配料控制器与电子配料控制器设计方案
配料控制器采用双CPU设置，A/D采用三积分原理，具有速度快、精度高、稳定可靠、操作方便、结构新颖等特点，是理想的小型配料控制器。采用无极性无触点电子开关量输出，保证整机长寿命工作。配料控制器为传感器提供精密桥源，并接受传感器的输出信号，经内部采集处理后计算并显示出计量斗内物料的重量值。在控制器启动运行后，通过对计量斗内物料的重量值与各路定值的比较，顺序实现料一、二、三、四的自动上料控制，并能实现自动落差修正，然后等待左（右）卸料允许信号，来实现自动左（右）卸料。
下面来为大家介绍一种电子配料控制器的设计方案, 该电子配料控制器以TI 公司的MSP430F149 单片机为控制核心,集成了电源模块, 放大器及输入输出驱动模块, 通信模块, 键盘和显示模块等, 并针对单片机抗干扰性能较弱的特点, 不仅采用光电耦合技术、加接去耦电容以及合理布线的硬件抗干扰设计, 而且采用看门狗技术和数字滤波技术等软件抗干扰技术。该设计方案的特点是控制器整体结构紧凑, 体积小, 功耗低, 操作灵活方便, 使用安全可靠。
        在不少生产过程中, 高精度、高速度配料对产品质量显然是至关重要的, 目前以单片机作为控制核心的电子配料控制器, 以其测量准确度高、性能可靠、成本低廉、体积小和使用范围广等优点[ 1] , 正在逐渐代替传统的自动配料生产线中的称量控制系统。如今, 电子配料控制器已经在建材、化工、饲料和制药等行业得到了较为广泛的应用, 不仅有效地提高了生产效率, 而且极大地保证了产品的生产质量, 但在现实使用中还存在着不少问题[ 2] , 如: 配料精度与配料速度之间存在着矛盾, 即当快速给料时, 称量速度可以保证, 但精度难以保证; 当慢速给料时, 称量精度能保证但效率低。针对上述问题, 本文基于一种预测控制算法设计电子配料控制器, 可有效地提
高称量精度和效率。
1 控制系统的设计
配料称量系统由称量箱和若干储料箱组成[ 3] ; 储料箱与称量箱由输料管连接, 每个输料管均有大流量出料闸门A 和小流量出料闸门B 两个控制闸门, 每个闸门可选用气动驱动或液压驱动; 称量箱下装有四个应变式传感器以检测进料重量并产生称重信号; 称量箱下的出料闸门R5 控制卸料。电子配料控制器通过单片机对称重信号检测, 并根据控制算法对闸门进行控制, 完成配料工作[ 4] 。如图1 所示( 图中仅为两种物料M1 和M2 的下料装置) 。
1. 1 硬件设计
单片机是系统的核心部件, 本系统选用TI 公司的MSP430F149 单片机[ 5] , 该单片机具有16 位数据总线, 64KB 的程序存储器, 2KB 的数据存储器, 8 路12 位AD 转换器, 2 个通用串口, 3 个时钟源, 运算速度较快。选用该单片机基本不需外扩接口。控制系统结构如图2 所示[ 6] 。
称重传感器产生的毫伏信号0~ 20mV 经一运算放大器放大到适合AD 转换器的工作电平, 单片机将称重信号转换成数字信号, 经标度变换转换成工程量对进料进行计量, 当进料达到设定值时, 通过隔离的数字输入输出接口控制相应的闸板开启或关闭。系统通过7 段LED 数码管显示测量的工程量值,通过键盘对系统进行参数设定和调试。系统还设有RS232 和RS485 接口可以与上位机通信, 便于系统的管理和控制。硬件设计主要包括电源模块、放大器及输入输出驱动模块、通信模块、键盘和显示模块等。
(1) 电源模块。对系统的供电电源采用交流稳压器, 再经过隔离变压器及能滤除高频干扰的LC 滤波器, 产生隔离的仪表放大器电源, 单片机电源, 通信模块电源以及输入输出模块的电源, 极大地减少了各个模块之间的相互干扰。
( 2) 放大器及输入输出驱动模块。本电子配料控制器的放大器是由单个运放组成的仪表放大器, 它具有很高的共模抑制比, 能将共模部分滤去, 传感器的输出信号经放大后, 就可以得到一个大小与负载成正比的差模电压信号, 这个电压信号反应了称重传感器所承载重量的大小, 单片机内部的12 位A/ D转换器将这个电压信号转换成能被单片机处理的数字信号。在模拟信号输入A/ D 转换器前采用低通滤波技术, 滤掉混入模拟信号中的高频成分。一般称重配料现场环境比较恶劣, 干扰因素诸多, 为了增强系统抗干扰能力, 并提高系统可靠性, 在开关量输入及输出驱动中采用专门设计的光电耦合隔离技术[ 7], 可以有效抑制尖峰脉冲和各种噪声干扰。
( 3) 键盘和显示模块。仅用四个按键通过按键组合的形式进行各种参数的设置和修改。考虑到单片机I/O 口资源比较丰富, 而且P1 和P2 口具有独立中断能力, 因此, 采用两片可同时驱动键盘和显示器的驱动芯片直接接到单片机的I/ O 口上, 并通过中断方式由CPU 来响应。系统显示设计为双显示器和发光二极管相结合的方式[ 8], 双显示器同时显示毛重和净重, 发光二极管分别表示物料种类、稳定、快速给料、慢速给料、报警等信息。
( 4) 通信模块。在通信模块的设计中, 对单片机和通信芯片之间的接收和发送信号均采用光电耦合电路, 提高抗干扰性能。用户可根据需要通过拨码开关选择采用RS485 或RS232 通信模式, 方便地与控制主机通信。
1. 2 软件设计
根据配料的工艺要求,当某一储料仓开始下料时,大小闸门同时打开, 当下料量达到该物料的第一设定值时关闭大闸门, 小闸门保持打开, 一直到该物料下料量达到最终设定值后关闭小闸门。对每一种物料重复上述过程, 直到所有物料称量完毕, 最后打开称量箱闸门卸料[ 9] 。为了完成上述控制要求, 采用状态控制法设计控制软件, 以两种物料M1 和第 1期 张娟梅等: 基于MSP430 系列单片机的电子配料控制器设计 41M2 的配料为例, 其状态转移图见图3。根据状态转移图设计的主程序流程图见图4, 物料M1 的配料过程( 图3 中1、2、3 态) 状态处理流程图见图5, 物料M2 的配料过程( 图3 中4、5、6态) 与M1 的配料过程相似。本系统软件采用IAR 公司为MSP430 系列单片机开发的编程调试环境设计的C 语言程序[ 10] , 其可读性强, 执行效率高。主要控制程序如下:
unsigned const G11, G12, G21, G22; / /M1, M2 物料第一设定值和最终设定值
unsigned int state, relay, start, G, result;
int readcommand( void) ; / / 读命令
int getad( void) ; / / 获取A/D 转换结果
void init ( void) ; / / 初始化
void open( relay) ; / / 打开闸门
void close( relay) ; / / 关闭闸门
void main( void)
{WDTCTL= WDTPW+ WDTHOLD; / / 关闭看门狗定时器
init( ) ; ADC12CTL0| = 0X01; / / 初始化, 设置A/ D 转换器
switch ( state) / / 读状态
{ case 0:
start= readcommand( ) ; if ( start ) state= 1; else state= 0; break;
case 1:
open(R1) ; open( R1. ) ; result= getad( ) ;
if ( result> = G11)
state= 2; else state= 1; break;
case 2:
close(R1) ; open( R1. ) ; result= getad( ) ;
if ( result> = G12)
state= 3; else state= 2; break;
case3:
close(R1) ; close( R1. ) ; break;
,
case 7:
open(R5) ; state= 0; break;
default; }
_NOP( ) ;
}
2 系统抗干扰设计
硬件方面, 在电路设计中除了采用光电耦合技术提高系统抗干扰能力外, 在设计印刷电路板时, 电源部分、模拟部分及数字部分各自独立成块, 而且用较粗的线布地线, 模拟地与数字地一点接地; 每一个分支处的电源与地之间加接去耦电容, 尽量降低各芯片信号之间的相互耦合[ 11] 。软件方面, 使用看门狗技术监控软件运行, 而且对所有采集的数据采用数字滤波技术, 消除脉冲干扰的影响。
 

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