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  引言

稱重控制器是一種實(shí)時(shí)測(cè)量物料重量并根據(jù)重量自動(dòng)發(fā)出控制信號(hào)的智能儀器, 廣泛應(yīng)用于包裝、 配料等工藝流程中。國(guó)內(nèi)在定量稱重控制器方面進(jìn)行了多方面的研究, 也設(shè)計(jì)出一批高性能、 功能完備的稱重控制器, 但也存在改進(jìn)之處, 如維護(hù)困難、 精度低、 配料時(shí)間長(zhǎng)等。同時(shí), 集成電路和控制算法的發(fā)展也為研究和設(shè)計(jì)新型的稱重控制器提供了可能。

1  定量稱重控制器的工作原理

定量稱重控制器用于物料定量裝袋系統(tǒng)中。物料定量裝袋系統(tǒng)由稱重控制器、 備料斗、 計(jì)量斗和夾袋機(jī)構(gòu)組成。

備料斗用于存放要包裝的物料, 通過(guò)提升機(jī)保證備料斗有足夠的物料; 計(jì)量斗兩側(cè)裝有重量傳感器, 可實(shí)時(shí)測(cè)得計(jì)量斗內(nèi)物料重量; 夾袋機(jī)構(gòu)可根據(jù)控制信號(hào)夾住或松開包裝袋; 稱重控制器是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。

開始運(yùn)行時(shí), 稱重控制器對(duì)備料斗發(fā)出投料信號(hào), 物料從備料斗進(jìn)入計(jì)量斗。計(jì)量斗把物料重量反饋給控制器。稱重控制器根據(jù)當(dāng)前重量和目標(biāo)重量, 自動(dòng)控制備料斗依次按大、中、 小 3種速度向計(jì)量斗卸料, 使物料快速精確進(jìn)入計(jì)量斗。當(dāng)計(jì)量斗物料重量達(dá)到目標(biāo)值, 停止卸料。若此時(shí)包裝袋已準(zhǔn)備好, 控制器通知計(jì)量斗向包裝袋卸料, 卸料結(jié)束后松開包裝袋自動(dòng)開始下一個(gè)過(guò)程。

該稱重控制器具有 16路開關(guān)量輸入 /輸出, 落差自動(dòng)修正和零位跟蹤功能, 可實(shí)現(xiàn)除了人工上袋外的全部物料自動(dòng)包裝過(guò)程, 且雙控制器可實(shí)現(xiàn)互聯(lián), 進(jìn)一步提高包裝效率。

 

2  硬件設(shè)計(jì)

稱重控制器硬件部分包括單片機(jī)及其外圍電路、 傳感器信號(hào)測(cè)量電路、 鍵盤和顯示、 輸入輸出、 系統(tǒng)時(shí)鐘和通信等部分。

 

2．1  單片機(jī)

單片機(jī)采用臺(tái)灣華邦的 W77E58, 該單片機(jī)除具有 51系列單片機(jī)的全部功能, 還有如下特點(diǎn): 完全與 MCS- 51兼容的芯片, 速度比標(biāo)準(zhǔn) 51快 215倍以上; 512B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (其中 256B以 MOVX訪問(wèn) ), 32KB程序存儲(chǔ)器; 3個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器; 內(nèi)置電源管理模塊, 有正常和省電模式。系統(tǒng)中外圍器件控制和數(shù)據(jù)的處理等任務(wù)均由 W77E58完成。

2．2  傳感器信號(hào)測(cè)量電路

物料包裝系統(tǒng)中使用的稱重傳感器為電阻應(yīng)變式稱重傳感器, 其原理為應(yīng)變電阻構(gòu)成的惠斯登電橋[ 1] 。電橋輸出的信號(hào)很微弱, 一般只有幾 mV.

測(cè)量電路主要完成稱重傳感器信號(hào)放大, 并通過(guò) ADC采樣得到用于單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)。

橋路信號(hào)采樣首先需將信號(hào)放大。放大電路要求精密、 低溫漂和高共模抑制比, 一般采用精密儀用放大要求; 要達(dá)到比較高的測(cè)量精度則需要高分辨率的ADC, 對(duì)于一般稱重系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中要選用 14位或更高有效分辨率的 ADC.

從性能成本等方面綜合考慮, 系統(tǒng)選用了 AD7730 [2] [ 3] 。AD7730是 Analog Devices推出的 24位 2 - $ 串行 ADC, 非常適合于稱重等精密測(cè)量應(yīng)用。主要特點(diǎn)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(jì)數(shù)達(dá) 230, 000 ; 可編程濾波器; 可編程增益放大器; 可提供內(nèi)部校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn); 具有斬波工作方式。AD7730使用單電源工作, 為了防止干擾, 模擬部分和數(shù)字部分分別單獨(dú)供電。

系統(tǒng)采用的傳感器為 H3- C3型電阻應(yīng)變式稱重傳感器,其靈敏度為 21000 mV /V, 在 5V 電壓激勵(lì) 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(guān), 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(lái)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(wǎng)頻率 (我國(guó)為 50Hz)干擾可能會(huì)產(chǎn)生失調(diào)并且降低了線路頻率共模抑制, 因而系統(tǒng)的采樣更新速率選擇60Hz . 此時(shí)線路頻率共模抑制優(yōu)于 90dB,能夠達(dá)到近 80 , 000個(gè)計(jì)數(shù)相當(dāng)于 1615位的有效分辨率, 完全能夠滿足系統(tǒng)測(cè)量的要求。

對(duì)于橋式測(cè)量電路, 其輸出電壓的穩(wěn)定性與其工作電源(供橋電源 )的性能是密切相關(guān)的, 要求供橋電源能夠?qū)囟?、時(shí)間等因素具有良好的穩(wěn)定性能。這就需要設(shè)計(jì)專用的供橋

電源以保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。AD7730的基準(zhǔn)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(cè)量電路接成比率測(cè)量方式, 電橋激勵(lì)電壓的輸入同時(shí)也作為 AD7730的參考電壓, 激勵(lì)電壓的變化不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果, 能夠保證測(cè)量精度。比率測(cè)量工作方式無(wú)需精確穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源即可實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量, 降低了對(duì)供橋電源的要求, 簡(jiǎn)化了電路, 同時(shí)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(guò) SPI方式與單片機(jī)通訊。

2．3  鍵盤和顯示

稱重控制器的人機(jī)交互通過(guò) 8個(gè) LED 管和 12個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)。稱重控制器采用新型鍵盤顯示芯片 CH451來(lái)檢測(cè)按鍵和LED顯示。

CH451是一款集數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)、 鍵盤掃描控制和? P監(jiān)控于一體的多功能外圍芯片, 較之同類產(chǎn)品, 其優(yōu)點(diǎn)如下[ 3] :

( 1)在數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描方面。 CH451內(nèi)置 RC振蕩電路,可以直接驅(qū)動(dòng) 8位數(shù)碼管或 64位 LED; 具有 BCD譯碼或不譯碼功能; 可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的左移、 右移、 左循環(huán)、 右循環(huán)、 各位獨(dú)立閃爍等控制功能; 內(nèi)置大電流驅(qū)動(dòng)級(jí), 段電流不小于 30mA, 字電流不小于 160mA, 并有 16級(jí)亮度控制功能;

( 2)在鍵盤控制方面。 CH451內(nèi)置 64鍵鍵盤控制器, 可實(shí)現(xiàn) 8@ 8矩陣鍵盤掃描, 并內(nèi)置去抖動(dòng)電路, 可提供按鍵中斷與按鍵釋放標(biāo)志位等功能;

( 3)在外部接口方面, CH451可選擇簡(jiǎn)潔的 1線串行接口或高速 4線串行接口 (可高達(dá) 10M ), 且內(nèi)置上電復(fù)位和看門狗電路。

該芯片速度快, 操作方便, 外圍電路簡(jiǎn)單, 廣泛用于以單片機(jī)、 DSP等為 CPU 的智能儀器和小型控制系統(tǒng)中。

2．4  系統(tǒng)時(shí)鐘

采用 DS12887作為系統(tǒng)的時(shí)鐘芯片, 其作用有: 提供當(dāng)前時(shí)間和日期; 提供 114位非易失性 RAM; 輸出 1 ms的周期信號(hào)。該信號(hào)接單片機(jī)的 I NT0, 為可編程定時(shí)器提供時(shí)鐘信號(hào)。

 

3  軟件設(shè)計(jì)

控制器軟件部分主要包括初始化、 標(biāo)定、 物料稱重和控制算法等。

 

3．1  初始化

初始化 主要 是 初始 化外 圍各 芯 片, 如 實(shí)時(shí) 時(shí) 鐘芯 片DS12887、 鍵盤顯示芯片 CH451 、 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 AD7730, 設(shè)置中斷, 串口配置, 并將默認(rèn)的參數(shù)從 EEPROM 讀入 RAM 中。

3．2  標(biāo)定

當(dāng)系統(tǒng)的工作參數(shù)或者工作環(huán)境發(fā)生變化后, 需重新調(diào)整AD的零點(diǎn)和增益, 以及重量與 AD采樣值的轉(zhuǎn)換系數(shù), 并將它們存入 EEPROM, 此過(guò)程稱為標(biāo)定。

3．3  通訊程序

通訊程序包括兩部分。第一部分是兩個(gè)控制器同時(shí)工作時(shí)主副之間的通訊。雙控制器之間的通訊確保對(duì)同一袋物料包裝時(shí)協(xié)調(diào)同步, 包括副機(jī)請(qǐng)求卸料, 主機(jī)批準(zhǔn)卸料, 主機(jī)查詢

副機(jī)狀態(tài)的命令, 傳送累積量等; 第二部分是單控制器與計(jì)算機(jī)之間的通訊。單控制器與計(jì)算機(jī)之間的通訊包括計(jì)算機(jī)對(duì)儀表時(shí)間和三級(jí)密碼設(shè)定和下載系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)功能。

3．4  自動(dòng)控制過(guò)程

控制器在運(yùn)行時(shí)能夠自動(dòng)控制快、 中、 慢下料、 計(jì)量斗卸料及松袋的全部過(guò)程?？刂品椒ú捎没跁r(shí)間的過(guò)程控制。其工作過(guò)程說(shuō)明如下:

( 1)啟動(dòng), 同時(shí)開啟大投、 中投和小投, 快速下料;

( 2)當(dāng)物料的稱重值 > 大投值, 則關(guān)閉大投信號(hào)進(jìn)行中速加料, 并等待 t 1 時(shí)間 (用于避免過(guò)沖 );

( 3)繼續(xù)下料, 當(dāng)稱重值 > 中投值, 關(guān)閉中投信號(hào)進(jìn)行慢速下料, 并且再等待 t 1 時(shí)間;

( 4)當(dāng)物料的稱重值 > 目標(biāo)值 - 落差值時(shí), 則關(guān)閉小投信號(hào)停止加料, 并啟動(dòng) t 2 定時(shí)器 (用于避免計(jì)量斗振動(dòng) );

( 5) t 2 時(shí)間到后, 判斷夾袋延時(shí)時(shí)間 t 5 是否到, 不到則等待, 時(shí)間到則將物料卸入包裝袋;

( 6)卸料過(guò)程中, 當(dāng)稱重值[ 零區(qū)值時(shí), 延時(shí) t 3 后關(guān)閉卸料信號(hào), 同時(shí)開啟定時(shí)器 t 4 和 t 6 , t 6 到時(shí)則向夾袋機(jī)構(gòu)發(fā)出松袋信號(hào), 松開包裝袋;

( 7) t 4 時(shí)間到則啟動(dòng)下一個(gè)過(guò)程。

 其中目標(biāo)值、 大投值、 中投值、 落差值、 零區(qū)值以及各時(shí)間參數(shù)由用戶設(shè)定, 以滿足現(xiàn)場(chǎng)包裝的需要。合理調(diào)節(jié)重量參數(shù)和時(shí)間參數(shù), 可實(shí)現(xiàn)多種場(chǎng)合的快速包裝。

 

4  結(jié)束語(yǔ)

控制器采用高精度多功能模數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD7730 , 保證了系統(tǒng)精度和動(dòng)態(tài)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)性, 簡(jiǎn)化了外圍電路設(shè)計(jì)。多功能鍵盤顯示芯片 CH451的使用也節(jié)省了控制器的開發(fā)時(shí)間。

該稱重控制器經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和改進(jìn), 現(xiàn)已進(jìn)入試用階段, 表明該裝置操作簡(jiǎn)單, 維護(hù)方便, 精度和速度完全能滿足現(xiàn)場(chǎng)的要求。

 

參考文獻(xiàn):

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[ 2]  周躍剛, 吳昌林, 陳光前. AD7730在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗測(cè)量?jī)x中的應(yīng)用. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2005, 31( 8): 59- 62 .

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