衛(wèi)煒

（燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

基于單片機(jī)的模擬智能傳送裝置的設(shè)計(jì)

衛(wèi)煒

（燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

以單片機(jī)為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用C51為編程工具，設(shè)計(jì)一種模擬智能傳送裝置.設(shè)計(jì)中通過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)傳送裝置的直流電機(jī)，以流水燈模擬傳送帶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)按鍵可控制傳送帶的啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及設(shè)置稱重限制值.設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是應(yīng)用重力傳感器對(duì)載物進(jìn)行精確測(cè)量以及數(shù)據(jù)采集.主要由控制模塊、傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集電路模塊、按鍵模塊、報(bào)警模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊等組成.

單片機(jī)；傳送裝置；控制系統(tǒng)；智能化；傳感器

傳送裝置正朝著智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展.通過(guò)載體重量控制傳送裝置運(yùn)動(dòng)狀態(tài)成為傳送裝置系統(tǒng)重要的智能控制方向.從整體看，本系統(tǒng)穩(wěn)定性良好、測(cè)量精度高、功能相對(duì)完善，很好地滿足了工業(yè)自動(dòng)化和重量控制現(xiàn)代化的需求.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

載體在傳輸狀態(tài)下，稱重傳感器檢測(cè)壓力信號(hào)，得到微弱的電信號(hào)，數(shù)據(jù)采集電路采集該電信號(hào)并進(jìn)行適當(dāng)處理后，送至A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出.單片機(jī)控制器接收來(lái)自A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為物體的實(shí)際重量信號(hào)，并通過(guò)顯示器顯示出來(lái).同時(shí)單片機(jī)控制器定時(shí)對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，而后通過(guò)鍵盤程序，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，包括：?jiǎn)?dòng)、停止、正向、反向、設(shè)置、數(shù)字+、數(shù)字-等功能控制.流水燈根據(jù)是否超重反映出相反的流動(dòng)狀態(tài).在不超重或回復(fù)不超重的情況下，繼電器正常驅(qū)動(dòng)傳送帶電機(jī)運(yùn)作.報(bào)警器在超重時(shí)發(fā)出警告聲[1].

基于單片機(jī)的模擬智能傳送裝置系統(tǒng)由7部分構(gòu)成：稱重信號(hào)采集部分、單片機(jī)控制部分、數(shù)據(jù)顯示部分、流水燈部分、報(bào)警部分、鍵盤部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分.系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)要求的芯片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和程序存儲(chǔ)空間都較小，固單片機(jī)選擇STC89C51芯片.最小系統(tǒng)用12Mhz的晶振，時(shí)鐘周期為1us.采用按鍵復(fù)位.

2.2 壓力傳感器

應(yīng)變式壓力傳感器是把壓力的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化來(lái)進(jìn)行測(cè)量的，通常是將電阻應(yīng)變片通過(guò)特殊的粘和劑緊密的粘貼在被測(cè)試表面上，由于被測(cè)試件的變形使其表面產(chǎn)生應(yīng)變，從而引起電阻應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電阻的變化即反映了應(yīng)變的大小[2].

2.3 前級(jí)放大器

由于應(yīng)變片的電橋電路的輸出信號(hào)一般比較微弱，所以目前大部分電阻應(yīng)變式傳感器的電橋輸出端與直流放大器相連.本設(shè)計(jì)的放大器由3個(gè)集成運(yùn)算放大器組成，如圖2所示.

圖2 三運(yùn)放高共模抑制比的放大電路

其原理是運(yùn)放A1和A2為同相差分輸入方式.采用同相輸入可以大幅度提高放大電路的輸入阻抗，減小電路對(duì)輸入的微弱信號(hào)的衰減.差分可以使電路只對(duì)差模信號(hào)放大，而對(duì)共模輸入信號(hào)只起跟隨作用，使得送到后級(jí)的差模信號(hào)與共模信號(hào)的幅值之比得到提高[3].

其中A1和A2為兩個(gè)性能一致的同相輸入集成運(yùn)算放大器，構(gòu)成平衡對(duì)稱差動(dòng)放大輸入級(jí)；A3構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級(jí)，用來(lái)進(jìn)一步抑制A1和A2的共模信號(hào).由于每個(gè)放大器求和點(diǎn)的電壓值等于在各自正輸入端的電壓值.因此，整個(gè)差分輸入電壓都呈現(xiàn)在R7兩端.流過(guò)R7的電流等于(Vin2－Vin1)/R7，因此，輸入信號(hào)（Vin2－Vin1）可通過(guò)A1和A2獲得增益并放大.由于加到放大器輸入端的共模電壓在R7兩端的電位相同，所以在R7上不會(huì)產(chǎn)生電流，即在R5和R6上也沒(méi)有電流流過(guò)，放大器A1和A2將各自起到跟隨作用.在R5=R6，R3=R8，R2=R4的條件下，差分電壓的增益為：

輸出端電壓為

由上式可見(jiàn)，電路增益的調(diào)節(jié)可以通過(guò)改變R7實(shí)現(xiàn).該放大電路具有共模抑制比高、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、外部接口簡(jiǎn)單和使用方便等特點(diǎn).可以利用普通運(yùn)放做成一個(gè)三運(yùn)放高共模抑制比的放大電路，且放大器電路的增益是可以改變的.

2.4 A/D轉(zhuǎn)換器

稱重傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后仍為模擬量，需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后再由單片機(jī)處理.所以模數(shù)轉(zhuǎn)換部件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度都會(huì)產(chǎn)生影響.所以本系統(tǒng)采用8位串行接口A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832.ADC0832接口電路如圖3.

圖3 ADC0832接口電路

2.5 流水燈電路

采用流水燈的變化狀態(tài)模擬傳送帶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括：停止、正向運(yùn)動(dòng)、反向運(yùn)動(dòng)等狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)流水燈的熄滅、正向流動(dòng)、反向流動(dòng)等狀態(tài).

2.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)采用最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路，即直接用繼電器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī).當(dāng)三極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，繼電器繞組感生出一個(gè)較大的自感電壓.它與電源電壓疊加后加到控制繼電器線圈的三極管的e、c兩極上，使發(fā)射結(jié)有可能被擊穿.為了消除這個(gè)感生電動(dòng)勢(shì)的有害影響，在繼電器線圈兩端反向并聯(lián)一個(gè)二極管，抑制該電動(dòng)勢(shì).自感電壓與電源電壓之和對(duì)二極管來(lái)說(shuō)卻是正向偏壓，使二極管導(dǎo)通形成環(huán)流.感應(yīng)的高電壓就會(huì)通過(guò)回路釋放掉，保證了三極管的安全.電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4.

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.7 其他電路

除以上介紹的電路外，還包括按鍵電路、顯示電路以及報(bào)警電路.由于本設(shè)計(jì)中所用按鍵并不多，所以鍵盤電路采用獨(dú)立按鍵的形式.報(bào)警電路使用蜂鳴器與一二級(jí)管組成.顯示部分采用LCD1602液晶屏.LCD液晶顯示器具有顯示質(zhì)量高、功率消耗小等優(yōu)點(diǎn)，并且液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)的接口簡(jiǎn)單,操作也很方便.

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)上電復(fù)位后，先進(jìn)行初始化，顯示器顯示當(dāng)前載體重量和上限值重量，流水燈處于熄滅狀態(tài).按下啟動(dòng)鍵后，如果按下正向鍵，直流電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，流水燈正向流動(dòng)；如果按下反向鍵，直流電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，流水燈反向流動(dòng).按下停止鍵后系統(tǒng)停止運(yùn)作.通過(guò)設(shè)置鍵以及數(shù)字+鍵、數(shù)字-鍵可以設(shè)置載體重量的上限值，按下設(shè)置鍵后，設(shè)置指示燈亮起，通過(guò)數(shù)字+鍵、數(shù)字-鍵改變上限數(shù)值，設(shè)置完后，設(shè)置指示燈熄滅.當(dāng)載體重量不超過(guò)上限值時(shí)，直流電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)，流水燈也正常流動(dòng)；當(dāng)載體重量超過(guò)上限值時(shí)，直流電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，流水燈熄滅，報(bào)警器報(bào)警；若載體重量恢復(fù)到上限值以下時(shí)，直流電機(jī)恢復(fù)正常轉(zhuǎn)動(dòng)，流水燈也恢復(fù)正常流動(dòng)，報(bào)警器停止報(bào)警[4].

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的主流程圖如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的主流程圖

隨著具有稱重系統(tǒng)的傳送裝置的應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大，完善傳輸裝置稱重系統(tǒng)成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一.

本系統(tǒng)正是考慮這一實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為開(kāi)發(fā)平臺(tái)的一種模擬智能傳送裝置.利用Keil uVision3完成軟件設(shè)計(jì)后，通過(guò)Proteus仿真出了實(shí)際效果.設(shè)計(jì)中提出了系統(tǒng)硬件各個(gè)模塊電路的具體設(shè)計(jì)以及軟件的設(shè)計(jì)思路，并且闡述了壓力傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)處理算法.采用經(jīng)過(guò)改進(jìn)的三運(yùn)放高共模抑制比的放大電路，提高了測(cè)量精確度.

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件的編寫，因此在編寫軟件中需要花很多的時(shí)間.由于多方面客觀因素，此次設(shè)計(jì)仍有改進(jìn)之處.尤其是高共模抑制比的放大電路部分的設(shè)計(jì)并不理想，仍需進(jìn)一步調(diào)試.對(duì)進(jìn)一步研發(fā)傳送裝置系統(tǒng)做了一個(gè)良好的基礎(chǔ).

〔1〕龐偉屹.基于單片機(jī)的傳輸帶動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].石家莊:河北科技大學(xué)，2010.16.

〔2〕李國(guó)棟，李光日，田玉敏.一種用于測(cè)量機(jī)器人ZMP的多點(diǎn)壓力傳感器[J].微計(jì)算機(jī)信息,2010(17):157-158,154.

〔3〕崔利平.儀表放大器電路設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009(11): 87-89.

〔4〕梁明亮,韋成杰.單片機(jī)對(duì)串行A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832的C51編程[J].鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2009(3):36-37.

〔5〕馬繼偉，馬玉泉，倫翠蓊.單片機(jī)原理及應(yīng)用的立體教學(xué)模式[J].河北科技師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（3）.

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