本文針對配料儀器不能一機多用的問題,介紹了一種基於單片機的自動配料儀表的設計。該設計方案通過軟件和硬件的緊密結合,使配料儀表能夠處理不同行業的不同種類的傳感器送來的不同信號。且該配料儀表還具有配料可預置、自動去皮、配料顯示、斷電保護等功能,使其達到高精度和通用性的目的。關鍵詞:單片機;自動配料儀表;信號采集

      當前針對某一行業,配料儀器所用傳感器種類、量程基本固定,配料的種類數基本固定,因此,目前的配料儀表產品使用場合單一,針對不同行業,要設計出不同的配料儀表,使大批量生產難於實現,這就使得資源的利用率不高,產品生產成本過高。因此,能夠開發出可適配多種不同類型的傳感器,具有智能去皮、精確配料、配料種類數由操作人員選擇的新型配料儀表,具有廣泛的應用價值。本設計就是以基於單片機為核心,設計出能適配不同種類傳感器和應用於不同行業的通用型自動配料儀表。1　係統設計方案要設計一機多用的自動配料儀表,主要麵臨的問題是:(1)不同行業使用的傳感器不同,輸出的電信號不同,這就給信號的初期放大處理和程序設計帶來困難。(2)不同行業配料種類數不同,控製信號數不同,這就給控製電路和處理程序的設計帶來困難。設計就是針對這兩個問題展開的。目前傳感器技術已相當成熟,傳感器的輸出電壓信號已較為標準化。但是,不同的傳感器輸出的電壓信號仍然是有差別的,針對這種情況,在輸入信號初期處理上,對於不同的電壓信號,需要放大的倍數是不同的,在設計中采用放大倍數可調的放大器可方便解決這個難題。在控製電路的設計上,可依據配料種類數最多的那個行業進行設計。例如,在飼料行業,配料種類數一般為8種,在建築行業,配料種類數一般為2～3種,在其他行業,如冶金、化工等行業,配料種類數一般都少於8種。因此,在設計硬件時,以8種配料為基準。也就是說,配料儀表可以配料種類數不超過8種,具體應用於哪個行業時,再根據實際情況進行選擇,具體用軟件方法實現。自動配料儀表結構如圖1所示。傳感器送過來的電信號經過相應的調理電路進行調理,使之成為適合A/D轉換的(0～10)V的模擬電壓信號,該電壓信號經A/D轉換後,由A/D轉換器輸出端輸出數字信號至單片機;單片機對數字信號進行處理,形成各種控製信號,以控製整個配料過程。

      在電路中還設有數據存儲器、鍵盤、顯示電路,通信及打印接口電路。在使用配料儀表之前,可以將不同的配方通過鍵盤輸入控製器,這些數據將被保存在數據存儲器內,在使用時,隻要通過鍵盤操作調出相應的配方,按下確認鍵,配料儀表就會自動完成配料,通過數碼管隨時監視配料進行情況。此外,也可以有操作人員來確定配料種類數和每種料的量,隻要按照操作程序由鍵盤輸入相應數據就可實現,輸入的配方可直接儲存到控製器,下次使用時,隻需選擇該配方就可直接調用,操作相當簡單。

2、儀表硬件電路設計

2.1信號采集電路設計
       計量秤是自動配料係統的重要組成部分。使用精度高、性能穩定的力傳感器是計量秤的關鍵,力傳感器通常以應變片為敏感元件。傳感器傳送的信號采用4051模擬開關輸入。在放大電路的設計上,選用單端輸入的差分式測量放大電路。

       要設計出一種通用的自動配料儀表,在對輸入信號進行處理的時候應考慮到傳感器變化,放大倍數也要根據不同的場合而變化,因此可將R變為可調諧放大倍數的可調電阻,用多路開關選擇加入不同的電阻,從而改變其放大倍數,達到一定的通用性。在放大電路圖2中AD7501組成了可調諧電阻R,當多路開關的選通信號不同時,R的阻值就不一樣,放大器的放大倍數就會變化。但是,在實際應用中,由於各種原因,使得輸入信號對放大倍數的要求很複雜,因此就要求R的阻值既要可變,又要可調。為滿足使用要求,在R內部串聯一個電位器,在控製器出廠前,由工作人員通過實驗的方法調整電位器,使放大器放大倍數精確滿足放大要求。

2.2A/D轉換電路設計
        AD574A片內已有時鍾,故無需外加時鍾信號。該電路采用單極性輸入方式,可對(0～10)V和(0～20)V模擬信號進行轉換。當AD574A與89C51配置時,由於AD574A輸出12位數碼,因此單片機讀取轉換結果時,需分兩次進行:先高8位、後低4位。由A0=0或A0=1來分別控製讀取高8位或低4位。單片機可以采用中斷、查詢、延時方式讀取AD574A轉換後的數據,設計中單片機采用延時方式,在編寫程序時用延時語句來獲得一段時間,使AD574A有足夠的時間完成A/D轉換。

2.3輸出控製電路設計
     設計的配料儀表用電磁閥來控製8個料鬥和一個稱鬥,因此,單片機隻需要輸出簡單的電平信號來控製電磁閥的開閉就能完成控製。由繼電器驅動的輸出控製電路如圖4所示。當74LS373輸出低電平時,光電耦合器TLP521的發光二極管導通,使TLP521的光敏三極管飽和導通後輸出低電平。該低電平送至繼電器和物料倉出料閥門的繼電器,反之,物料的閥門被關閉。圖中的繼電器線圈是感性負載,當電路突然關斷時,會出現感性浪湧電壓,所以在繼電器兩端並聯一個阻尼二極管加以保護。另外,還要加一路繼電器來控製混合倉,當一輪配料完成時,打開稱鬥上的電磁閥,將物料注入混合倉進行攪拌,供後續生產過程使用,這一路繼電器用單片機的P3.2來控製。

2.4鍵盤及顯示電路設計
       本設計中鍵盤顯示電路選用芯片zlg7289A。zlg7289A是廣州周立功單片機發展有限公司自行設計的,具有SPI串行接口功能的可同時驅動8位共陰式數碼管(或64隻獨立LED)的智能顯示驅動芯片,該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣,單片即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能。配合相應的鍵盤顯示子程序,即可實現配料儀表8位紅色LED顯示及包含有數字鍵和功能鍵在內的15個按鍵正常工作。

3、配料軟件係統設計

      自動配料係統在軟件設計中采用模塊化程序設計技術,根據係統的功能,分成若幹個功能相對獨立的模塊,包括串行通信模塊、顯示模塊、A/D轉換模塊、數據處理模塊和配料控製模塊等。主程序主要完成數據采集、配料控製、數值顯示等功能。開機後首先初始化子程序,包括設置中斷入口、RAM區自檢、各標誌位設置等,然後顯示儀表型號,接著進入主測量程序,並同時進行繼電器控製。此時,按功能鍵可進入按鍵散轉子程序,根據鍵值進行按鍵功能選擇,可選擇控製值設定、參數標定等。主程序流程如圖5所示。

4、抗幹擾措施

一般來說,幹擾主要是外界電磁場、接地線不合理和整流電源的交流紋波等原因造成的,即當放大電路輸入端輸入信號電壓Vi=0時,使輸出端可能出現交流幹擾電壓。對於雜散電磁場的幹擾,可采取合理布局和屏蔽的抑製措施。將各級的共同端都直接接到直流電源負的共地點,則可克由於接地點安排不正確而引起的幹擾服。對於直流電源電壓波動引起的幹擾,可采用穩壓電源供電,並在穩壓電源的輸入和輸出端加一足夠大的電解電容或鉭電容的濾波電路。對於運算放大器,為防止直流電源的幹擾,可在電源引腳和地之間加一鉭電容防止低頻幹擾,加一獨石電容防止高頻幹擾。

在進行數據處理之前,一般先要對采樣數據進行濾波以消除或減弱被測信號中的噪聲幹擾。本設計中采用的是平均值濾波,用純軟件的方法來排除噪聲幹擾,可靈活修改濾波參數。

5、結束語

基於單片機8051的自動配料儀表,是一種能適合不同種類傳感器,能用於不同行業的通用型自動配料儀表,解決了目前配料儀表不能一機多用的問題。該設計結構簡單,功能靈活,便於維護,並且具有良好的抗幹擾能力,有利於提高係統的可靠性和性價比,具有明顯的應用推廣價值。

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