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在化工、医药、食品等行业中 , 产品的称量分装是一道重要的工序。随着计算机技术的发展、普及 , 自动称量系统被广泛应用。但由于价格昂贵 , 使其主中小企业的普及受到限制。为此 , 我们设计了一种以 89C51 单片机为核心的自动称量控制系统。该系统己在自动分装机上成功运行 , 并取得了令人满意的效果。实践证明 , 系统具有高精度、低成本及快速分装等特点。
2. 系统的组成及其特点
该系统由传感器、电振器、接近开关、控制器等组成。控制器设计采用 AT89C51 为核心的单片机系统。硬件设计的原则是采用集成电路技术的最新成果和低功耗设计。系统结构如图 1 所示。其核心芯片为低功耗 CMOS 微处理器 AT89C51 。 AT89C51 内含完整的多通道定时器 / 计数器和响应迅速的中断系统，并具有 4K 字节的电可擦写程序存储器，减少了外部存储器及接口芯片，使用方便，可靠性好。
本系统的最大特点是采用可以大大简化电路复杂程序的串行外围芯片。如 AD 转换、 watchdog 、键盘显示管理等与单片机的联系均采用串行方式，每个芯片只需片选、 CLOCK 、 DATA 三根线与主机相连，且除了片选线外其它线可以共用，大大化简了线路，使系统硬件结构更加简化，提高了系统的集成度。当然，随之而来的代价是系统运行速度的下降，原因是涉及外围芯片的操作均为串行操作。但因采用的芯片本身速度较高 , 兼之经过精心设计 , 这并不是大问题。
为简化系统 , 模拟电路用到的负电源采用电源转换器 MAX660 将 +5V 转换为 -5V, 系统供电只需一个 +5V 即可。
2.1 模数转换
A/D 转换选用高精度的 14 位串行转换芯片 MAX194, 并辅以高精度参考电源 , 有效地保证了系统的精度要求 , 节约了系统资源。该芯片工作时 , 于下一个周期的转换同时输出上一个周期的转换结果 , 故较同样分辨率的并行 AD 芯片 , 速度并未降低多少。唯一要注意的是该芯片工作频率虽然可在一定范围内变化 , 但须注意时钟的稳定性 , 尤其在系统存在中断源时 , 由于 MAX194 的时钟由单片机端口通过软件给出 , 在进行 AD 转换中途响应其它中断时可能造成时钟短时停止 , 这会极大地影响转换精度。故在 AD 转换子程序中须关闭所有中断 , 子程序结束时再允许之。由于转换时间较短 , 一般不会影响系统的正常工作。
2.2 非易失存储器 E2PROM
采用 E2PROM(25045) 有效地解决了系统中数据非易失存储问题 , 实现了零点跟踪及智能式自身校正功能。
系统正常运行时 , 各种设定参数及运行时的重要数据均保留在 E2PROM 中。当系统重新启动后会自动从 E2PROW 中读出预先设定的 ( 或上次设定的 ) 有关参数，实现了掉电数据自动保护。 25045 尚有 watchdog 及低压鉴别复位功能 , 与单片机连接方式为串行。简单的连接和多重功能，使系统得以简化。
2.3 键盘输入和数码显示
采取串行方式。系统设有 14 位 LED 显示 , 分别显示设定称重值、实时称重值、设定分装次数、实时分装次数。为方便操作，系统中设有 20 个功能键及数字键。键盘输入和数码显示选用 HD7279A, 它是一片具有串行接口，可同时驱动 8 位共阴式数码管 ( 或 64 只独立 LED) 的智能显示驱动芯片。无需外围驱动元件 , 单片即可完成 LED 显示、键盘接口的全部功能。
2.4 振动强度控制电路
控制粗、精两级振动上料器 , 其振动强度可根据控制精度和分装速度任意调整。采用固态继电器作为隔离控制手段 , 具有反应迅速、无触点、寿命长等特点。
3. 系统软件设计
系统软件采用结构化设计方法 , 根据系统的功能要求 , 主要由以下模块构成 : 主程序模块、称量模块、 A/D 采集转换模块、数据处理模块、 E2PROM 读写模块、显示子程序模块、键盘中断服务子程序模块、时钟中断服务子程序模块、同步脉冲中断服务子程序模块、移相角中断服务子程序模块等。系统软件框图如图 2 所示。
3.1 主程序模块
主程序模块首先进行系统初始化工作 , 然后循环检测是否有键按下 , 若有则根据键值决定散转方向 , 执行相应子程序。当按下参数设置键 , 可分别显示各参数数值 , 并根据输入的新数据实时修改并显示 , 同时将新数据送入 E2PROM 保存。当校正键按下 , 系统可自动进行秤基准值检验 , 以保证称量的准确性。当运行键按下 , 系统按照设定值要求连续工作 , 完成预定分装任务 , 直至按下复位键。在称量过程中 , 系统没有超差报警功能 , 可自动根据称量范围确定允许误差值 , 并对误差进行相应处理。
3.2 称量模块
为解决分装速度和称量精度间的矛盾 , 该系统采用两级振动给料方式 , 由粗给料器保证分装速度 , 细给料器保证称量精度。操作者根据称量精度和分装速度的要求设置前置重量。称重开始时粗给料器和细给料器同时工作 , 当达到前置重量值后 , 粗给料器停止送料 , 细给料器继续工作 , 直至达到预定称重值停止供料。
3.3 数据处理模块
数据处理模块主要进行数据滤波及非线性处理 , 由于现场电磁干扰 , 影响数据的准确性 , 因此采用软件滤波方法 , 消除可能产生的脉冲干扰。具体滤波方法是采集若干数据 ( 如 8 个 ) 为一组 , 去掉一个最大值和一个最小值 , 其余数据取均值 , 作为一个有效测量数据。对于系统的非线性误差 ? 采用分段拟舍的方法。系统根据测量值的大小 , 自动的取出对应的拟合系数 , 计算出校正后的测量值。分段的数量依据测量精度而定。该模块所需要的数据 , 同时保存在 E2>PROM 和数据缓冲存区。
4. 单片机系统的抗干扰
由于系统转换精度极高 (14 位 , 最小量化单位为 1/16384 。据计算 , 测量桥路产生 1 μ V 的电压变化即可使显示变化一个数字 ), 因此干扰成为影响系统工作的大问题。本系统主要采用了下述抗干扰措施 :
(1) 模数分开模拟电路与数字电路电源线路及地均分别布设 , 以免数字电路产生的大量射频信号进入模拟输入信号端 , 另外可以避免数字电路频繁变化的信号造成的电源电压变化对模拟电路的影响。
(2) 电源滤波加强电源回路的滤波。除每个芯片电源端加电解电容外 , 还并之以小容量独石电容以克服电解电容存在电感故对高频干扰滤波不良的缺点。
(3) 数字滤波 AD 转换时采用数字滤波 , 具体方法已在第 3.3 节中阐述。
(4) 物理屏蔽对易受干扰的敏感部位采取接地的薄铁皮进行电磁屏蔽。
(5) 电源隔离桥路与主电路、主电路与交流电报之间均以开关电源隔离 , 克服了以往使用的铁芯变压器初、次级间寄生电容引进干扰的问题。
(6) 光电隔离系统使用晶闸管控制电磁振动器振动强度 , 晶闸管的触发脉冲则由单片机采用数字方法发生。电源同步脉冲经过光电隔离进入单片机系统 , 产生的触发脉冲经过光电隔离后 , 通过放大及脉冲变压器触发晶闸管。如此 , 系统与外界电路的寄生电容成一低到最小。经现场运行 , 证明外界的较强干扰如电磁铁的运行、电焊、大功率电机的启停等对系统几无影响。
(7) 交流电源高频滤波 在交流电源进线端采用高频滤波器。
5. 结束语
本文介绍的以 89C51 单片机为核心的自动称量控制系统，已在石家庄伟龙机电有限公司生产的自动计量分装机上使用，在量程 10kg 时分辨率为 1g ，整机批量生产。经现场一年多使用证明，本系统运行稳定性好、故障率低，且具有低成本、高精度、高分装速度等特点，适合各类中小企业，具有较大的推广价值。