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。

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。

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。

 

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 Analog Devices推出的 24位 2 - $ 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 21000 mV /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10 mV.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50H z , 但如果选择 50H z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 1615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 1 ms的周期信号。该信号接单片机的 I NT0, 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。

 

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 t 1 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 t 1 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 t 2 定时器 (用于避免计量斗振动 );

( 5) t 2 时间到后, 判断夹袋延时时间 t 5 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 t 3 后关闭卸料信号, 同时开启定时器 t 4 和 t 6 , t 6 到时则向夹袋机构发出松袋信号, 松开包装袋;

( 7) t 4 时间到则启动下一个过程。

 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。

 

参考文献:

[ 1]  彭军. 传感器与检测技术. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2003 .

[ 2]  周跃刚, 吴昌林, 陈光前. AD7730在发动机燃油消耗测量仪中的应用. 电子技术应用, 2005, 31( 8): 59- 62 .

[ 3]  周水斌, 陈小桥, 杨敏. 基于 AD7710的 6位半电压表头的研制. 仪表技术与传感器, 2004( 1): 32- 34.

[ 4]  施隆照. 数码管显示驱动和键盘扫描控制器 CH451及其应用. 国外电子元器件, 2004( 1): 53- 57.

 

 

 

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