上海電機(jī)學(xué)院（上海 200240） 陳 梅

0 引言

單片機(jī)具有集成度高、功能強(qiáng)、體積小、價(jià)格低、抗干擾能力等優(yōu)于一般CPU的優(yōu)點(diǎn)，因此，在要求較高控制精度和較低成本的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，往往采用單片機(jī)作為數(shù)字控制系統(tǒng)取代模擬控制系統(tǒng)。本文介紹一種基于AT89S52的沙漿稱重系統(tǒng)的研制方法，利用單片機(jī)和傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)重量的高精度測(cè)量。

1 系統(tǒng)的組成及工作原理

基于AT89S52單片機(jī)的沙漿稱重系統(tǒng)硬件電路如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作原理：先由稱重傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)鋼制儲(chǔ)料罐、支架及水泥物料等所有物體的總重量信號(hào)，并把重量信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為0～20mV的微弱信號(hào)。AD7705采用了成本較低但能獲得極高分辨率的∑-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以獲得16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出,AD7705片內(nèi)的增益可編程放大器PGA通過指令設(shè)定實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的放大，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換電路以數(shù)字形式傳送給AT89S52單片機(jī)。AT89S52單片機(jī)取得相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，根據(jù)用戶設(shè)置(總重量或凈重量等)顯示要求進(jìn)行分析與運(yùn)算。數(shù)碼驅(qū)動(dòng)及鍵盤控制芯片CH451，通過可以級(jí)聯(lián)的串行接口接收單片機(jī)的運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù)，并直接驅(qū)動(dòng)六個(gè)數(shù)碼管顯示當(dāng)前所測(cè)物體的重量。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件主要包括單片機(jī)的最小系統(tǒng)、重量采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、顯示電路和外圍控制電路等。

2.1 測(cè)重電路設(shè)計(jì)

稱重傳感器是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，是一種將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成可測(cè)量電信號(hào)的輸出裝置，它的性能和精度直接關(guān)系到重量檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度。傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過濾波電路，消除信號(hào)中的串模、共模干擾以及高頻干擾信號(hào)后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。

2.1.1 稱重傳感器

混凝土攪拌樓稱重傳感器為電阻應(yīng)變式，主要部分由電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測(cè)電路組成。彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片也隨之產(chǎn)生變形，其阻值發(fā)生變化，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，從而完成將外力變換為電信號(hào)的過程。

混凝土攪拌樓站中稱重傳感器處于相當(dāng)惡劣的運(yùn)行條件中，環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力、震動(dòng)、磁場(chǎng)、電場(chǎng)等諸多因素均可能產(chǎn)生換能誤差、零點(diǎn)漂移和靈敏度的變化。差動(dòng)式惠斯登電橋的靈敏度高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響可以相互抵消，還可以方便地解決稱重傳感器的補(bǔ)償問題，故稱重傳感器均采用箔式雙軸片連接成的差動(dòng)式惠斯登電橋作為測(cè)量電路。稱重傳感器的電阻應(yīng)變計(jì)能夠達(dá)到溫度自補(bǔ)償，還可以通過線路補(bǔ)償來彌補(bǔ)傳感器的零點(diǎn)溫度漂移和輸出靈敏度的變化。

使用過程中傳感器結(jié)構(gòu)、容量、技術(shù)參數(shù)選擇等都會(huì)使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差，故需要合理選擇額定容量，稱重傳感器的額定容量 =K(皮重+最大稱重)/傳感器組合個(gè)數(shù)。(K是安全系數(shù)，取決于振動(dòng)、沖擊、偏載等因素；皮重指秤斗及其上面各附件的重量)。傳感器數(shù)量的選擇是根據(jù)秤體需要支撐的點(diǎn)數(shù) (根據(jù)秤體幾何重心和實(shí)際重心重合的原則)而定。故選用四只量程為20T，靈敏度為2 mV/V，精度為0.2%，供電電壓為10V，滿量程輸出為20mV的SM40-A型稱重傳感器組成并聯(lián)輸出電路，如圖2所示，總稱重為80T。并聯(lián)輸出電路的四只稱重傳感器由一個(gè)供橋電源供電，既節(jié)省設(shè)備、簡(jiǎn)化系統(tǒng)，又提高了稱量的可靠性；總輸出阻抗的減小，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。利用平均值電路原理，每只傳感器的輸出阻抗相等，則橋路輸出點(diǎn)電壓ΔU為各個(gè)橋路輸出的算術(shù)平均值。

圖2 四稱重傳感器并聯(lián)電路圖

稱重傳感器除了固有的非線性等系統(tǒng)誤差外，所有其它的誤差均為隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差通常按高斯定律分布，其分布的鐘形曲線如圖3所示。隨機(jī)誤差分布的基本度量是方差 !2，在數(shù)學(xué)上定義為：

隨機(jī)函數(shù)分布如圖3所示，若方差大，則誤差分布曲線平坦(如圖3曲線b所示)；如果方差小，誤差分布曲線就十分尖銳(如圖3曲線c所示)。高斯誤差分布函數(shù)的數(shù)學(xué)性質(zhì)中，99.7% 的誤差位于3!間。n個(gè)稱重傳感器系統(tǒng)是由同樣量程的稱重傳感器組成的，隨機(jī)誤差的分布是相同的。在多只傳感器組合使用時(shí)，其綜合誤差為

圖3 隨機(jī)函數(shù)分布曲線

2.1.2 高精度A/D轉(zhuǎn)換

稱重傳感器的輸出為mV級(jí)的微弱信號(hào)，傳統(tǒng)的測(cè)量方法是在A/D轉(zhuǎn)換之前加一級(jí)高精度的放大器，電路復(fù)雜。本系統(tǒng)采用AD7705，器件包括由緩沖器和增益可編程放大器組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路，∑-Δ調(diào)制器，可編程數(shù)字濾波器等部件，能直接將傳感器測(cè)量到的多路微小信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，減少了信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)，避免了放大電路產(chǎn)生的漂移。器件采用三線串行接口，有兩個(gè)全差分輸入通道，用E-V轉(zhuǎn)換技術(shù)能達(dá)到0.003%非線性的16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出，其增益和數(shù)據(jù)輸出更新率均可編程設(shè)定。它包括自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)選項(xiàng)，以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移誤差，與內(nèi)部增益可設(shè)定的特點(diǎn)相結(jié)合，能有效地避免弱信號(hào)以及信號(hào)調(diào)理電路帶來的漂移影響。

2.2 系統(tǒng)保護(hù)

本系統(tǒng)采用X5045看門狗芯片，常用接線如圖3所示。它是單片機(jī)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一種可編程控制電路，它把上電復(fù)位、看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控和E2PROM四種常用功能組合在單個(gè)芯片里，以降低系統(tǒng)成本、節(jié)約電路板空間。X5045中的看門狗在系統(tǒng)發(fā)生故障而超過設(shè)置時(shí)間時(shí)，通過RESET信號(hào)向CPU做出反應(yīng)，X5045提供三個(gè)時(shí)間值供用戶選擇使用。它所具有的電壓監(jiān)控功能還可以保護(hù)系統(tǒng)免受低電壓的影響：當(dāng)電源電壓降到允許范圍以下時(shí)，系統(tǒng)將復(fù)位，直到電源電壓返回到穩(wěn)定值為止。X5045的存儲(chǔ)器與CPU通過串行通信方式接口，512 x 8個(gè)字節(jié)的E2PROM用于存儲(chǔ)單片機(jī)系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)。

圖3 X5045常用接線圖

2.3 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及鍵盤控制

很多以單片機(jī)為核心的儀器儀表都需要數(shù)碼管顯示和鍵盤掃描。本系統(tǒng)采用CH451，CH451是一個(gè)整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描控制以及μP監(jiān)控的多功能外圍芯片。CH451內(nèi)置RC振蕩電路，可以動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)8位數(shù)碼管或者64只LED發(fā)光管，具有BCD譯碼、閃爍、移位等功能；同時(shí)還可以進(jìn)行64鍵的鍵盤掃描，并內(nèi)置去抖動(dòng)電路，可提供按鍵中斷與按鍵釋放標(biāo)志位等功能；CH451通過可以級(jí)聯(lián)的串行接口與單片機(jī)等交換數(shù)據(jù)；并提供上電復(fù)位和看門狗等監(jiān)控功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于AT89S52單片機(jī)的沙漿稱重系統(tǒng)的軟件主要由以下幾個(gè)模塊組成，即系統(tǒng)的主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、系統(tǒng)保護(hù)模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊。

3.1 系統(tǒng)主控程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)選用AT89S52單片機(jī)，采用匯編語言進(jìn)行編程。系統(tǒng)初始化階段需完成：將單片機(jī)的定時(shí)器T0設(shè)置為模式1(16位計(jì)數(shù))；啟動(dòng)CH451的顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描，設(shè)置BCD譯碼方式，掃描極限為6，亮度為10/16；AD7705初始化：選時(shí)鐘寄存器，選通道1，轉(zhuǎn)換頻率為50Hz，自校準(zhǔn)，單極性，緩沖模式，增益128；X5045初始化：設(shè)置寫允許，開看門狗。

首先通過稱重傳感器將采集到的重量信息轉(zhuǎn)換為微弱的電壓信號(hào)，然后通過AD7705轉(zhuǎn)化成16位數(shù)據(jù)輸出，AT89S52單片機(jī)取得相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，根據(jù)設(shè)置要求經(jīng)主程序分析與運(yùn)算以后，利用CH451直接驅(qū)動(dòng)六個(gè)數(shù)碼管，顯示當(dāng)前所測(cè)物體的重量。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 系統(tǒng)軟件編程特點(diǎn)

沙漿稱重系統(tǒng)經(jīng)過設(shè)置過程后，自動(dòng)進(jìn)入重量動(dòng)態(tài)顯示狀態(tài)，以5位數(shù)字的形式顯示當(dāng)前所測(cè)得的重量。面板上有移位、遞增、遞減、編程和清零按鍵，在重量動(dòng)態(tài)顯示狀態(tài)下，除編程按鍵之外各鍵均處于無效狀態(tài)。系統(tǒng)編制了多條功能指令即選擇參數(shù)號(hào)以實(shí)現(xiàn)各種操作。

參數(shù)設(shè)置狀態(tài)的進(jìn)入和退出，通過編程鍵、移位、遞增、和遞減鍵的操作實(shí)現(xiàn)。進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置狀態(tài)后，首先應(yīng)設(shè)置密碼，只有在確認(rèn)密碼正確以后，才能對(duì)其它參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，否則即使選擇了參數(shù)號(hào)，也無法進(jìn)入該參數(shù)進(jìn)行操作。裝置內(nèi)置的密碼值可通過參數(shù)號(hào)進(jìn)行修改。傳感器所測(cè)得的重量，包括鋼制儲(chǔ)料罐、支架及水泥物料等所有物體的總重量，要得到水泥物料的凈重，必須在總重量中扣除除了水泥物料之外所有器件的重量，即扣除皮重，通過功能指令，可將當(dāng)前重量作為皮重存儲(chǔ)到裝置中，使以后所測(cè)量的總重量自動(dòng)扣除皮重后進(jìn)行顯示；如果需要顯示的是包括鋼罐在內(nèi)的總重量，或要對(duì)原來保存的皮重重新設(shè)置，也可以將存儲(chǔ)在裝置內(nèi)的皮重加以清除或修改。選擇參數(shù)號(hào)還可以對(duì)AD轉(zhuǎn)換的倍率進(jìn)行修正，裝置內(nèi)置的初始倍率為16進(jìn)制數(shù)值2E90H，即傳感器20mV的測(cè)量信號(hào)電壓對(duì)應(yīng)顯示重量80000kg。

4 結(jié)論

本沙漿稱重系統(tǒng)，充分發(fā)揮了AT89S52單片機(jī)強(qiáng)大的控制能力，通過稱重傳感器、16位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及鍵盤控制芯片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)沙漿重量的高精度測(cè)量和顯示。系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)控制器穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳送可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際使用中取得了良好的效果。

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