 ) , 失真消除電路也可將信號失真降至極低。另外, 電流回授電路使 INA217 可以支持更大的頻寬 ( 800kHz ,G=100 ), 並在更寬廣增益範圍內提供傑出動態效能, 非常適合於稱重傳感器信號的放大。在對傳感器信號進行放大後, 為了保證其準確性和穩定性, 我們又進行了濾波電路的設計。濾波器選用的是單片集成濾波器 MAX280 。

4 模數轉換部分

4.1 ADS1216 概述

在稱重顯示控製器中, A/D 轉換器是除單片機外影響控製器性能的主要元器件之一。為保證控製器的性能, 我們選用了 ADS1216 作為 A/D 轉換器。 ADS1216 是 Burr- Brown 產品線中的一款高精度、寬動態範圍、 ∑- Δ 型 8 通道 24位 ADC 。 ADS1216 主 要 包 括 模 擬 多 路 開 關( MUX ) 、輸入緩衝器( BUF ) 、可編程增益放大器(PGA ) 、二階 Δ - ∑ 調製器、可編程數字濾波器、微控製器、 16 個狀態 / 控製寄存器、 128 字節 RAM 、串行 SPI 接口、兩個 8 位DAC 、內部參考電壓產生器以及時鍾發生器等工作模塊。它通過 SPI 接口與外界進行信息交換, 工作電壓範圍為 2.7V～ 5.25V ^{[ 1 ][ 2 ]} 。

4.2 ADS1216 與 STC89 單片機的接口

考慮到 ADS1216 與 SPI 兼容, 所以這裏與單片機 STC89 的接口采用 SPI 串行接口方式。STC89 單片機是深圳宏晶科技公司推出的強抗幹擾、高速、低功耗、低價 格 的 8 位 單 片 機 。

ADS1216 標準的 SPI 接口方式為四線製,分別為時鍾信號線 SCLK 、數據輸入線 Din 、數據 輸 出 線 Dout 和 片 選 線 CS 。 在 本 設 計 中ADS1216 與STC89 的接口引腳有 SCLK 、 Din 、Dout 、 DRDY 以及 BUFEN 。它們分別接至單片機的 P3.4 ( T0 ) 、 P3.3 ( INT1 )、 P3.2 ( INT0 ) 、 P3.5( T1 ) 和P1.7 。 由 於 本 設 計 中 隻 選 用 了 一 片ADS1216 芯片, 所以將 CS 引腳直接接地, 即采用三線製串行接口連接方式, 這樣可以節省單片機的輸出控製線。為了檢測 ADS1216 數據寄存器 DIO 的數據是否準備好了, 可以通過兩種方法進行檢測。一種方法是查詢 DRDY 引腳的狀態。如果 DRDY 引腳為低電平, 則表示待輸出的數據已經被更新, 可以被讀取。反之, 則不可以。另一種方法是判斷模式和采樣頻率寄存器 M/DEC1 中 DRDY 位的狀態。若 DRDY=0 ,則表示數據已經準備好了, 可以被讀取; 若DRDY=1 , 則表示數據尚未準備好, 還不可以被讀取。 BUFEN 引腳的連接是為了和設置寄存器SETUP 中的 BUFEN 位共同控製 ADS1216 的內部緩衝器。當二者狀態邏輯與後為 1時,表示選擇了緩衝器; 為 0 時, 表示沒有選擇緩衝器。在沒有選擇緩衝器時, ADS1216 的輸入阻抗為5MΩ /PGA 。選擇了緩衝器後, 輸入電壓波動減小,並且輸入電流增大。決定 ADS1216 時鍾頻率的晶體有幾種典型值, 本設計中的晶體 X2 選擇的是 2.4576MHZ , 兩 個 電 容 C4 和 C5 都 為12pF 。電容 C4 和 C5 的大小對時鍾頻率有微小的影響, 在設計印製板時,晶體和電容應盡可能與單片機芯片靠近, 以減少寄出電容。圖中C6 是為芯片內部噪聲濾波電路提供的旁路電容。R4 則起限製 ADS1216 最大輸出電流的作用, 在實 際 應 用 中 R4 可 以 根 據 需 要 選 擇 150kΩ 、75kΩ 、 15kΩ 、 10kΩ 和不接。

5 軟件設計

在使用 ADS1216 之前, 需要對其內部的部分寄存器通過軟件進行設置。首先是通過設置模擬多路開關 MUX 選擇模擬通道, 再通過設置SETUP 寄存器的 BUF EN 位選擇緩衝、 REFEN位選擇參考電壓、 BIT ORDER 選擇數據位的輸出順序。值得注意的是, 若選擇了外部參考電壓,其差分電壓不可以超過 2.5V , 以免造成轉換結果錯誤。另外, 還需設置 ACR 寄存器選擇可編程增益放大器的放大倍數, 設置 M/DEC1寄存器的 U/B 位選擇 數 據 格 式 、 SMODE1 和SMODE0 位設置濾波模式等。具體設置可根據需要而定, 這裏就不再一一說明。 

6 結束語

本設計采用具有 △- ∑ 技術的模數轉換器ADS1216後,有效的解決了轉換速度與高分辨率這一難以完美的矛盾。實驗表明, 秤筒容積為 100L 的K8凯发登录入口包裝秤其流速可達到 25 噸 /時,采用 TQFP- 48 封裝形式的 ADS1216 在應用時其功耗小於 1mW , 線性度僅為 0.0015% 。同時,在設置可編程增益放大器 G=1時,ADS1216 可提供 22 位有效分辨率。而一般的 3 級稱重顯示控製器 A/D 的內分辨率達到 1/2 18 就可以了。本設 計 控 製 器 的 累 加 誤 差 為 ± 0.1% ; 電 源 是AC220V 50HZ± 10% ; 工 作 溫 度 範 圍 為 0℃～ +40℃ ; 工作濕度為 ≤90% ( 20℃ ) R.H 不可結露。該稱重顯示控製器用於K8凯发登录入口包裝秤後, 在功耗降低的同時, 準確度和穩定性都有了明顯的提高,較好的達到了預期效果。

參考文獻:

[ 1 ] 8- Channel , 24- Bit ANALOG- TO- DIGITAL CON-VERTER [ Z ] . TI. 2001.

[ 2 ] 李彩, 柯天存, 盧桂新, 曹文熙 . 新型 8 通道 24 位模數轉換器 ADS1216 及應用[ J ] . 國外電子元器件 .2004 , ( 4 ) : 73- 76.

[ 3 ] 李世仁 . XK3100 係列稱重顯示控製器研製中的幾個問題[ J ] . 強度與環境 . 1991 ,( 2 ) : 40- 46.

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