引言

稱重控製器是一種實時測量物料重量並根據重量自動發出控製信號的智能儀器, 廣泛應用於包裝、 配料等工藝流程中。國內在定量稱重控製器方麵進行了多方麵的研究, 也設計出一批高性能、 功能完備的稱重控製器, 但也存在改進之處, 如維護困難、 精度低、 配料時間長等。同時, 集成電路和控製算法的發展也為研究和設計新型的稱重控製器提供了可能。

1  定量稱重控製器的工作原理

定量稱重控製器用於物料定量裝袋係統中。物料定量裝袋係統由稱重控製器、 備料鬥、 計量鬥和夾袋機構組成。

備料鬥用於存放要包裝的物料, 通過提升機保證備料鬥有足夠的物料; 計量鬥兩側裝有重量傳感器, 可實時測得計量鬥內物料重量; 夾袋機構可根據控製信號夾住或鬆開包裝袋; 稱重控製器是整個係統的控製核心。

開始運行時, 稱重控製器對備料鬥發出投料信號, 物料從備料鬥進入計量鬥。計量鬥把物料重量反饋給控製器。稱重控製器根據當前重量和目標重量, 自動控製備料鬥依次按大、中、 小 3種速度向計量鬥卸料, 使物料快速精確進入計量鬥。當計量鬥物料重量達到目標值, 停止卸料。若此時包裝袋已準備好, 控製器通知計量鬥向包裝袋卸料, 卸料結束後鬆開包裝袋自動開始下一個過程。

該稱重控製器具有 16路開關量輸入 /輸出, 落差自動修正和零位跟蹤功能, 可實現除了人工上袋外的全部物料自動包裝過程, 且雙控製器可實現互聯, 進一步提高包裝效率。

2  硬件設計

稱重控製器硬件部分包括單片機及其外圍電路、 傳感器信號測量電路、 鍵盤和顯示、 輸入輸出、 係統時鍾和通信等部分。

2．1  單片機

單片機采用台灣華邦的 W77E58, 該單片機除具有 51係列單片機的全部功能, 還有如下特點: 完全與 MCS- 51兼容的芯片, 速度比標準 51快 215倍以上; 512B數據存儲器 (其中 256B以 MOVX訪問 ), 32KB程序存儲器; 3個定時器 /計數器; 內置電源管理模塊, 有正常和省電模式。係統中外圍器件控製和數據的處理等任務均由 W77E58完成。

2．2  傳感器信號測量電路

物料包裝係統中使用的稱重傳感器為電阻應變式稱重傳感器, 其原理為應變電阻構成的惠斯登電橋[ 1] 。電橋輸出的信號很微弱, 一般隻有幾 mV.

測量電路主要完成稱重傳感器信號放大, 並通過 ADC采樣得到用於單片機處理的數據。

橋路信號采樣首先需將信號放大。放大電路要求精密、 低溫漂和高共模抑製比, 一般采用精密儀用放大要求; 要達到比較高的測量精度則需要高分辨率的ADC, 對於一般稱重係統在設計中要選用 14位或更高有效分辨率的 ADC.

從性能成本等方麵綜合考慮, 係統選用了 AD7730 [2] [ 3] 。AD7730是 Analog Devices推出的 24位 2 - $ 串行 ADC, 非常適合於稱重等精密測量應用。主要特點有: 雙通道差分輸入, 輸入滿量程電壓可選 10mV, 20mV, 40mV 或 80mV; 24位高精度,峰 - 峰計數達 230, 000 ; 可編程濾波器; 可編程增益放大器; 可提供內部校準和係統校準; 具有斬波工作方式。AD7730使用單電源工作, 為了防止幹擾, 模擬部分和數字部分分別單獨供電。

係統采用的傳感器為 H3- C3型電阻應變式稱重傳感器,其靈敏度為 21000 mV /V, 在 5V 電壓激勵 下滿刻度輸出為10mV, 所以將 AD7730的輸入電壓量程選為10 mV.AD7730的有效分辨率和采樣更新速率有關, 更新速率越低有效分辨率越高。在滿足其他要求的情況下盡量降低更新速率, 由此來提高有效分辨率。AD7730的最低更新速率為50H z , 但如果選擇 50H z的更新速率, 電網頻率 (我國為 50Hz)幹擾可能會產生失調並且降低了線路頻率共模抑製, 因而係統的采樣更新速率選擇60Hz . 此時線路頻率共模抑製優於 90dB,能夠達到近 80 , 000個計數相當於 1615位的有效分辨率, 完全能夠滿足係統測量的要求。

對於橋式測量電路, 其輸出電壓的穩定性與其工作電源(供橋電源 )的性能是密切相關的, 要求供橋電源能夠對溫度、時間等因素具有良好的穩定性能。這就需要設計專用的供橋

電源以保證係統工作的穩定性和測量精度。AD7730的基準電壓最高允許為 + 5V, 可以與模擬電源電壓和供橋電壓相同, 這就非常方便將測量電路接成比率測量方式, 電橋激勵電壓的輸入同時也作為 AD7730的參考電壓, 激勵電壓的變化不會影響測量結果, 能夠保證測量精度。比率測量工作方式無需精確穩定的基準電壓源即可實現精確的測量, 降低了對供橋電源的要求, 簡化了電路, 同時也有效的降低了硬件成本 。

AD7730的 SCLK、 DIN、 DOUT 分別與 W77E58的 I/O口連接, 通過 SPI方式與單片機通訊。

2．3  鍵盤和顯示

稱重控製器的人機交互通過 8個 LED 管和 12個按鍵實現。稱重控製器采用新型鍵盤顯示芯片 CH451來檢測按鍵和LED顯示。

CH451是一款集數碼管顯示驅動、 鍵盤掃描控製和? P監控於一體的多功能外圍芯片, 較之同類產品, 其優點如下[ 3] :

( 1)在數碼管動態掃描方麵。 CH451內置 RC振蕩電路,可以直接驅動 8位數碼管或 64位 LED; 具有 BCD譯碼或不譯碼功能; 可實現數據的左移、 右移、 左循環、 右循環、 各位獨立閃爍等控製功能; 內置大電流驅動級, 段電流不小於 30mA, 字電流不小於 160mA, 並有 16級亮度控製功能;

( 2)在鍵盤控製方麵。 CH451內置 64鍵鍵盤控製器, 可實現 8@ 8矩陣鍵盤掃描, 並內置去抖動電路, 可提供按鍵中斷與按鍵釋放標誌位等功能;

( 3)在外部接口方麵, CH451可選擇簡潔的 1線串行接口或高速 4線串行接口 (可高達 10M ), 且內置上電複位和看門狗電路。

該芯片速度快, 操作方便, 外圍電路簡單, 廣泛用於以單片機、 DSP等為 CPU 的智能儀器和小型控製係統中。

2．4  係統時鍾

采用 DS12887作為係統的時鍾芯片, 其作用有: 提供當前時間和日期; 提供 114位非易失性 RAM; 輸出 1 ms的周期信號。該信號接單片機的 I NT0, 為可編程定時器提供時鍾信號。

3  軟件設計

控製器軟件部分主要包括初始化、 標定、 物料稱重和控製算法等。

3．1  初始化

初始化 主要 是 初始 化外 圍各 芯 片, 如 實時 時 鍾芯 片DS12887、 鍵盤顯示芯片 CH451 、 模數轉換芯片 AD7730, 設置中斷, 串口配置, 並將默認的參數從 EEPROM 讀入 RAM 中。

3．2  標定

當係統的工作參數或者工作環境發生變化後, 需重新調整AD的零點和增益, 以及重量與 AD采樣值的轉換係數, 並將它們存入 EEPROM, 此過程稱為標定。

3．3  通訊程序

通訊程序包括兩部分。第一部分是兩個控製器同時工作時主副之間的通訊。雙控製器之間的通訊確保對同一袋物料包裝時協調同步, 包括副機請求卸料, 主機批準卸料, 主機查詢

副機狀態的命令, 傳送累積量等; 第二部分是單控製器與計算機之間的通訊。單控製器與計算機之間的通訊包括計算機對儀表時間和三級密碼設定和下載係統默認參數功能。

3．4  自動控製過程

控製器在運行時能夠自動控製快、 中、 慢下料、 計量鬥卸料及鬆袋的全部過程。控製方法采用基於時間的過程控製。其工作過程說明如下:

( 1)啟動, 同時開啟大投、 中投和小投, 快速下料;

( 2)當物料的稱重值 > 大投值, 則關閉大投信號進行中速加料, 並等待 t 1 時間 (用於避免過衝 );

( 3)繼續下料, 當稱重值 > 中投值, 關閉中投信號進行慢速下料, 並且再等待 t 1 時間;

( 4)當物料的稱重值 > 目標值 - 落差值時, 則關閉小投信號停止加料, 並啟動 t 2 定時器 (用於避免計量鬥振動 );

( 5) t 2 時間到後, 判斷夾袋延時時間 t 5 是否到, 不到則等待, 時間到則將物料卸入包裝袋;

( 6)卸料過程中, 當稱重值[ 零區值時, 延時 t 3 後關閉卸料信號, 同時開啟定時器 t 4 和 t 6 , t 6 到時則向夾袋機構發出鬆袋信號, 鬆開包裝袋;

( 7) t 4 時間到則啟動下一個過程。

 其中目標值、 大投值、 中投值、 落差值、 零區值以及各時間參數由用戶設定, 以滿足現場包裝的需要。合理調節重量參數和時間參數, 可實現多種場合的快速包裝。

4  結束語

控製器采用高精度多功能模數轉換器 AD7730 , 保證了係統精度和動態過程的實現性, 簡化了外圍電路設計。多功能鍵盤顯示芯片 CH451的使用也節省了控製器的開發時間。

該稱重控製器經現場調試和改進, 現已進入試用階段, 表明該裝置操作簡單, 維護方便, 精度和速度完全能滿足現場的要求。

參考文獻:

[ 1]  彭軍. 傳感器與檢測技術. 西安: 西安電子科技大學出版社, 2003 .

[ 2]  周躍剛, 吳昌林, 陳光前. AD7730在發動機燃油消耗測量儀中的應用. 電子技術應用, 2005, 31( 8): 59- 62 .

[ 3]  周水斌, 陳小橋, 楊敏. 基於 AD7710的 6位半電壓表頭的研製. 儀表技術與傳感器, 2004( 1): 32- 34.

[ 4]  施隆照. 數碼管顯示驅動和鍵盤掃描控製器 CH451及其應用. 國外電子元器件, 2004( 1): 53- 57.

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