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引 言

稱重顯示控制器是電子衡器的重要基礎(chǔ)部件 , 它直接影響電子衡器及電子稱重系統(tǒng)的功能和性能, 反映著稱重計(jì)量的技術(shù)水平。流量秤稱重顯示控制器是一種對(duì)秤筒和流量調(diào)節(jié)器所流過的物料流量進(jìn)行檢測(cè)與控制的儀表。通過檢測(cè)秤斗重量變化來計(jì)算物料流量, 據(jù)此來改變流量調(diào)節(jié)器參數(shù), 從而達(dá)到流量控制的目的。由于流量秤的計(jì)量速度快, 所以具有很廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前, 市場(chǎng)上的定量秤和配料秤較多,而流量秤相對(duì)較少, 需要完善的地方也較多,概括起來有以下幾個(gè)方面: ①非線性誤差較大。這將使稱重值與實(shí)際值相差很大, 從而造成計(jì)量精度低。 ② 功耗大。一方面控制器的溫度升高影響整個(gè)硬件電路, 另一方面也會(huì)影響元器件的使用壽命和整個(gè)控制器的性能。綜合考慮到上述情況, 筆者設(shè)計(jì)了以 ADS1216 為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的稱重顯示控制器。 ADS1216 是采用 △- ∑模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù), 具有高精度、寬動(dòng)態(tài)范圍,有效的提高了控制器的精確度和可靠性, 同時(shí)也降低了控制器的功耗, 很大程度上提高了控制器的性價(jià)比。本文闡述了控制器的相關(guān)知識(shí),對(duì)測(cè)量部分的放大電路和濾波電路進(jìn)行了設(shè)計(jì),并著重討論了 ADS1216 在稱重顯示控制器中的應(yīng)用。

1 控制器的工作過程及其稱重原理

1.1 控制器的工作過程

控制器上電后, 在稱重工作狀態(tài)下,按鍵輸入密碼后, 便可進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)定和參數(shù)設(shè)定。稱重時(shí), 外部開關(guān)量輸入運(yùn)行有效信號(hào),儀表進(jìn)入運(yùn)行工作狀態(tài)。稱重顯示控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)對(duì)秤體進(jìn)行控制。稱重傳感器的信號(hào)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器 ADS1216 模數(shù)轉(zhuǎn)換后, 輸入單片機(jī), 單片機(jī)進(jìn)行處理和計(jì)算,通過顯示器顯示出此時(shí)物料的流量, 累計(jì)稱重值等。若此時(shí)稱重顯示控制器檢測(cè)到的稱重傳感器的信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后不滿足預(yù)先設(shè)定參數(shù)的要求, 控制器則會(huì)調(diào)節(jié)卸料口的大小來改變流速, 從而達(dá)到預(yù)設(shè)的要求。當(dāng)累加后的總重量達(dá)到了預(yù)設(shè)總重量值后, 喂料機(jī)停止喂料,流量秤再次進(jìn)入非稱重工作狀態(tài)。繼續(xù)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后, 便可進(jìn)行下一次稱重。

1.2 稱重原理

稱重控制器的稱重信號(hào)始于稱重傳感器,所以傳感器的測(cè)量精確度及接線形式直接關(guān)系到控制器的性能。在傳感器串并聯(lián)方式的選擇上,筆者選擇了傳感器并聯(lián)的形式。原因有以下幾個(gè)方面: 一是傳感器并聯(lián)后其輸出阻抗較串聯(lián)方式大大減小; 二是測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾能力明顯增強(qiáng); 三是并聯(lián)方式測(cè)出的數(shù)據(jù)較串聯(lián)方式穩(wěn)定可靠得多。如果傳感器電橋?qū)嵓訕驂号c A/D 轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓的比值恒定, 則傳感器并聯(lián)方式的測(cè)量精確度將不受電壓絕對(duì)值及其變化的影響, 這種稱重方式即所謂的比率型稱重方式。這種方式是保證稱重顯示控制器質(zhì)量?jī)?yōu)良的先決條件。所以為了實(shí)現(xiàn)比率型稱重方式,

我們?cè)趥鞲衅骱蛢x表的聯(lián)線上采用六線制接法, 從而解決了高精度測(cè)量問題[ 3 ] 。

2 稱重顯示控制器總體硬件結(jié)構(gòu)

控制器的硬件主要包括 CPU 模塊、運(yùn)放及濾波模塊、 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、按鍵輸入模塊、液晶顯示模塊、開關(guān)量模塊及通訊模塊等。其總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。單片機(jī) STC89 用于對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)、按鍵信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行處理、對(duì)稱重過程進(jìn)行控制、對(duì)在液晶顯示器上設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行儲(chǔ)存、并通過 RS485 和工控機(jī)、打印機(jī)等進(jìn)行通訊。 A/D 轉(zhuǎn)換模塊主要負(fù)責(zé)將放大了的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào), 它是影響控制器精確度的重要部件。 

3 放大電路及濾波電路

放大器是影響控制器精確度的一個(gè)重要部件。放大器只有具有了穩(wěn)定性好、非線性小、漂移小、增益小、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)才能保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。根據(jù)放大器的要求精度,所需帶寬, 電路阻抗,環(huán)境條件及其他影響因素,我們選用了 INA217 作為直流放大器。 IN-A217 是一種低噪聲、低失調(diào)的集成儀器放大器。當(dāng)信號(hào)源阻抗為 200Ω時(shí),INA217 可以提供接近理論值的噪聲效能( 1kHz 為 1.3nV/rtHz ) , 即使在高增益工作情形下( 0.004% , G=100 ) , 失真消除電路也可將信號(hào)失真降至極低。另外, 電流回授電路使 INA217 可以支持更大的頻寬 ( 800kHz ,G=100 ), 并在更寬廣增益范圍內(nèi)提供杰出動(dòng)態(tài)效能, 非常適合于稱重傳感器信號(hào)的放大。在對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行放大后, 為了保證其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性, 我們又進(jìn)行了濾波電路的設(shè)計(jì)。濾波器選用的是單片集成濾波器 MAX280 。

4 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分

4.1 ADS1216 概述

在稱重顯示控制器中, A/D 轉(zhuǎn)換器是除單片機(jī)外影響控制器性能的主要元器件之一。為保證控制器的性能, 我們選用了 ADS1216 作為 A/D 轉(zhuǎn)換器。 ADS1216 是 Burr- Brown 產(chǎn)品線中的一款高精度、寬動(dòng)態(tài)范圍、 ∑- Δ 型 8 通道 24位 ADC 。 ADS1216 主 要 包 括 模 擬 多 路 開 關(guān)( MUX ) 、輸入緩沖器( BUF ) 、可編程增益放大器(PGA ) 、二階 Δ - ∑ 調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器、微控制器、 16 個(gè)狀態(tài) / 控制寄存器、 128 字節(jié) RAM 、串行 SPI 接口、兩個(gè) 8 位DAC 、內(nèi)部參考電壓產(chǎn)生器以及時(shí)鐘發(fā)生器等工作模塊。它通過 SPI 接口與外界進(jìn)行信息交換, 工作電壓范圍為 2.7V～ 5.25V ^{[ 1 ][ 2 ]} 。

4.2 ADS1216 與 STC89 單片機(jī)的接口

考慮到 ADS1216 與 SPI 兼容, 所以這里與單片機(jī) STC89 的接口采用 SPI 串行接口方式。STC89 單片機(jī)是深圳宏晶科技公司推出的強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗、低價(jià) 格 的 8 位 單 片 機(jī) 。

ADS1216 標(biāo)準(zhǔn)的 SPI 接口方式為四線制,分別為時(shí)鐘信號(hào)線 SCLK 、數(shù)據(jù)輸入線 Din 、數(shù)據(jù) 輸 出 線 Dout 和 片 選 線 CS 。 在 本 設(shè) 計(jì) 中ADS1216 與STC89 的接口引腳有 SCLK 、 Din 、Dout 、 DRDY 以及 BUFEN 。它們分別接至單片機(jī)的 P3.4 ( T0 ) 、 P3.3 ( INT1 )、 P3.2 ( INT0 ) 、 P3.5( T1 ) 和P1.7 。 由 于 本 設(shè) 計(jì) 中 只 選 用 了 一 片ADS1216 芯片, 所以將 CS 引腳直接接地, 即采用三線制串行接口連接方式, 這樣可以節(jié)省單片機(jī)的輸出控制線。為了檢測(cè) ADS1216 數(shù)據(jù)寄存器 DIO 的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好了, 可以通過兩種方法進(jìn)行檢測(cè)。一種方法是查詢 DRDY 引腳的狀態(tài)。如果 DRDY 引腳為低電平, 則表示待輸出的數(shù)據(jù)已經(jīng)被更新, 可以被讀取。反之, 則不可以。另一種方法是判斷模式和采樣頻率寄存器 M/DEC1 中 DRDY 位的狀態(tài)。若 DRDY=0 ,則表示數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好了, 可以被讀取; 若DRDY=1 , 則表示數(shù)據(jù)尚未準(zhǔn)備好, 還不可以被讀取。 BUFEN 引腳的連接是為了和設(shè)置寄存器SETUP 中的 BUFEN 位共同控制 ADS1216 的內(nèi)部緩沖器。當(dāng)二者狀態(tài)邏輯與后為 1時(shí),表示選擇了緩沖器; 為 0 時(shí), 表示沒有選擇緩沖器。在沒有選擇緩沖器時(shí), ADS1216 的輸入阻抗為5MΩ /PGA 。選擇了緩沖器后, 輸入電壓波動(dòng)減小,并且輸入電流增大。決定 ADS1216 時(shí)鐘頻率的晶體有幾種典型值, 本設(shè)計(jì)中的晶體 X2 選擇的是 2.4576MHZ , 兩 個(gè) 電 容 C4 和 C5 都 為12pF 。電容 C4 和 C5 的大小對(duì)時(shí)鐘頻率有微小的影響, 在設(shè)計(jì)印制板時(shí),晶體和電容應(yīng)盡可能與單片機(jī)芯片靠近, 以減少寄出電容。圖中C6 是為芯片內(nèi)部噪聲濾波電路提供的旁路電容。R4 則起限制 ADS1216 最大輸出電流的作用, 在實(shí) 際 應(yīng) 用 中 R4 可 以 根 據(jù) 需 要 選 擇 150kΩ 、75kΩ 、 15kΩ 、 10kΩ 和不接。

5 軟件設(shè)計(jì)

在使用 ADS1216 之前, 需要對(duì)其內(nèi)部的部分寄存器通過軟件進(jìn)行設(shè)置。首先是通過設(shè)置模擬多路開關(guān) MUX 選擇模擬通道, 再通過設(shè)置SETUP 寄存器的 BUF EN 位選擇緩沖、 REFEN位選擇參考電壓、 BIT ORDER 選擇數(shù)據(jù)位的輸出順序。值得注意的是, 若選擇了外部參考電壓,其差分電壓不可以超過 2.5V , 以免造成轉(zhuǎn)換結(jié)果錯(cuò)誤。另外, 還需設(shè)置 ACR 寄存器選擇可編程增益放大器的放大倍數(shù), 設(shè)置 M/DEC1寄存器的 U/B 位選擇 數(shù) 據(jù) 格 式 、 SMODE1 和SMODE0 位設(shè)置濾波模式等。具體設(shè)置可根據(jù)需要而定, 這里就不再一一說明。 

6 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用具有 △- ∑ 技術(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1216后,有效的解決了轉(zhuǎn)換速度與高分辨率這一難以完美的矛盾。實(shí)驗(yàn)表明, 秤筒容積為 100L 的流量包裝秤其流速可達(dá)到 25 噸 /時(shí),采用 TQFP- 48 封裝形式的 ADS1216 在應(yīng)用時(shí)其功耗小于 1mW , 線性度僅為 0.0015% 。同時(shí),在設(shè)置可編程增益放大器 G=1時(shí),ADS1216 可提供 22 位有效分辨率。而一般的 3 級(jí)稱重顯示控制器 A/D 的內(nèi)分辨率達(dá)到 1/2 18 就可以了。本設(shè) 計(jì) 控 制 器 的 累 加 誤 差 為 ± 0.1% ; 電 源 是AC220V 50HZ± 10% ; 工 作 溫 度 范 圍 為 0℃～ +40℃ ; 工作濕度為 ≤90% ( 20℃ ) R.H 不可結(jié)露。該稱重顯示控制器用于流量包裝秤后, 在功耗降低的同時(shí), 準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性都有了明顯的提高,較好的達(dá)到了預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn):

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