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      配料秤控制器的設計

      發(fā)布時間:2019-11-06 16:21:51 |來源:維普期刊

      隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,對連續(xù)累計自動衡器的需求也愈來愈大,稱量的準確與否已成為影響人們生產(chǎn)生活的一個重要因素,這對配料秤的性能和質(zhì)量提出了更高的要求。以往的配料秤都采用8位5l系類的單片機進行控制,而且在數(shù)據(jù)采集模塊采用的芯片轉(zhuǎn)換位數(shù)小,傳統(tǒng)的配料秤由于存在計量精度低、穩(wěn)定性差、控制有滯后等缺點,論文采用AT91SAM7X256單片機設計了配料秤控制器,提高了測量精度和穩(wěn)定性,并能實時控制。首先主要介紹了配料秤的基本組成結(jié)構(gòu)、稱重原理,設計了硬件電路,介紹了各個模塊的硬件功能,包括芯片選擇、器件大小的選擇等。在此基礎上,設計了配料秤控制器的軟件部分。

      1.配料皮帶秤的組成結(jié)構(gòu)

      先對被稱量的幾種物料給定一個質(zhì)量比例,對這幾種物料進行累計計量并定量配比的衡器稱為配料秤。配料秤大體上可分為兩部分:機械秤體和變頻控制,變頻控制主要是變頻器和電機,機械秤體包括運輸皮帶、秤架、平行托輥、大皮帶、稱重托輥、前后滾筒等。由于該配料秤采用雙通道設計,因而有兩個速度通道和重量通道llJ,當一個通道出現(xiàn)故時,另一通道仍能正常工作,提高了配料效率。在配料皮帶秤的運行過程中,首先由給料機進行加料,物料落到運輸皮帶的落料段后,經(jīng)由運輸皮帶傳輸?shù)竭_有效稱量段,同時,裝在稱量段的四個稱重傳感器分別感受到重量信號,并將重量信號轉(zhuǎn)換為電信號,送人單片機。單片機采用累加法來計算物料重量。配料秤控制器將通過儀表盤顯示瞬時流量值,并將瞬時值與給定值不斷進行比較,得到瞬時偏差。對偏差進行PID控制后,單片機發(fā)出控制命令控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)——電機發(fā)出動作,通過不斷的調(diào)整電機轉(zhuǎn)速來改變配料秤的瞬時流量,不斷減小偏差,使控制效果達到最優(yōu),提高了配料秤稱量的精確度。

      2.配料秤控制器的硬件電路設計

      配料秤控制器的硬件電路部分主要包括AT91SAM7X256單片機最小系統(tǒng)電路、3.3V電源電路、鍵盤與顯示接口電路、速度通道電路、重量通道電路(兩路)、通信電路等基本電路。由于采用了無測速傳感器技術,有時可省去速度通道電路。

      2.1AT9lSAM7X256單片機最小系統(tǒng)電路配料皮帶秤控制器的主控芯片采用美國AT—MEL公司生產(chǎn)的AT91SAM7X256單片機。該單片機集成了ARM7TDMIARMThumb處理器,有高性能的32位RISC架構(gòu),高密度的16位指令集,具有低成本、低功耗、穩(wěn)定性強等優(yōu)點,能夠滿足設計指標要求。AT91SAM7X256單片機最小系統(tǒng)的電路如圖3所示。該電路中,電源電壓:VDDIN一3.3V,VDDIO一3.3V.VDDOUT一1.8V,VDDCORE一1.8V,VDDFLASH一3.3V單片機外接18.432MHz的晶振。PA11和PAi0這兩個引腳被配置為Ic模塊的引腳,單片機與鐵電存儲器FM24C16通過這兩個引腳相連。

      2.2鍵盤、顯示接口電路

      鍵盤與顯示接口電路通過SPI接口和單片機進行通信。采用BC728l作為該電路的控制芯片,BC7281是8位/16位LED數(shù)碼管顯示及鍵盤接口專用控制芯片,它的驅(qū)動輸出極性及輸出時序均為軟件可控。顯示電路用于4位流量、8位累計量以及控制器的工作狀態(tài)等的顯示。鍵盤電路上安有2O個鍵,分別是上下移動鍵、6個功能鍵(主要用于控制調(diào)零、掛碼、實物標定、數(shù)字輸入等)、10個數(shù)字鍵、鎖鍵、結(jié)束鍵。

      2.3 3.3V電源電路設計

      電源電路為整個配料秤控制器提供能量,提供的電壓是否穩(wěn)定、保護電路是否合理、對芯片是否有損壞、輸入/出電壓電流是否合理穩(wěn)定、能否降低紋波噪聲,這些都是設計電源電路需要考慮的問題。

      2.4重量通道電路

      由于采用雙通道設計,因而重量通道電路有兩路,分別為前向通道和后向通道。前后兩向通道之間的距離為0.6m,皮帶的寬度為1In。采用中原電測公司生產(chǎn)的的CZL6F型號的壓力傳感器來實現(xiàn)重量數(shù)據(jù)的采集。當有重物通過配料秤有效稱量段時,傳感器的橫粱受壓,根據(jù)壓力傳感器的原理,貼在上面的電阻應變片產(chǎn)生形變,該形變直接導致阻值變化,電橋電路將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓變化,實現(xiàn)了重量信號到電信號的轉(zhuǎn)變。設計采用CS5532芯片進行A/D轉(zhuǎn)換,該芯片為16/24位ADC芯片。由現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)可得,在外接晶振為4.096MHz,字速率wR3-WR0位為1000的前提下,CS5532ADC轉(zhuǎn)換器的采樣頻率為3200Hz。

      2.5通信電路

      設計采用RS一232C和RS一485串行通信電路。RS一232C是目前最常用的一種串行通信接口,主要用于短距離的通信,如配料秤和上位機的通信。配料秤控制器采用8P3232芯片實現(xiàn)RS一232C通信。RS一485主要用于長距離的通信,如與現(xiàn)場的其他設備進行通信。

      3.配料秤控制器的軟件設計

      由于整個配料秤控制器軟件龐大、復雜,因此設計將FreeRTOS操作系統(tǒng)移植到AT91SAM7X256單片機上,將復雜的系統(tǒng)分成各個任務,分模塊進行執(zhí)行,合理而有效的利用了CPU資源,使應用軟件的設計更為簡化,而且該系統(tǒng)具有多任務處理能力,便于其進行實時、同步、可靠的處理數(shù)據(jù)。配料秤控制器的主程序是將Fre—eRTOS操作系統(tǒng)移植到AT91SAM7X256單片機上,首先配置各處理器,初始化系統(tǒng)。接著開啟各個任務,分別為秒任務、皮帶速度和重量檢測任務、電機轉(zhuǎn)速控制任務,通信任務,各個任務輪流執(zhí)行。FreeRTOS操作系統(tǒng)主要負責協(xié)調(diào)各模塊任務之問的工作,給各子程序合理的分配空間。通過程序設定任務執(zhí)行的優(yōu)先級,優(yōu)先級高的任務先執(zhí)行??刂扑惴ǖ能浖鞒讨饕獮椋洪_始一一給定設定值一計算偏差、偏差變化一PID控制一輸出一結(jié)束。

      4討論

      由于配料秤的工作現(xiàn)場環(huán)境惡劣,傳統(tǒng)的51系列的單片機控制精度低,不足以滿足現(xiàn)場的需求。采用32位的ARM系列單片機后,經(jīng)過實驗測量,其精度可達到l。

      5結(jié)論

      該配料秤控制器基于AT91SAM7X256單片機設計,實現(xiàn)了對配料秤流量及時、準確控制,從而可實現(xiàn)各物料流量的準確配比。經(jīng)砝碼標定可得,將0.1t的標準砝碼放到秤架上,顯示器顯示0.099t,稱量精確度達到1%,并具有抗干擾性強、控制實時性強,但其對現(xiàn)場的隨機變化缺乏控制的靈活性。

       

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