0  引言

稱重顯示控製器是一種具有數字顯示、 開關量輸出、 定值控製和通信功能的以微機為操作核心的稱重控製裝置。它是電子衡器的重要基礎部件, 直接影響電子衡器及電子稱重係統的功能和性能。與合適的傳感器及承重傳力複位係統組合可組成配料秤、 料鬥秤、定值秤、 平台秤、 汽車秤等, 廣泛應用於電力、 化工、 建築、冶金、 交通運輸、 食品、 軍工等部門, 是進行自動稱重配料控製和生產過程自動化必不可少的重要檢測、控製裝置。

隨著稱重計量自動化水平的提高, 對稱重顯示控製器的要求也越來越高。為實現低漂移、 高穩定, 本控製器采用低漂移、 高增益放大器 AD620 和高分辨率的A/ D 轉換器 CS5550。為提高穩定性和可靠性, 采用集成度高的、 抗幹擾能力強的 ST62 單片機。

1  ST62單片機介紹

ST62 係列單片機是法國某公司生產的簡單、 靈活、 低價格的 8 位單片機, 采用了獨特的製造工藝和技術,大大提高了抗幹擾能力。它專為嵌入式控製應用設計, 特別適用於抗噪聲和抗幹擾能力強、 性價比高的控製係統, 具有以下主要性能:

①工作電源電壓有很寬的適應範圍( 3V~ 6V) 。

②豐富的 I/ O 功能, 可吸收電流達 20mA,並可直接驅動 LED/ 可控矽, 有多通道的複用 8 位 A/D 轉換器, 5 個中斷向量, 1 個外部不可屏蔽中斷。

③位定時器, 數字看門狗, 片內時鍾振蕩器及備份振蕩器, 振蕩器保護電路, 上電複位及低壓檢測複位, 等待及停止省電模式。

④多種內部程序存儲器, 除有廉價的 OTP( onetime programming) 一次性編程寫入外, 還有非常方便的 Flash 程序存儲器, 可以在線編程, 易於修改程序代碼。存儲器( ROM/ EPROM/ OTP) 的容量從 1kB~ 8 kB不等, 還有 64~ 320 字節的 RAM 及 64~ 128 字節的EEPROM, 可以滿足各種編程的需要。

根據 控 製 器 功 能 的 需 要, 選 用 ST62 係 列 的ST62T42BQ6 單片機作控製芯片。該芯片具有 8 kB的Flash 內部存儲器, 192 字節的 DATA RAM, 128 字節的 DATA EEPROM, 最大時鍾頻率 8 MHz,有 18 個 I/ O引腳, 6 個複用 8 位 A/D 轉換器, 有 SPI 通信接口。控製器采用 ST62T42BQ6 自身的 A/ D 端口, 及 40 @ 4 的LCD驅動功能, 構成 6 個操作按鍵、 6 位段碼顯示及 6個保留圖符顯示的人機操作界麵。

2  稱重顯示控製器的硬件設計

由於采用了集成程度高的 ST62 單片機及 AD 芯片 CS5550, 整個控製器的硬件結構顯得非常簡單, 提高了工作可靠性和抗幹擾能力。
2.1  直流放大與 AD轉移

這是本控製器硬件設計中的重要部位。放大器具有低功耗、 低漂移、 低失調、 增益線性好的特點, 才能對稱重傳感器的微弱信號進行不失真的放大, 才能保證測量數據的精確。因此我們選用了美國 某公司近年推出的精密儀表放大器 AD620 作為該變送器的直流放大器。它是一個體積很小的 8 腳塑封的( DIP) 器件。由於它的超 B先進工藝, 使其最大工作電流為 113mA,輸入失調電壓為 5LV, 輸入失調漂移最大為 1LV/ e ,共模抑製比 93dB, 增益範圍 1~ 1000, 而且噪聲低, 使用簡單方便, 隻 需一個外接電 阻來設定 增益範圍。AD620 的增益計算:

G = (4914kΩ/ R _G ) + 1,  R G = 4914kΩ( G- 1)

式中: 4914kΩ 為 AD620 內部設定電阻修正的標準阻值; R _G為外部增益調整, 可在放大器的腳 1 和腳 8 之間跨接此高精度電阻來滿足所需要的放大倍數。采用儀表放大器 AD620, 其增益誤差可小於 0101%, 非線性小於 01002%。

本控製器的AD 轉換則采用 某公司的兩通道Delta -Sigma 模數轉換器 CS5550 芯片。CS5550 是一種便於設計、 性價比高的小體積高集成解決方案, 可確保電子秤廠商為客戶提供測量精確、 物美價廉的解決方案。

CS5550 集兩個模數轉移器、 兩個放大器、 一個基準電壓電路和一個雙向串口於一身, 用於輸出精確測量結果。它是一個雙通道解決方案, 通道 1 具有13 位有效位, 通道 2 有 10 位有效位, 其卓越的性能建立在 可靠的 Delta -Sigma 模 數轉移 結構之上。同時, CS5550 還包括了一個片內溫度傳感器, 用於測量和補償溫度波動帶來的誤差, 使其具有很好的溫度穩定性, 適於長期工作。為與微控製器通信, 此芯片還具有雙向串行接口, 可以通過重新設置完成初始化和完全運轉。

2.2  鍵盤和 LCD顯示電路

本控製器的鍵盤設計采用了 ST62 單片機自帶的 A/ D 采樣輸入 功能。如圖 2 所示, 對單 片機的AIN 腳進行采樣, 根據采樣的電壓值判斷是否有按鍵發生, 若有, 是哪個按鍵被觸發。此種鍵盤電路設計可節省 MCU 的 I/ O 口, 根據合理的電壓分配可適用 20 個甚至更多按鍵的鍵盤設計。本控製器隻用了6 個按鍵。

本控製器采用單片機本身的 40 × 4LCD 驅動功能開發顯示係統, 液晶片一共 54 個筆畫段, 組成了一個 6位七段數碼顯示器, 每個數碼還帶有小數點。還有 6段分別用於“調零”、 “ 穩定”、 “ 淨重”、 “ 打印”、 “ kg”、“Lb” 6 個標誌, 如圖 3 所示。ST62T42BQ6 最多可驅動 160 段筆畫, 這裏隻用了其中的 54 段。

根據不同的按鍵功能操作顯示對應的內容。

2. 3  RS- 232 通信接口

采 用 單 片 機 SPI 接 口 的 SOUT、SIN 管 腳 與MAX232 芯片構成通用的 RS- 232 接口, 使得控製器可方便地連接遠端的電腦和打印機處理稱重值。

2. 4  開關量輸出電路

該電路作為控製器向外輸出信號之用。利用鍵盤將最高、 最低設定值置入內存, 儀表隨時比較采樣值和設定值, 並把比較結果以開關量方式輸出, 達到控製外設的目的。開關量輸出電路由光電耦合電路和輸出繼電器組成, 如圖 4 所示。

3  稱重顯示控製器的軟件設計

軟件程序設計采用模塊式結構, 其優點是結構清晰、 調試方便、 易維護、 易擴充。整個係統由采樣、 稱重、 鍵盤掃描、 LCD 顯示、 程序設定、 打印通信、開關量輸出等模塊組成。

係統上電啟動後, 首先進行初始化, 對寄存器和各I/ O 端口進行設置; 然後執行自檢程序, 自檢無誤後開始掃描鍵盤。當有按鍵觸發時, 經判斷分別進行程序設定和功能鍵處理。若無鍵觸發則對 AD 模塊進行采樣,並自動校零。若程序設定的 F 1 為 Enable, 則直接顯示 AD 采樣的電壓值後返回循環起點。反之, 進入稱重模塊計算, 將采樣模塊得到的數據進行零點修正和滿度修正後, 可作皮重處理, 也可減去皮重作淨重處理;得到的數再與開關量的高低設定值比較, 輸出設定的相應電平, 達到控製的目的; 然後顯示稱重值及相應狀態; 最後如有打印或通信要求, 執行該段子程序後回到循環起點。

3.1  采樣模塊

稱重過程中, 即使經過足夠時間的延遲, 由於機械振動和電磁幹擾等原因, 采樣得到的數也總會在真值附近抖動, 使采樣精度有一定的偶然性。為了克服這個弊病, 通常可采用多點采樣取其平均值或多點采樣取其中值等方法。但這兩種方法都有其不足之處: 平均值法會引入幹擾點誤差; 取中值法可能不在誤差帶中,因而都會引起較大讀數誤差。本控製器的采樣模塊軟件設計采用多點采樣剔除壞點的辦法, 從而得到了滿意的效果。

3.2  程序模塊

在程序設定模塊中, 可自由選擇進入每個設定的內容, 也可隨時保存設置內容並退出, 無需一兜到底經曆每一項設定。程序設定的內容有:

F ₁ 原始值顯示

F ₂ 自動零點跟蹤功能設置

F ₃ 波特率選擇

F ₄ 打印功能

F ₅ 輸出模式設定

F ₆ 稱重值精度設置

F ₇ 單位顯示設置

F  儀表精度標定模式

3. 3  稱重模塊

本控製器采用微控製器分析處理測量結果, 從而大大提高了係統的精確度。在稱重模塊程序設計中采用了非等分距分段的方法進行校正, 其特點是函數基點的分段不是等距的, 而是根據函數曲線形狀變化率的大小來修正插值之間的距離。該插值法的原理如下:

用折線 ab、 bc、 cd 來代替曲線 ab、 bc、 cd,可以寫出各段的插值公式為

式中: K ₃ = ( W _d - W _c )/ ( V _d - V _c ); K ₂ = ( W _c - W _b )/( V _c - V _b ); K ₁ = ( W _b - W _a )/ ( V _b - V _a );

3. 4  其餘

另外, 功能鍵設計有調零、 皮重設定、 毛重/ 淨重切換、 開關量高低值及電平設定、 打印設定、 無零檢驗設定等功能。

按鍵程序采用一鍵多用及組合鍵的設計, 使得儀表麵板簡潔明快, 操作也極為方便。

4  結束語

本稱重顯示控製器結構簡單, 采用高集成芯片簡化了電路, 縮小了控製器的體積, 且操作方便, 使用 6個按鍵, 根據 LCD 顯示就可完成多種功能操作, 運行可靠, 抗幹擾能力強, 有很好的推廣應用價值。

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