摘 要:為了精確計量粉料的使用生產(chǎn)情況和計算、統(tǒng)計生產(chǎn)成本，有必要對粉料儲料倉轉(zhuǎn)送到壓機(jī)的粉料進(jìn)行計量。本文描述了單片機(jī)在粉料流量累積中的軟硬件設(shè)計，并提出了一些應(yīng)用中的注意事項。

關(guān)鍵詞:陶瓷粉料計量;單片機(jī)AT89S52;速度測定;重量測定

1引 言

為提高生產(chǎn)效率、降低人工操作強度和生產(chǎn)成本，實現(xiàn)連續(xù)化、自動化與精確化生產(chǎn)，是陶瓷行業(yè)的發(fā)展方向。但對于設(shè)備自動化水平不高的陶瓷行業(yè)原料車間來說，實現(xiàn)精確管理和精確統(tǒng)計生產(chǎn)成本，確是一個有相當(dāng)難度的課題。一直以來，原料車間輸送到壓機(jī)車間的粉料數(shù)量是個模糊、沒有明確量化的一個數(shù)字，精確統(tǒng)計成本更是無從談起。

目前，市場上較為成熟的稱重技術(shù)和設(shè)備不少，如西門子的稱重積算儀BW500，其性能優(yōu)良、穩(wěn)定，但價格不菲。如果能尋找到一種價格適中、性能又能滿足要求的計量設(shè)備，相信能解決不少陶企的難題。

2陶企粉料測量的現(xiàn)狀和需求

對陶企而言，動態(tài)測量粉料重量，直觀地給出粉料的累積數(shù)字，可以充分掌握粉料的實時應(yīng)用情況，對球磨工序和造粒工序起著直接的指導(dǎo)作用。而傳統(tǒng)的計量方式和管理方式并不能滿足現(xiàn)代化工廠精益生產(chǎn)、精益管理的要求，筆者所在的單位也面臨著同樣的困惑。對陶企而言，用最簡單經(jīng)濟(jì)的方式實現(xiàn)工廠的計量需求，無疑是最實用與有效的。

在現(xiàn)代自動化控制系統(tǒng)中，單片機(jī)出色的表現(xiàn)、優(yōu)異的性能使其在嵌入式系統(tǒng)中占據(jù)著相當(dāng)重要的位置，而價格低廉更是令其它控制設(shè)備如PLC等無法與它相提并論。但單片機(jī)并不完美，它復(fù)雜的編程語言和指令系統(tǒng)、抗干擾能力不強等，限制了它在陶瓷行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用。如果能妥善設(shè)計電路板，編寫出比較優(yōu)秀的控制代碼，則可望實現(xiàn)粉料的實時測量，本文重點講述一種基于單片機(jī)的電子稱的硬件搭配和軟件的編寫。

3硬件搭配

3.1 主要電子元件

主要電子元件清單如表1所示。

除主要元件外，還需要電阻、電容、三端穩(wěn)壓管、指示燈、光藕等。這些元件都是電子市場的常用品，價格不高，容易采購。

3.2 硬件連接

圖1為硬件連接示意圖。本例采用AT89S52單片機(jī)作為主控制器，采用74LS47芯片作數(shù)碼管接口，采用74LS154 芯片作為數(shù)碼管位控制，AD0804作為重量信號的采集，編碼器作為速度信號的采集，七段數(shù)碼管其中8位作為粉料累積重量的顯示，其中4位作為當(dāng)前皮帶速度的顯示，剩下4位作為當(dāng)前重量代碼的顯示。

需要說明的是，因為要采集的I/O數(shù)量較多，為了節(jié)省I/O口開銷，采用74LS47和74LS154硬件譯碼集成電路。74LS47是數(shù)碼管譯碼集成電路，它把輸入的數(shù)字0～9轉(zhuǎn)化成A～G七段數(shù)碼輸出，其功能表見表2。

74LS154是4～16譯碼集成電路，它把輸入的0～F數(shù)字轉(zhuǎn)化成16個位輸出，分別用于控制16位數(shù)碼管的位控制，其功能表見表3。

從表3可看出，為了使其工作正常，必須使E0、E1為低電平。當(dāng)A0、A1、A2、A3分別為0000時，Y0輸出有效(低電平有效)，當(dāng)它們?yōu)?111時，Y15輸出(低電平有效)，其它類推。

AD0804是A/D轉(zhuǎn)換芯片，它對輸入模擬量信號的要求是:

(1) 信號單極性，電壓范圍是0～5V，若信號太小，必須進(jìn)行放大;

(2) 輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣以維持電路正常;

(3) A/D0804轉(zhuǎn)換精度為1/255，要使其工作正常，必須在4腳輸入振蕩信號，工作頻范圍為10～1280kHz，當(dāng)頻率范圍為500kHz時，其轉(zhuǎn)換時間為128?滋s。

ADC0804電壓輸入與數(shù)字輸出關(guān)系如表4所示。

4軟件設(shè)計

4.1 稱量原理

正確計量陶瓷粉料質(zhì)量的兩個必要條件是:一是正確測算出電子稱皮帶單位時間內(nèi)的移動距離，二是正確計算出單位時間內(nèi)電子稱皮帶上的單位長度上的質(zhì)量，在本例中速度和重量的測算由中斷程序完成。然后通過數(shù)學(xué)公式，計算出單位時間內(nèi)電子稱皮帶上粉料的瞬時進(jìn)出料重量，再通過流量累積，就可以得到正確的粉料累積重量，最后由數(shù)碼管顯示出來。為使系統(tǒng)更適合陶瓷廠復(fù)雜的電磁環(huán)境，解決電子稱安裝位置不準(zhǔn)可能引起的振動而導(dǎo)致的系統(tǒng)精度下降等問題，在公式中引入必要的修正系數(shù)k1、k2。

KG=50×k1×kg/255/long+k2 (1)

式中:

KG——單位時間測得的瞬時重量;

kg——當(dāng)前測得的重量代碼;

long——電子皮帶總長度;

k1——補償系數(shù)1;

k2——補償系數(shù)2;

50——S型稱重傳達(dá)室感器的量程，0～50kg。

上式的功能是把瞬時重量換算成單位長度皮帶上的瞬時重量。

流量累積公式:

TKG=TKG+KG×cur_distance (2)

式中:

TKG——累積重量;

cur_distance——當(dāng)前測得的皮帶移動速度

KG——單位時間內(nèi)測得的瞬時重量

4.2 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖如圖2所示，下面詳細(xì)說明:

4.2.1 速度計算

為了正確測量電子稱皮帶運轉(zhuǎn)速度，采用增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，該編碼器和電子稱皮帶從動輪按1:1柔性連接，從動輪每旋轉(zhuǎn)一圈，發(fā)出固定數(shù)量的脈沖，故測量在單位時間內(nèi)的編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)就可以間接測量從動輪旋轉(zhuǎn)速度，通過下面公式可以計算出單位時間內(nèi)皮帶移動的距離。

(1) 從動輪旋轉(zhuǎn)速度的測定

為了正確測定從動轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)速度(單位R/M)，需要使用中斷功能，通過外部中斷0累加脈沖總量;定時中斷0設(shè)置為2秒定時中斷，當(dāng)2秒定時時間到后，立即計算單位時間內(nèi)采集到的脈沖數(shù)，由公式3計算出當(dāng)前皮帶單位時間的移動距離。

cur_distance=3.14×D×total_pulse/1000/2 (3)式中:

cur_distance——皮帶單位時間內(nèi)移動的距離(單位m);

D——皮帶輪的直徑(單位m);

total_pulse——2秒內(nèi)采集到的脈沖總數(shù);

1000——增量型編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù);

2——2秒。

(2) 移動距離的計算程序

下面是KEILC 關(guān)于計算移動距離的程序，程序中沒有說明的變量全為全局變量。

//定時器中斷，累積2秒內(nèi)總的脈沖數(shù)

void into_int() interrupt 0

{cur_pulse++;}

//使用1000pulse/R encoder

//計算皮帶單位時間移動距離

void int1_int() interrupt 1

{TH0=0x4C;//50ms中斷

TL0=0x00;

cur_ms++;

if(cur_ms>=20)

{ET0=0; //關(guān)閉定時器0中斷

TR0=0;

EX0=0;//關(guān)閉外部中斷0

cur_ms=0;

cur_n=cur_pulse/2/1000.0;/* (R/sec)，cur_n為從動輪旋轉(zhuǎn)速度，單位圈/秒。

cur_pulse=0;//總脈沖數(shù)清零

//計算流量累積:2秒計算一次 ;

//1.2為稱帶長度////sszl為計算出的瞬時重量

mps=cur_n*0.628;////mps當(dāng)前轉(zhuǎn)速:米/秒，輪子 周長0.628m=2pai*直徑;輪子直徑為10cm。

ET0=1;//重新開放計數(shù)/定時功能

EX0=1;

TR0=1; }}

在上面的程序中，當(dāng)定時時間開啟，進(jìn)入計算階段后，需要禁止外部中斷和定時中斷，計算完畢后才重新開啟。

4.2.2 重量信號的測定

我們使用AD0804集成電路完成重量信號的測定，配合轉(zhuǎn)換程序，達(dá)到實時測量、轉(zhuǎn)換的目的。為了保證測量的準(zhǔn)確性和增強抗振動和抗干擾性，我們引入了數(shù)字濾波。本例中數(shù)字濾波由平均值濾波和中值濾波組成。首先連續(xù)采樣三次，取得中值后放進(jìn)第一個寄存器，然后再連續(xù)采樣兩次，分別放進(jìn)兩個寄存器。由這三個寄存器取平均值后，得出最終的采樣結(jié)果。使用這兩種濾波后，能有效地對隨機(jī)干擾和偶然性干擾進(jìn)行濾除，圖3是AD轉(zhuǎn)換框圖。

下面對這兩種濾波方式進(jìn)行簡單說明:

(1) 平均值濾波

int aver()

{int temp，I1，I2，I3;

I1=zhongzhi();

I2=zhongzhi();

I3=zhongzhi();

Temp=(I1+I2+I3)/3;

Return temp;}

在這個函數(shù)中，temp為返回值，返回給主調(diào)函數(shù)。

算術(shù)平均濾波法的優(yōu)缺點如下:

1) 優(yōu)點:

適用于對一般具有隨機(jī)干擾的信號進(jìn)行濾波，這種信號的特點是有一個平均值，信號在某一數(shù)值范圍附近上下波動。

2) 缺點:

對于測量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計算速度較快的實時控制不適用，比較浪費RAM。

(2) 中值濾波

Int zhongz()

{int A1，A2，A3，temp，da，xiao;

A1=rd0804();//采樣A/D數(shù)據(jù)

Delay(2);//延時函數(shù)

A2=rd0804();

Delay(2);

A3=rd0804();

Delay(2);

If(a1>=a2)

{da=A1;xiao=A2;}

Else

{da=A2;xiao=A1;}

//判斷

If((da>=a3)(xiao>=a3)temp=xiao;

If((da>=a3)(xiao

If((da<=a3)(xiao<=a3)temp=da;

Return temp;//返回值}

中值濾波的優(yōu)點和缺點:

1) 優(yōu)點:

能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，對溫度、液位等變化緩慢的被測參數(shù)有良好的濾波效果。

2) 缺點:

對流量、速度等快速變化的參數(shù)不宜。

4.3 顯示接口

顯示接口由16位七段數(shù)碼管和74LS47、74LS154集成電路組成，74LS154主要負(fù)責(zé)數(shù)碼管位控制，74LS47主要實現(xiàn)0～9到七段碼的轉(zhuǎn)換工作。整個顯示接口采用動態(tài)掃描的方法，分時顯示各個待顯示數(shù)字，因這部分比較簡單，故程序和流程圖從略。

5結(jié) 語

本文詳細(xì)論述了一種成本低、能實現(xiàn)重量實時累積的陶瓷廠粉料重量測量設(shè)備，在實際應(yīng)用中，要充分考慮陶瓷廠的工作環(huán)境和較強的振動源，有效采集重量信號，并做好電路板的防塵工作。

參考文獻(xiàn)

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