0  引言

称重显示控制器是一种具有数字显示、 开关量输出、 定值控制和通信功能的以微机为操作核心的称重控制装置。它是电子衡器的重要基础部件, 直接影响电子衡器及电子称重系统的功能和性能。与合适的传感器及承重传力复位系统组合可组成配料秤、 料斗秤、定值秤、 平台秤、 汽车秤等, 广泛应用于电力、 化工、 建筑、冶金、 交通运输、 食品、 军工等部门, 是进行自动称重配料控制和生产过程自动化必不可少的重要检测、控制装置。

随着称重计量自动化水平的提高, 对称重显示控制器的要求也越来越高。为实现低漂移、 高稳定, 本控制器采用低漂移、 高增益放大器 AD620 和高分辨率的A/ D 转换器 CS5550。为提高稳定性和可靠性, 采用集成度高的、 抗干扰能力强的 ST62 单片机。

1  ST62单片机介绍

ST62 系列单片机是法国某公司生产的简单、 灵活、 低价格的 8 位单片机, 采用了独特的制造工艺和技术,大大提高了抗干扰能力。它专为嵌入式控制应用设计, 特别适用于抗噪声和抗干扰能力强、 性价比高的控制系统, 具有以下主要性能:

①工作电源电压有很宽的适应范围( 3V~ 6V) 。

②丰富的 I/ O 功能, 可吸收电流达 20mA,并可直接驱动 LED/ 可控硅, 有多通道的复用 8 位 A/D 转换器, 5 个中断向量, 1 个外部不可屏蔽中断。

③位定时器, 数字看门狗, 片内时钟振荡器及备份振荡器, 振荡器保护电路, 上电复位及低压检测复位, 等待及停止省电模式。

④多种内部程序存储器, 除有廉价的 OTP( onetime programming) 一次性编程写入外, 还有非常方便的 Flash 程序存储器, 可以在线编程, 易于修改程序代码。存储器( ROM/ EPROM/ OTP) 的容量从 1kB~ 8 kB不等, 还有 64~ 320 字节的 RAM 及 64~ 128 字节的EEPROM, 可以满足各种编程的需要。

根据 控 制 器 功 能 的 需 要, 选 用 ST62 系 列 的ST62T42BQ6 单片机作控制芯片。该芯片具有 8 kB的Flash 内部存储器, 192 字节的 DATA RAM, 128 字节的 DATA EEPROM, 最大时钟频率 8 MHz,有 18 个 I/ O引脚, 6 个复用 8 位 A/D 转换器, 有 SPI 通信接口。控制器采用 ST62T42BQ6 自身的 A/ D 端口, 及 40 @ 4 的LCD驱动功能, 构成 6 个操作按键、 6 位段码显示及 6个保留图符显示的人机操作界面。

2  称重显示控制器的硬件设计

由于采用了集成程度高的 ST62 单片机及 AD 芯片 CS5550, 整个控制器的硬件结构显得非常简单, 提高了工作可靠性和抗干扰能力。
2.1  直流放大与 AD转移

这是本控制器硬件设计中的重要部位。放大器具有低功耗、 低漂移、 低失调、 增益线性好的特点, 才能对称重传感器的微弱信号进行不失真的放大, 才能保证测量数据的精确。因此我们选用了美国 某公司近年推出的精密仪表放大器 AD620 作为该变送器的直流放大器。它是一个体积很小的 8 脚塑封的( DIP) 器件。由于它的超 B先进工艺, 使其最大工作电流为 113mA,输入失调电压为 5LV, 输入失调漂移最大为 1LV/ e ,共模抑制比 93dB, 增益范围 1~ 1000, 而且噪声低, 使用简单方便, 只 需一个外接电 阻来设定 增益范围。AD620 的增益计算:

G = (4914kΩ/ R _G ) + 1,  R G = 4914kΩ( G- 1)

式中: 4914kΩ 为 AD620 内部设定电阻修正的标准阻值; R _G为外部增益调整, 可在放大器的脚 1 和脚 8 之间跨接此高精度电阻来满足所需要的放大倍数。采用仪表放大器 AD620, 其增益误差可小于 0101%, 非线性小于 01002%。

本控制器的AD 转换则采用 某公司的两通道Delta -Sigma 模数转换器 CS5550 芯片。CS5550 是一种便于设计、 性价比高的小体积高集成解决方案, 可确保电子秤厂商为客户提供测量精确、 物美价廉的解决方案。

CS5550 集两个模数转移器、 两个放大器、 一个基准电压电路和一个双向串口于一身, 用于输出精确测量结果。它是一个双通道解决方案, 通道 1 具有13 位有效位, 通道 2 有 10 位有效位, 其卓越的性能建立在 可靠的 Delta -Sigma 模 数转移 结构之上。同时, CS5550 还包括了一个片内温度传感器, 用于测量和补偿温度波动带来的误差, 使其具有很好的温度稳定性, 适于长期工作。为与微控制器通信, 此芯片还具有双向串行接口, 可以通过重新设置完成初始化和完全运转。

2.2  键盘和 LCD显示电路

本控制器的键盘设计采用了 ST62 单片机自带的 A/ D 采样输入 功能。如图 2 所示, 对单 片机的AIN 脚进行采样, 根据采样的电压值判断是否有按键发生, 若有, 是哪个按键被触发。此种键盘电路设计可节省 MCU 的 I/ O 口, 根据合理的电压分配可适用 20 个甚至更多按键的键盘设计。本控制器只用了6 个按键。

本控制器采用单片机本身的 40 × 4LCD 驱动功能开发显示系统, 液晶片一共 54 个笔画段, 组成了一个 6位七段数码显示器, 每个数码还带有小数点。还有 6段分别用于“调零”、 “ 稳定”、 “ 净重”、 “ 打印”、 “ kg”、“Lb” 6 个标志, 如图 3 所示。ST62T42BQ6 最多可驱动 160 段笔画, 这里只用了其中的 54 段。

根据不同的按键功能操作显示对应的内容。

2. 3  RS- 232 通信接口

采 用 单 片 机 SPI 接 口 的 SOUT、SIN 管 脚 与MAX232 芯片构成通用的 RS- 232 接口, 使得控制器可方便地连接远端的电脑和打印机处理称重值。

2. 4  开关量输出电路

该电路作为控制器向外输出信号之用。利用键盘将最高、 最低设定值置入内存, 仪表随时比较采样值和设定值, 并把比较结果以开关量方式输出, 达到控制外设的目的。开关量输出电路由光电耦合电路和输出继电器组成, 如图 4 所示。

3  称重显示控制器的软件设计

软件程序设计采用模块式结构, 其优点是结构清晰、 调试方便、 易维护、 易扩充。整个系统由采样、 称重、 键盘扫描、 LCD 显示、 程序设定、 打印通信、开关量输出等模块组成。

系统上电启动后, 首先进行初始化, 对寄存器和各I/ O 端口进行设置; 然后执行自检程序, 自检无误后开始扫描键盘。当有按键触发时, 经判断分别进行程序设定和功能键处理。若无键触发则对 AD 模块进行采样,并自动校零。若程序设定的 F 1 为 Enable, 则直接显示 AD 采样的电压值后返回循环起点。反之, 进入称重模块计算, 将采样模块得到的数据进行零点修正和满度修正后, 可作皮重处理, 也可减去皮重作净重处理;得到的数再与开关量的高低设定值比较, 输出设定的相应电平, 达到控制的目的; 然后显示称重值及相应状态; 最后如有打印或通信要求, 执行该段子程序后回到循环起点。

3.1  采样模块

称重过程中, 即使经过足够时间的延迟, 由于机械振动和电磁干扰等原因, 采样得到的数也总会在真值附近抖动, 使采样精度有一定的偶然性。为了克服这个弊病, 通常可采用多点采样取其平均值或多点采样取其中值等方法。但这两种方法都有其不足之处: 平均值法会引入干扰点误差; 取中值法可能不在误差带中,因而都会引起较大读数误差。本控制器的采样模块软件设计采用多点采样剔除坏点的办法, 从而得到了满意的效果。

3.2  程序模块

在程序设定模块中, 可自由选择进入每个设定的内容, 也可随时保存设置内容并退出, 无需一兜到底经历每一项设定。程序设定的内容有:

F ₁ 原始值显示

F ₂ 自动零点跟踪功能设置

F ₃ 波特率选择

F ₄ 打印功能

F ₅ 输出模式设定

F ₆ 称重值精度设置

F ₇ 单位显示设置

F  仪表精度标定模式

3. 3  称重模块

本控制器采用微控制器分析处理测量结果, 从而大大提高了系统的精确度。在称重模块程序设计中采用了非等分距分段的方法进行校正, 其特点是函数基点的分段不是等距的, 而是根据函数曲线形状变化率的大小来修正插值之间的距离。该插值法的原理如下:

用折线 ab、 bc、 cd 来代替曲线 ab、 bc、 cd,可以写出各段的插值公式为

式中: K ₃ = ( W _d - W _c )/ ( V _d - V _c ); K ₂ = ( W _c - W _b )/( V _c - V _b ); K ₁ = ( W _b - W _a )/ ( V _b - V _a );

3. 4  其余

另外, 功能键设计有调零、 皮重设定、 毛重/ 净重切换、 开关量高低值及电平设定、 打印设定、 无零检验设定等功能。

按键程序采用一键多用及组合键的设计, 使得仪表面板简洁明快, 操作也极为方便。

4  结束语

本称重显示控制器结构简单, 采用高集成芯片简化了电路, 缩小了控制器的体积, 且操作方便, 使用 6个按键, 根据 LCD 显示就可完成多种功能操作, 运行可靠, 抗干扰能力强, 有很好的推广应用价值。

 

 

本文源于网络转载，如有侵权，请联系删除