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  引言

稱重控制器是一種實時測量物料重量并根據(jù)重量自動發(fā)出控制信號的智能儀器, 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行了多方面的研究, 也設(shè)計出一批高性能、 功能完備的稱重控制器, 但也存在改進之處, 如維護困難、 精度低、 配料時間長等。同時, 集成電路和控制算法的發(fā)展也為研究和設(shè)計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、 計量斗和夾袋機構(gòu)組成。

備料斗用于存放要包裝的物料, 通過提升機保證備料斗有足夠的物料; 計量斗兩側(cè)裝有重量傳感器, 可實時測得計量斗內(nèi)物料重量; 夾袋機構(gòu)可根據(jù)控制信號夾住或松開包裝袋; 稱重控制器是整個系統(tǒng)的控制核心。

開始運行時, 稱重控制器對備料斗發(fā)出投料信號, 物料從備料斗進入計量斗。計量斗把物料重量反饋給控制器。稱重控制器根據(jù)當前重量和目標重量, 自動控制備料斗依次按大、中、 小 3種速度向計量斗卸料, 使物料快速精確進入計量斗。當計量斗物料重量達到目標值, 停止卸料。若此時包裝袋已準備好, 控制器通知計量斗向包裝袋卸料, 卸料結(jié)束后松開包裝袋自動開始下一個過程。

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

 

2  硬件設(shè)計

稱重控制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、 系統(tǒng)時鐘和通信等部分。

 

2．1  單片機

單片機采用臺灣華邦的 W77E58, 該單片機除具有 51系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(shù)據(jù)存儲器 (其中 256B以 MOVX訪問 ), 32KB程序存儲器; 3個定時器 /計數(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] 。電橋輸出的信號很微弱, 一般只有幾 mV.

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

橋路信號采樣首先需將信號放大。放大電路要求精密、 低溫漂和高共模抑制比, 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, 對于一般稱重系統(tǒng)在設(shè)計中要選用 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量應(yīng)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(shù)達 230, 000 ; 可編程濾波器; 可編程增益放大器; 可提供內(nèi)部校準和系統(tǒng)校準; 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 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 (我國為 50Hz)干擾可能會產(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 . 此時線路頻率共模抑制優(yōu)于 90dB,能夠達到近 80 , 000個計數(shù)相當于 1615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?、時間等因素具有良好的穩(wěn)定性能。這就需要設(shè)計專用的供橋

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(jié)果, 能夠保證測量精度。比率測量工作方式無需精確穩(wěn)定的基準電壓源即可實現(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

稱重控制器的人機交互通過 8個 LED 管和 12個按鍵實現(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、 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)點如下[ 3] :

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

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

( 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 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、 DSP等為 CPU 的智能儀器和小型控制系統(tǒng)中。

2．4  系統(tǒng)時鐘

采用 DS12887作為系統(tǒng)的時鐘芯片, 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鐘信號。

 

3  軟件設(shè)計

控制器軟件部分主要包括初始化、 標定、 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 實時 時 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, 并將默認的參數(shù)從 EEPROM 讀入 RAM 中。

3．2  標定

當系統(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, 此過程稱為標定。

3．3  通訊程序

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

副機狀態(tài)的命令, 傳送累積量等; 第二部分是單控制器與計算機之間的通訊。單控制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(shè)定和下載系統(tǒng)默認參數(shù)功能。

3．4  自動控制過程

控制器在運行時能夠自動控制快、 中、 慢下料、 計量斗卸料及松袋的全部過程?？刂品椒ú捎没跁r間的過程控制。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(guān)閉大投信號進行中速加料, 并等待 t 1 時間 (用于避免過沖 );

( 3)繼續(xù)下料, 當稱重值 > 中投值, 關(guān)閉中投信號進行慢速下料, 并且再等待 t 1 時間;

( 4)當物料的稱重值 > 目標值 - 落差值時, 則關(guān)閉小投信號停止加料, 并啟動 t 2 定時器 (用于避免計量斗振動 );

( 5) t 2 時間到后, 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(qū)值時, 延時 t 3 后關(guān)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(gòu)發(fā)出松袋信號, 松開包裝袋;

( 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(qū)值以及各時間參數(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)和時間參數(shù), 可實現(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)精度和動態(tài)過程的實現(xiàn)性, 簡化了外圍電路設(shè)計。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)時間。

該稱重控制器經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試和改進, 現(xiàn)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(xiàn)場的要求。

 

參考文獻:

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

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

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

[ 4]  施隆照. 數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制器 CH451及其應(yīng)用. 國外電子元器件, 2004( 1): 53- 57.

 

 

 

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