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0引言

稱重控制器是一種實(shí)時(shí)測量物料重量并根據(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,如圖1所示。

備料斗用于存放要包裝的物料,通過提升機(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。圖1中虛線表示檢測或控制信號(hào)。

開始運(yùn)行時(shí),稱重控制器對備料斗發(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)測量電路、鍵盤和顯示、輸入輸出、系統(tǒng)時(shí)鐘和通信等部分。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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),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.

測量電路主要完成稱重傳感器信號(hào)放大,并通過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)到比較高的測量精度則需要高分辨率的ADC,對于一般稱重系統(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AnalogDevices推出的24位∑－△串行ADC,非常適合于稱重等精密測量應(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21000mV/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10mV.

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,由此來提高有效分辨率。AD7730的最低更新速率為50Hz,但如果選擇50Hz的更新速率,電網(wǎng)頻率(我國為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16.5位的有效分辨率,完全能夠滿足系統(tǒng)測量的要求。

對于橋式測量電路,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,這就非常方便將測量電路接成比率測量方式,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)影響測量結(jié)果,能夠保證測量精度。比率測量工作方式無需精確穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源即可實(shí)現(xiàn)精確的測量,降低了對供橋電源的要求,簡化了電路,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來檢測按鍵和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1ms的周期信號(hào)。該信號(hào)接單片機(jī)的INT0,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,主程序流程如圖3所示。

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同一袋物料包裝時(shí)協(xié)調(diào)同步,包括副機(jī)請求卸料,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程?？刂品椒ú捎没跁r(shí)間的過程控制。其工作過程說明如下:

(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t1時(shí)間(用于避免過沖);

(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t1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)t2定時(shí)器(用于避免計(jì)量斗振動(dòng));

(5)t2時(shí)間到后,判斷夾袋延時(shí)時(shí)間t5是否到,不到則等待,時(shí)間到則將物料卸入包裝袋;

(6)卸料過程中,當(dāng)稱重值[零區(qū)值時(shí),延時(shí)t3后關(guān)閉卸料信號(hào),同時(shí)開啟定時(shí)器t4和t6,t6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)t4時(shí)間到則啟動(dòng)下一個(gè)過程。

自動(dòng)控制的時(shí)序如圖4所示,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)多種場合的快速包裝。

4結(jié)束語

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)過程的實(shí)現(xiàn)性,簡化了外圍電路設(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,表明該裝置操作簡單,維護(hù)方便,精度和速度完全能滿足現(xiàn)場的要求。

 

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