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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越高 。傳統(tǒng)的稱重顯示控制器多使用L E D 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) S T C 89C 58R D + 為控制芯片、 以 O C M J 4X 12B 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

它主要包括數(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A D C 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 A D C 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 S B 系列稱重傳感器,具有精度高 、 穩(wěn)定可靠、 使用壽命長等特點(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 I N A 129。它是一個(gè)體積很小的 8引腳塑料 D I P 和 S O - 8表面襯底封裝器件[ 1]。 I N A 129的增益計(jì)算為:

G= ( 49. 4 kΩ /R G ) + 1 ( 1)

式中　 G —增益 ; R G —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. 4 kΩ — I N A 129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M A X 275,它是美國 M A X I M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) 300 k H z ,且無需時(shí)鐘電路, 因此與開關(guān)電容濾波器相比 ,其噪聲更低, 動(dòng)態(tài)特性更好。另外, M A X 275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 。

A D C 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 C i r r u sL o g i c 公司推出的一種具有高精度、低噪聲 、 多通道特點(diǎn)的 Δ - ∑ 型模擬 / 數(shù)字轉(zhuǎn)換器 C S 5532。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) Δ-∑ 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 。
 

       C S 5532提供了 2個(gè)模擬輸入通道 ,在本設(shè)計(jì)中選用通道 1( A I N 1 + 、A I N 1 - ) 來接收經(jīng) I N A 129放大和M A X 275濾波后的模擬信號(hào),通道 2直接接地 。 R 1 、C 2用于組成模擬電源 V A+ 與數(shù)字電源 V D+ 之間的 R C濾波器。主時(shí)鐘 O S C 1、O S C 2根據(jù)設(shè)計(jì)需要外接晶振4. 915 2 M H z ,負(fù)載電容 C 3 、C 4 均為 12 p F 。 C 5 為信號(hào)輸入端濾波電容 。 C S 5532與 S T C 89C 58R D + 的接口引腳有 C S 、S D I 、S D O及 S C L K , 它們分別接至單片機(jī)的P 1. 0、P 1. 1、P 1. 2和 P 1. 3。片選端 C S 是串行口允許訪問控制線 ,當(dāng) P 1. 0置 C S 為低電平時(shí) , 串行口可作為三線接口來 訪問。 S D I 為串行 數(shù)據(jù)輸入 端, 將S T C 89C 58R D + 發(fā)出的控制信號(hào)傳送給轉(zhuǎn)換器。 S D O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 P 1. 0把 C S 引腳置為高電平 ,則 S D O 處于高阻態(tài)。 S C L K 為串行移位時(shí)鐘 , 是數(shù)據(jù)位移入或移出 A D C 串口的控制時(shí)鐘 ,只有當(dāng) C S = 0時(shí) , S C L K 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)通過處理外部電路單元的輸入信號(hào)來獲取測(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S T C 89系列中的單片機(jī) S T C 89C 58R D + 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 “ + ”鍵 、“ - ”鍵、“←”鍵、“→”鍵 、“確定”鍵及“取消 ”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O C M J ( 奧可拉中文集成模塊 ) B 系列液晶顯示模塊O C M J 4X 12B 。該模塊內(nèi)含 G B2312 16 ×16點(diǎn)陣國標(biāo)一 、 二級(jí)簡體漢字字庫和 A S C I I 碼 8 × 8( 半高 ) 及 8 ×16( 全高 ) 點(diǎn)陣英文字庫[ 7]。輸入 G B 2312區(qū)位碼或A S C I I 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 R E Q /B U S Y 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)更為簡單可靠。

顯示器的并行接口直接與 P 2口相連接,其他控制腳與 P 1口連接 。連接電路圖 ,如圖 3所示 。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 V D D 與背光電源 L E D分開供電 , 外接10 k Ψ電位器 R P T 用以調(diào)整顯示對(duì)比度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出 ,當(dāng) V E E 與 V O 間的電壓處于 2 V±0. 2 V 時(shí) ,顯示對(duì)比度最佳 。

( 3) 開關(guān)量輸入 / 輸出。開關(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 100 m s 為有效 。

控制器開關(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 24 V 電源作為開關(guān)量工作電源。開關(guān)量輸出為晶體管集電極輸出, 可直接驅(qū)動(dòng)24 V 直流繼電器或小型直流負(fù)載 ,驅(qū)動(dòng)電流可達(dá) 1 A 。開關(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)傳輸速率和長距離通訊性能 ,采用了線路設(shè)計(jì)簡單、 控制方便的 R S - 485串行總線傳輸標(biāo)準(zhǔn) 。串口通訊芯片選用M A X I M公司生產(chǎn)的 M A X 485,通過芯片的 D I 、R O 引腳和單片機(jī)的 T X D 、R X D 引腳相連, 構(gòu)成了一個(gè)簡單的集散型控制系統(tǒng), 使得控制器可方便地與遠(yuǎn)端 P C 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。

3　 結(jié)束語

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)通過實(shí)驗(yàn)并進(jìn)入試用階段 。從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況來看,經(jīng)過不斷調(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)。

參考文獻(xiàn)( R e f e r e n c e ) :

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