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基于单片机设计的自动配料仪表

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本文针对配料仪器不能一机多用的问题,介绍了一种基于单片机的自动配料仪表的设计。该设计方案通过软件和硬件的紧密结合,使配料仪表能够处理不同行业的不同种类的传感器送来的不同信号。且该配料仪表还具有配料可预置、自动去皮、配料显示、断电保护等功能,使其达到高精度和通用性的目的。关键词:单片机;自动配料仪表;信号采集

  当前针对某一行业,配料仪器所用传感器种类、量程基本固定,配料的种类数基本固定,因此,目前的配料仪表产品使用场合单一,针对不同行业,要设计出不同的配料仪表,使大批量生产难于实现,这就使得资源的利用率不高,产品生产成本过高。因此,能够开发出可适配多种不同类型的传感器,具有智能去皮、精确配料、配料种类数由操作人员选择的新型配料仪表,具有广泛的应用价值。本设计就是以基于单片机为核心,设计出能适配不同种类传感器和应用于不同行业的通用型自动配料仪表。1 系统设计方案要设计一机多用的自动配料仪表,主要面临的问题是:(1)不同行业使用的传感器不同,输出的电信号不同,这就给信号的初期放大处理和程序设计带来困难。(2)不同行业配料种类数不同,控制信号数不同,这就给控制电路和处理程序的设计带来困难。设计就是针对这两个问题展开的。目前传感器技术已相当成熟,传感器的输出电压信号已较为标准化。但是,不同的传感器输出的电压信号仍然是有差别的,针对这种情况,在输入信号初期处理上,对于不同的电压信号,需要放大的倍数是不同的,在设计中采用放大倍数可调的放大器可方便解决这个难题。在控制电路的设计上,可依据配料种类数最多的那个行业进行设计。例如,在饲料行业,配料种类数一般为8种,在建筑行业,配料种类数一般为2~3种,在其他行业,如冶金、化工等行业,配料种类数一般都少于8种。因此,在设计硬件时,以8种配料为基准。也就是说,配料仪表可以配料种类数不超过8种,具体应用于哪个行业时,再根据实际情况进行选择,具体用软件方法实现。自动配料仪表结构如图1所示。传感器送过来的电信号经过相应的调理电路进行调理,使之成为适合A/D转换的(0~10)V的模拟电压信号,该电压信号经A/D转换后,由A/D转换器输出端输出数字信号至单片机;单片机对数字信号进行处理,形成各种控制信号,以控制整个配料过程。


图1 自动配料仪表结构框图

在电路中还设有数据存储器、键盘、显示电路,通信及打印接口电路。在使用配料仪表之前,可以将不同的配方通过键盘输入控制器,这些数据将被保存在数据存储器内,在使用时,只要通过键盘操作调出相应的配方,按下确认键,配料仪表就会自动完成配料,通过数码管随时监视配料进行情况。此外,也可以有操作人员来确定配料种类数和每种料的量,只要按照操作程序由键盘输入相应数据就可实现,输入的配方可直接储存到控制器,下次使用时,只需选择该配方就可直接调用,操作相当简单。

2 仪表硬件电路设计

2.1 信号采集电路设计
计量秤是自动配料系统的重要组成部分。使用精度高、性能稳定的力传感器是计量秤的关键,力传感器通常以应变片为敏感元件。传感器传送的信号采用4051模拟开关输入。在放大电路的设计上,选用单端输入的差分式测量放大电路。

 


图2 放大电路

要设计出一种通用的自动配料仪表,在对输入信号进行处理的时候应考虑到传感器变化,放大倍数也要根据不同的场合而变化,因此可将R变为可调谐放大倍数的可调电阻,用多路开关选择加入不同的电阻,从而改变其放大倍数,达到一定的通用性。在放大电路图2中AD7501组成了可调谐电阻R,当多路开关的选通信号不同时,R的阻值就不一样,放大器的放大倍数就会变化。但是,在实际应用中,由于各种原因,使得输入信号对放大倍数的要求很复杂,因此就要求R的阻值既要可变,又要可调。为满足使用要求,在R内部串联一个电位器,在控制器出厂前,由工作人员通过实验的方法调整电位器,使放大器放大倍数精确满足放大要求。

2.2 A/D转换电路设计
AD574A与8051单片机硬件接口电路如图3所示。


图3 AD574A与8051单片机的接口电路

AD574A片内已有时钟,故无需外加时钟信号。该电路采用单极性输入方式,可对(0~10)V和(0~20)V模拟信号进行转换。当AD574A与89C51配置时,由于AD574A输出12位数码,因此单片机读取转换结果时,需分两次进行:先高8位、后低4位。由A0=0或A0=1来分别控制读取高8位或低4位。单片机可以采用中断、查询、延时方式读取AD574A转换后的数据,设计中单片机采用延时方式,在编写程序时用延时语句来获得一段时间,使AD574A有足够的时间完成A/D转换。

2.3 输出控制电路设计
设计的配料仪表用电磁阀来控制8个料斗和一个称斗,因此,单片机只需要输出简单的电平信号来控制电磁阀的开闭就能完成控制。由继电器驱动的输出控制电路如图4所示。当74LS373输出低电平时,光电耦合器TLP521的发光二极管导通,使TLP521的光敏三极管饱和导通后输出低电平。该低电平送至继电器和物料仓出料阀门的继电器,反之,物料的阀门被关闭。图中的继电器线圈是感性负载,当电路突然关断时,会出现感性浪涌电压,所以在继电器两端并联一个阻尼二极管加以保护。

《计量与测试技术》2008年第35卷第3期

另外,还要加一路继电器来控制混合仓,当一轮配料完成时,打开称斗上的电磁阀,将物料注入混合仓进行搅拌,供后续生产过程使用,这一路继电器用单片机的P3.2来控制。


图4 单路输出控制

2.4 键盘及显示电路设计
本设计中键盘显示电路选用芯片zlg7289A。zlg7289A是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的,具有SPI串行接口功能的可同时驱动8位共阴式数码管(或64只独立LED)的智能显示驱动芯片,该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵,单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。配合相应的键盘显示子程序,即可实现配料仪表8位红色LED显示及包含有数字键和功能键在内的15个按键正常工作。

3 配料软件系统设计

自动配料系统在软件设计中采用模块化程序设计技术,根据系统的功能,分成若干个功能相对独立的模块,包括串行通信模块、显示模块、A/D转换模块、数据处理模块和配料控制模块等。主程序主要完成数据采集、配料控制、数值显示等功能。开机后首先初始化子程序,包括设置中断入口、RAM区自检、各标志位设置等,然后显示仪表型号,接着进入主测量程序,并同时进行继电器控制。此时,按功能键可进入按键散转子程序,根据键值进行按键功能选择,可选择控制值设定、参数标定等。主程序流程如图5所示。

 

4 抗干扰措施

一般来说,干扰主要是外界电磁场、接地线不合理和整流电源的交流纹波等原因造成的,即当放大电路输入端输入信号电压Vi=0时,使输出端可能出现交流干扰电压。对于杂散电磁场的干扰,可采取合理布局和屏蔽的抑制措施。将各级的共同端都直接接到直流电源负的共地点,则可克由于接地点安排不正确而引起的干扰服。对于直流电源电压波动引起的干扰,可采用稳压电源供电,并在稳压电源的输入和输出端加一足够大的电解电容或钽电容的滤波电路。对于运算放大器,为防止直流电源的干扰,可在电源引脚和地之间加一钽电容防止低频干扰,加一独石电容防止高频干扰。


图5 主程序流程图

在进行数据处理之前,一般先要对采样数据进行滤波以消除或减弱被测信号中的噪声干扰。本设计中采用的是平均值滤波,用纯软件的方法来排除噪声干扰,可灵活修改滤波参数。

5 结束语

基于单片机8051的自动配料仪表,是一种能适合不同种类传感器,能用于不同行业的通用型自动配料仪表,解决了目前配料仪表不能一机多用的问题。该设计结构简单,功能灵活,便于维护,并且具有良好的抗干扰能力,有利于提高系统的可靠性和性价比,具有明显的应用推广价值。

参考文献
[1]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1993.8.
[2]栾桂冬.传感器及其应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.1.
[3]卢文科.电子检测技术[M].北京:国防工业出版社,2002.
[4]王艳霞.智能多功能电子配料系统[J].计算机应用,2000,(2)54~56.

 

作者简介:周晓慧,女,助教,硕士。工作单位:陕西科技大学电气与信息工程学院。通讯地址:710021西安市未央大学园区。
田毅韬,陕西科技大学(西安710021)。收稿时间:2007-11-30

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