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0 前 言
目前,電子衡器已經(jīng)進(jìn)入各行各業(yè),并得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。稱重顯示控制器是電子衡器的重要基礎(chǔ)部件,它是一種具有顯示、輸出、定值控制和通信功能的、以微控制器為操作核心的稱重控制裝置,與合適的傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組合后可構(gòu)成各種定值秤、配料秤等,廣泛應(yīng)用于飼料、冶金、化工、建材等行業(yè)的重量測(cè)控系統(tǒng),是稱重配料控制和生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化必不可少的檢測(cè)和控制裝置。
隨著自動(dòng)稱重系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,對(duì)稱重顯示控制器的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的稱重顯示控制器多使用LED數(shù)碼管或字符型液晶顯示模塊作為人機(jī)交互界面,以符號(hào)或英文字母表示信息,用戶使用極不方便。
為此,筆者研發(fā)一種以單片機(jī)STC89C58RD+為控制芯片、以O(shè)CMJ4X12B為顯示終端的控制系統(tǒng)。
1 稱重顯示控制器的硬件構(gòu)成
控制器的硬件結(jié)構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)測(cè)量部分、數(shù)據(jù)的處理部分和控制信號(hào)的輸入/輸出部分。
1.1 數(shù)據(jù)測(cè)量部分
該部分主要包括稱重傳感器、運(yùn)放及濾波電路和ADC等。由電阻應(yīng)變橋式稱重傳感器將受力時(shí)產(chǎn)生形變的電壓信號(hào)經(jīng)直流運(yùn)算放大器放大,有源濾波電路對(duì)其進(jìn)行濾波后,再由ADC模塊進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,最后送入單片機(jī)。
稱重傳感器采用梅特勒-托利多的SB系列稱重傳感器,具有精度高、穩(wěn)定可靠、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。
直流運(yùn)算放大器選用的是具有低漂移、低功耗、高精度性能的放大器INA129。它是一個(gè)體積很小的8引腳塑料DIP和SO-8表面襯底封裝器件[1]。INA129的增益計(jì)算為:
G=(49.4kΩ/RG)+1       (1)
式中G—增益;RG—外部增益設(shè)置電阻,可接在引腳1和引腳8之間對(duì)增益進(jìn)行設(shè)置;49.4kΩ—INA129內(nèi)部設(shè)定電阻修正的標(biāo)準(zhǔn)阻值。
有源濾波電路中選用了模擬有源濾波器MAX275,它是美國(guó)MAXMI公司生產(chǎn)的通用型有源濾波器。中心頻率/截止頻率可達(dá)300kHz,且無(wú)需時(shí)鐘電路,因此與開(kāi)關(guān)電容濾波器相比,其噪聲更低,動(dòng)態(tài)特性更好。另外,MAX275配以合適阻值的外接電阻即可達(dá)到良好的濾波效果,能夠完全滿足控制器設(shè)計(jì)的需要。
ADC模塊是控制器硬件設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要部分。本研究選用美國(guó)CirrusLogic公司推出的一種具有高精度、低噪聲、多通道特點(diǎn)的△—∑型模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器CS5532。其內(nèi)部含有一個(gè)增益可選的載波穩(wěn)定測(cè)量放大器和一個(gè)4階差動(dòng)△—∑調(diào)制器,非常適合測(cè)量稱重傳感器輸出的毫伏信號(hào),且可得到高達(dá)24位分辨率的輸出結(jié)果[2,3];具有靈活簡(jiǎn)便的三線串行接口,可直接與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
CS5532提供了2個(gè)模擬輸入通道,在本設(shè)計(jì)中選用通道1(AIN1+、AIN1-)來(lái)接收經(jīng)INA129放大和MAX275濾波后的模擬信號(hào),通道2直接接地。R1、C2用于組成模擬電源VA+與數(shù)字電源VD+之間的RC濾波器。主時(shí)鐘OSC1、OSC2根據(jù)設(shè)計(jì)需要外接晶振4.9152MHz,負(fù)載電容C3、C4均為12pF。C5為信號(hào)輸入端濾波電容。CS5532與STC89C58RD+的接口引腳有CS、SD、ISDO及SCLK,它們分別接至單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3。片選端CS是串行口允許訪問(wèn)控制線,當(dāng)P1.0置CS為低電平時(shí),串行口可作為三線接口來(lái)訪問(wèn)。SDI為串行數(shù)據(jù)輸入端,將STC89C58RD+發(fā)出的控制信號(hào)傳送給轉(zhuǎn)換器。SDO為串行數(shù)據(jù)輸出端,將經(jīng)轉(zhuǎn)換器處理后的稱重?cái)?shù)據(jù)送到單片機(jī)。若P1.0把CS引腳置為高電平,則SDO處于高阻態(tài)。SCLK為串行移位時(shí)鐘,是數(shù)據(jù)位移入或移出ADC串口的控制時(shí)鐘,只有當(dāng)CS=0時(shí),SCLK才能被端口邏輯識(shí)別[4]。
1.2 數(shù)據(jù)處理部分
該部分的功能是單片機(jī)通過(guò)處理外部電路單元的輸入信號(hào)來(lái)獲取測(cè)量數(shù)據(jù)以及與被測(cè)量有關(guān)的系統(tǒng)值。稱重顯示控制器中的單片機(jī)除了需要對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理外,還要對(duì)按鍵信號(hào)、串口通訊信號(hào)等進(jìn)行檢測(cè)分析。因此,單片機(jī)性能的優(yōu)劣將直接影響控制器的整體性能。為了提高系統(tǒng)的運(yùn)算速度與可靠性,同時(shí)考慮到控制器的實(shí)際工作環(huán)境中一般會(huì)有靜電、輻射和振動(dòng)等外界干擾,本研究選用了STC89系列中的單片機(jī)STC89C58RD+作為核心控制芯片。該單片機(jī)不僅運(yùn)行速度快,性價(jià)比高,而且其內(nèi)部電源供電系統(tǒng)、I/O口、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、看門狗電路等均經(jīng)過(guò)特殊處理,具有超強(qiáng)抗干擾、抗靜電功能[5,6]。
1.3 控制信號(hào)的輸入/輸出部分
控制信號(hào)的輸入/輸出主要由按鍵、液晶顯示、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出、串口通訊等電路單元組成。
(1)按鍵?？刂破髟O(shè)計(jì)了6個(gè)發(fā)聲按鍵對(duì)顯示終端進(jìn)行操作,分別是/+0鍵、/-0鍵、/z0鍵、/y0鍵、/確定0鍵及/取消0鍵。
(2)液晶顯示。本控制系統(tǒng)的終端人機(jī)交互界面主要用于顯示測(cè)控?cái)?shù)據(jù)、系統(tǒng)工作狀態(tài)以及查看、設(shè)定和修改系統(tǒng)參數(shù)等。為了實(shí)現(xiàn)信息的全中文顯示目的,使終端顯示界面更為友好,液晶顯示器選用的是OCMJ(奧可拉中文集成模塊)B系列液晶顯示模塊OCMJ4X12B。該模塊內(nèi)含GB231216*16點(diǎn)陣國(guó)標(biāo)一、二級(jí)簡(jiǎn)體漢字字庫(kù)和ASCII碼8*8(半高)及8*16(全高)點(diǎn)陣英文字庫(kù)[7]。輸入GB2312區(qū)位碼或ASCII碼即可實(shí)現(xiàn)漢字或字符顯示,可顯示4行,每行可顯示12個(gè)漢字或24個(gè)字符;同時(shí)模塊采用REQ/BUSY兩線握手通訊協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)用戶硬件接口,不占用單片機(jī)串行通信單元的資源,使得系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單可靠。
顯示器的并行接口直接與P2口相連接,其他控制腳與P1口連接。為避免背光源功耗相對(duì)較大而影響模塊顯示,這里采取兩組電源對(duì)模塊電源VDD與背光電源LED分開(kāi)供電,外接10kΩ電位器RPT用以調(diào)整顯示對(duì)比度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出,當(dāng)VEE與VO間的電壓處于2V±0.2V時(shí),顯示對(duì)比度最佳。
(3)開(kāi)關(guān)量輸入/輸出。開(kāi)關(guān)量實(shí)現(xiàn)的是按鈕操作信號(hào)的輸入和單片機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)的輸出。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了8個(gè)控制按鈕對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作,分別為啟動(dòng)、自動(dòng)/手動(dòng)、暫停、夾袋、進(jìn)料、卸料、松袋及清除報(bào)警。儀表開(kāi)關(guān)量輸入為低電平有效。輸入接口外接手動(dòng)按鍵,每次只能有一個(gè)按鍵閉合,且閉合時(shí)間大于100ms為有效。
控制器開(kāi)關(guān)量輸出為控地方式,采用光電隔離的方法,接口由外部提供一路直流24V電源作為開(kāi)關(guān)量工作電源。開(kāi)關(guān)量輸出為晶體管集電極輸出,可直接驅(qū)動(dòng)24V直流繼電器或小型直流負(fù)載,驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)1A。開(kāi)關(guān)量輸出可用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)、狀態(tài)指示或報(bào)警。
(4)串口通訊部分。為了提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和長(zhǎng)距離通訊性能,采用了線路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、控制方便的RS-485串行總線傳輸標(biāo)準(zhǔn)。串口通訊芯片選用MAXMI公司生產(chǎn)的MAX485,通過(guò)芯片的DI、RO引腳和單片機(jī)的TXD、RXD引腳相連,構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的集散型控制系統(tǒng),使得控制器可方便地與遠(yuǎn)端PC機(jī)和打印機(jī)進(jìn)行通訊。
2 稱重顯示控制器的軟件設(shè)計(jì)
控制器的軟件系統(tǒng)按照現(xiàn)代軟件設(shè)計(jì)方法,采用菜單模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),使得系統(tǒng)軟件具有結(jié)構(gòu)清晰、調(diào)試方便、易維護(hù)、易擴(kuò)充等優(yōu)點(diǎn)。從工作原理來(lái)看,整個(gè)系統(tǒng)的功能模塊有:按鍵處理、數(shù)據(jù)檢測(cè)及處理、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出信號(hào)處理、終端液晶顯示以及串口通訊處理等。這些功能模塊由主程序調(diào)用。
3 結(jié)束語(yǔ)
本稱重顯示控制器主要用于物料包裝的測(cè)量與控制,目前已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)入試用階段。從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況來(lái)看,經(jīng)過(guò)不斷調(diào)試和完善該控制器能夠準(zhǔn)確、清晰、實(shí)時(shí)地完成系統(tǒng)的顯示與控制,滿足了用戶的要求,并具有很好的穩(wěn)定性。在對(duì)該控制器進(jìn)行一定的軟、硬件改造后,便可將控制器推廣應(yīng)用于其他相關(guān)行業(yè)。
 

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