0引言

称重控制器是一种实时测量物料重量并根据重量自动发出控制信号的智能仪器,广泛应用于包装、配料等工艺流程中。国内在定量称重控制器方面进行了多方面的研究,也设计出一批高性能、功能完备的称重控制器,但也存在改进之处,如维护困难、精度低、配料时间长等。同时,集成电路和控制算法的发展也为研究和设计新型的称重控制器提供了可能。

1定量称重控制器的工作原理

定量称重控制器用于物料定量装袋系统中。物料定量装袋系统由称重控制器、备料斗、计量斗和夹袋机构组成,如图1所示。

备料斗用于存放要包装的物料,通过提升机保证备料斗有足够的物料;计量斗两侧装有重量传感器,可实时测得计量斗内物料重量;夹袋机构可根据控制信号夹住或松开包装袋;称重控制器是整个系统的控制核心。图1中虚线表示检测或控制信号。

开始运行时,称重控制器对备料斗发出投料信号,物料从备料斗进入计量斗。计量斗把物料重量反馈给控制器。称重控制器根据当前重量和目标重量,自动控制备料斗依次按大、中、小3种速度向计量斗卸料,使物料快速精确进入计量斗。当计量斗物料重量达到目标值,停止卸料。若此时包装袋已准备好,控制器通知计量斗向包装袋卸料,卸料结束后松开包装袋自动开始下一个过程。

该称重控制器具有16路开关量输入/输出,落差自动修正和零位跟踪功能,可实现除了人工上袋外的全部物料自动包装过程,且双控制器可实现互联,进一步提高包装效率。

2硬件设计

称重控制器硬件部分包括单片机及其外围电路、传感器信号测量电路、键盘和显示、输入输出、系统时钟和通信等部分。硬件结构如图2所示。

2．1单片机

单片机采用台湾华邦的W77E58,该单片机除具有51系列单片机的全部功能,还有如下特点:完全与MCS-51兼容的芯片,速度比标准51快215倍以上;512B数据存储器(其中256B以MOVX访问),32KB程序存储器;3个定时器/计数器;内置电源管理模块,有正常和省电模式。系统中外围器件控制和数据的处理等任务均由W77E58完成。

2．2传感器信号测量电路

物料包装系统中使用的称重传感器为电阻应变式称重传感器,其原理为应变电阻构成的惠斯登电桥[1]。电桥输出的信号很微弱,一般只有几mV.

测量电路主要完成称重传感器信号放大,并通过ADC采样得到用于单片机处理的数据。

桥路信号采样首先需将信号放大。放大电路要求精密、低温漂和高共模抑制比,一般采用精密仪用放大要求;要达到比较高的测量精度则需要高分辨率的ADC,对于一般称重系统在设计中要选用14位或更高有效分辨率的ADC.

从性能成本等方面综合考虑,系统选用了AD7730[2][3]。AD7730是AnalogDevices推出的24位∑－△串行ADC,非常适合于称重等精密测量应用。主要特点有:双通道差分输入,输入满量程电压可选10mV,20mV,40mV或80mV;24位高精度,峰-峰计数达230,000;可编程滤波器;可编程增益放大器;可提供内部校准和系统校准;具有斩波工作方式。AD7730使用单电源工作,为了防止干扰,模拟部分和数字部分分别单独供电。

系统采用的传感器为H3-C3型电阻应变式称重传感器,其灵敏度为21000mV/V,在5V电压激励下满刻度输出为10mV,所以将AD7730的输入电压量程选为10mV.

AD7730的有效分辨率和采样更新速率有关,更新速率越低有效分辨率越高。在满足其他要求的情况下尽量降低更新速率,由此来提高有效分辨率。AD7730的最低更新速率为50Hz,但如果选择50Hz的更新速率,电网频率(我国为50Hz)干扰可能会产生失调并且降低了线路频率共模抑制,因而系统的采样更新速率选择60Hz.此时线路频率共模抑制优于90dB,能够达到近80,000个计数相当于16.5位的有效分辨率,完全能够满足系统测量的要求。

对于桥式测量电路,其输出电压的稳定性与其工作电源(供桥电源)的性能是密切相关的,要求供桥电源能够对温度、时间等因素具有良好的稳定性能。这就需要设计专用的供桥

电源以保证系统工作的稳定性和测量精度。AD7730的基准电压最高允许为+5V,可以与模拟电源电压和供桥电压相同,这就非常方便将测量电路接成比率测量方式,电桥激励电压的输入同时也作为AD7730的参考电压,激励电压的变化不会影响测量结果,能够保证测量精度。比率测量工作方式无需精确稳定的基准电压源即可实现精确的测量,降低了对供桥电源的要求,简化了电路,同时也有效的降低了硬件成本。

AD7730的SCLK、DIN、DOUT分别与W77E58的I/O口连接,通过SPI方式与单片机通讯。

2．3键盘和显示

称重控制器的人机交互通过8个LED管和12个按键实现。称重控制器采用新型键盘显示芯片CH451来检测按键和LED显示。

CH451是一款集数码管显示驱动、键盘扫描控制和?P监控于一体的多功能外围芯片,较之同类产品,其优点如下[3]:

(1)在数码管动态扫描方面。CH451内置RC振荡电路,可以直接驱动8位数码管或64位LED;具有BCD译码或不译码功能;可实现数据的左移、右移、左循环、右循环、各位独立闪烁等控制功能;内置大电流驱动级,段电流不小于30mA,字电流不小于160mA,并有16级亮度控制功能;

(2)在键盘控制方面。CH451内置64键键盘控制器,可实现8×8矩阵键盘扫描,并内置去抖动电路,可提供按键中断与按键释放标志位等功能;

(3)在外部接口方面,CH451可选择简洁的1线串行接口或高速4线串行接口(可高达10M),且内置上电复位和看门狗电路。

该芯片速度快,操作方便,外围电路简单,广泛用于以单片机、DSP等为CPU的智能仪器和小型控制系统中。

2．4系统时钟

采用DS12887作为系统的时钟芯片,其作用有:提供当前时间和日期;提供114位非易失性RAM;输出1ms的周期信号。该信号接单片机的INT0,为可编程定时器提供时钟信号。

3软件设计

控制器软件部分主要包括初始化、标定、物料称重和控制算法等,主程序流程如图3所示。

3．1初始化

初始化主要是初始化外围各芯片,如实时时钟芯片DS12887、键盘显示芯片CH451、模数转换芯片AD7730,设置中断,串口配置,并将默认的参数从EEPROM读入RAM中。

3．2标定

当系统的工作参数或者工作环境发生变化后,需重新调整AD的零点和增益,以及重量与AD采样值的转换系数,并将它们存入EEPROM,此过程称为标定。

3．3通讯程序

通讯程序包括两部分。第一部分是两个控制器同时工作时主副之间的通讯。双控制器之间的通讯确保对同一袋物料包装时协调同步,包括副机请求卸料,主机批准卸料,主机查询

副机状态的命令,传送累积量等;第二部分是单控制器与计算机之间的通讯。单控制器与计算机之间的通讯包括计算机对仪表时间和三级密码设定和下载系统默认参数功能。

3．4自动控制过程

控制器在运行时能够自动控制快、中、慢下料、计量斗卸料及松袋的全部过程。控制方法采用基于时间的过程控制。其工作过程说明如下:

(1)启动,同时开启大投、中投和小投,快速下料;

(2)当物料的称重值>大投值,则关闭大投信号进行中速加料,并等待t1时间(用于避免过冲);

(3)继续下料,当称重值>中投值,关闭中投信号进行慢速下料,并且再等待t1时间;

(4)当物料的称重值>目标值-落差值时,则关闭小投信号停止加料,并启动t2定时器(用于避免计量斗振动);

(5)t2时间到后,判断夹袋延时时间t5是否到,不到则等待,时间到则将物料卸入包装袋;

(6)卸料过程中,当称重值[零区值时,延时t3后关闭卸料信号,同时开启定时器t4和t6,t6到时则向夹袋机构发出松袋信号,松开包装袋;

(7)t4时间到则启动下一个过程。

自动控制的时序如图4所示,其中目标值、大投值、中投值、落差值、零区值以及各时间参数由用户设定,以满足现场包装的需要。合理调节重量参数和时间参数,可实现多种场合的快速包装。

4结束语

控制器采用高精度多功能模数转换器AD7730,保证了系统精度和动态过程的实现性,简化了外围电路设计。多功能键盘显示芯片CH451的使用也节省了控制器的开发时间。

该称重控制器经现场调试和改进,现已进入试用阶段,表明该装置操作简单,维护方便,精度和速度完全能满足现场的要求。

 

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